基于公路改扩建旧混凝土路面回收集料的再生水稳基层应用研究

陈 鹏, 张望鹏

(1.湖南省公路学会，湖南 长沙 410008； 2.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015)

0 引言

截至2022年底，我国公路通车里程达到535万km，其中高速公路里程17.7万km，交通运输业的蓬勃发展促进了社会经济的加速发展，方便了人们的生活，但也造成了许多社会问题。如公路设施的建设消耗了宝贵的自然资源，大量路段进行的提质改造或改扩建又带来了巨量废旧筑路工程材料[1]，目前这些旧筑路材料通常以填埋或用于填筑路基等方式进行处理，浪费了有限的不可再生的优质资源[2]。交通运输部在《绿色交通“十四五”发展规划》(交规划发〔2021〕104号文)中强调要加强废旧路面材料的循环利用：在各等级公路改扩建和修复养护工程中，积极应用路面材料再生技术，高速公路、普通国省干线公路废旧路面材料循环利用率分别达到95%和80%以上。目前现状与规划差距较大，因此加快公路废旧筑路材料的资源化循环利用工作已迫在眉捷。

据统计，我国每年大约有13%的沥青路面亟需翻修改造，随之产生的废旧沥青混合料可达16亿t，并且该数字还在持续增长[3]。另外，我国水泥路面旧料年产生量超过7 000万t，半刚性基层旧料数量更多。但我国公路路面废旧材料再生利用率不到30%[4]，远低于美、欧、日等发达国家超过90%的资源化利用率水平。目前国内对旧半刚性材料和旧水泥混凝土路面材料的再生利用技术主要为就地铣刨破碎，直接生成废弃骨料，通过筛选设备进行不同粒径骨料回收，并对回收材料进行原材料检测、配合比设计，最后用于新修路面[5-8]。实际工程中废旧水泥混凝土回收集料主要采用固定式破碎设备或移动式破碎设备，加工工艺与碎石基本一致，各种设备的型号大小可根据实际情况决定[9-13]。国内对废旧路面回收集料的研究主要集中在破碎生产工艺，并对回收集料的密度、吸水率、级配、压碎值、表面特征、0.075 mm以下粉尘含量、坚固性、磨耗率等基本物理力学性能指标[14-15]以及水泥稳定回收集料不同时期的无侧限抗压强度、抗压弹性模量、劈裂模量、劈裂强度、浸水抗压和冻融循环残留指标等路用性能进行试验检测[16-18]，综合分析旧混凝土回收集料应用于路面基层及底基层材料的技术可行性及经济、环境效益。

本文结合湖南省某二级公路改建高速公路过程中部分路段路面改造工程，研究了旧水泥混凝土路面回收集料和天然集料的物理性能指标差异，验证了回收集料用于道路基层的可行性；并对二次破碎回收集料的级配组成和混合料配合比设计进行了试验，提出了再生混合料施工过程中的质量控制措施，分析了废旧水泥路面回收集料的再生利用经济效益。

1 原材料试验

1.1 水泥

P·O 42.5缓凝水泥，经检验安定性合格，主要技术指标如表1所示。

表1 水泥的主要性能技术指标标准稠度用水量/%凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d26.3535742524.547.64.46.8

1.2 回收集料

在公路改建过程中，利用凿岩机对水泥混凝土路面预处理，再由固定式破碎设备和移动式破碎设备进行破碎，由组合筛分设备收集规定粒径的粗、细集料备用，废旧水泥混凝土块进行破碎加工后，回收集料的粒径均已控制在31.5 mm以内。回收粗集料如图1所示，主要由碎石和旧水泥砂浆组成，回收细集料主要是包裹砂浆的石屑或砂粒。

图1 回收粗集料

将回收集料和天然集料按照相关规范和试验规程进行试验检测，试验结果见表2和表3。

表2 粗集料物理性能试验结果集料种类粒径/mm表观密度/(g·cm-3)吸水率/%0.075 mm以下粉尘含量/%针片状颗粒含量/%压碎值/%磨耗损失/%19～31.52.6213.20.58.4回收粗集料9.5～192.6173.60.610.326.927.74.75～9.52.6264.90.39.319～31.52.7330.40.33.6天然粗集料16～192.7260.50.33.919.423.44.75～9.52.7320.60.25.8规范要求---≤1.2≤18≤22(基层)≤30(底基层)≤35

表3 细集料物理性能试验结果集料种类表观密度/(g·cm-3)有机质含量/%硫酸盐含量/%砂当量/%含水率/%回收细集料2.5171.10.1468.12.8天然细集料2.7360.40.1073.61.7规范要求-<2≤0.25≥60-

由表2和表3试验结果可知，与天然粗集料相比，回收粗集料表观密度较小、吸水率大、针片状颗粒含量高、0.075 mm以下粉尘含量高，但各项指标均满足规范要求。回收粗集料压碎值较高，在不掺配天然集料的情况下不可用于公路基层，但满足底基层压碎值要求。回收粗集料的磨耗损失稍高于天然集料，但能满足基层和底基层技术要求。此外，回收细集料各项物理力学性能与天然集料相差不大，品质较好，满足公路基层或底基层用细集料技术要求。

2 再生混合料配合比设计

试验研究发现，废旧路面混凝土回收集料的力学性能弱于天然集料，可通过一些强化措施提高回收集料的强度，但工程应用经济性不高。混合料的级配设计是影响混合料路用性能的主要因素之一，良好的级配设计可以减弱回收集料本身性能对混合料的影响，并能提高路面耐久性能。

2.1 回收集料级配组成设计

原路面废旧水泥混凝土经过一次破碎后，对31.5 mm筛上的超粒径集料进行二次破碎，分别对一次破碎和二次破碎后的回收集料进行筛分试验，得到其级配范围(见表4)，并与《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中水泥稳定材料的推荐级配进行对比，结果如图2所示。

表4 废旧水泥混凝土回收集料级配筛孔尺寸/mm通过百分率/%第一次破碎第二次破碎规范要求31.595.810090～10026.592.7100-1976.810067～909.555.687.545～684.7538.26529～502.3624.645.618～380.611.9248～220.0753.76.20～7

图2 原水泥混凝土路面回收集料级配

由图2可知：经过一次破碎后的旧混凝土回收集料在规范推荐级配的上限和下限范围内，并且与级配中线比较接近，说明一次破碎效果较好，得到的回收集料级配均匀，满足公路底基层用集料的分档要求。二次破碎是采用31.5 mm筛上的回收粗集料进行破碎，所得回收集料各筛孔的通过率均较大，级配曲线超过级配上限范围，粒径过小不满足底基层用集料使用要求。经过多次现场试验，在实际工程中选用一次破碎筛分后的集料。

2.2 回收集料水泥稳定材料配合比设计

本工程底基层材料的7 d无侧限抗压强度设计值为4.0 MPa，再生混合料中回收集料掺量为100%。依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)要求和以往工程经验，再生混合料的水泥用量取3%、4%、5%、6%、7%。对最小水泥剂量3%、中间水泥剂量5%和最大水泥剂量7%的再生混合料进行击实试验，每种剂量进行2组进行试验，其他两个剂量混合料的最佳含水率和最大干密度用内插法确定，击实试验得到的最佳含水率-最大干密度曲线见图3～5。

图3 3%水泥剂量下的最佳含水率-最大干密度曲线

图4 5%水泥剂量下的最佳含水率-最大干密度曲线

图5 7%水泥剂量下的最佳含水率-最大干密度曲线

根据以上击实试验的结果，采用内插法确定水泥剂量为4%、6%的水泥稳定回收集料混合料的最佳含水率和最大干密度。为将再生混合料的性能与普通水泥稳定碎石进行对比，进行了水泥剂量为4%、5%和6%的水泥稳定碎石混合料的击实试验，2种混合料的击实试验结果见表5。

表5 击实试验确定的最佳含水量-最大干密度混合料类型水泥剂量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%32.1607.342.2018.5水泥稳定回收集料52.2289.362.24910.272.26811.042.2234.7水泥稳定碎石52.2505.462.2925.8

按照上述确定的不同水泥剂量的最大干密度与最佳含水率以及97%的底基层施工压实度装料，采用静压成型制作无侧限抗压强度圆柱体试件，成型后的试件标准养护7 d后，进行无侧限抗压强度试验，试验结果如表6及图6所示。

表6 混合料7 d无侧限抗压强度混合料类型水泥剂量/%7 d无侧限抗压强度/MPa变异系数/%是否满足设计要求33.97.2否44.96.4是水泥稳定回收集料55.95.8是66.88.6是78.05.3是44.66.3是水泥稳定碎石55.77.2是66.75.6是

图6 不同集料类型7 d无侧限抗压强度比较

由表6可知，无论是水泥稳定回收集料，还是水泥稳定碎石，均是水泥剂量≥4%时混合料7 d无侧限抗压强度满足设计值要求。由图6可知，当水泥剂量为4%、5%、6%时，相同水泥剂量下的水泥稳定回收集料7 d无侧限抗压强度均稍高于不掺回收集料的普通水泥稳定碎石，分析其中原因可能是回收集料表面粗糙度较高，集料之间、水泥和集料间的摩阻力较大，并且回收集料中含有未完全水化的水泥，进一步提高了回收集料与水泥之间的黏聚力，因此提高了混合料的整体强度[19]。同时考虑工程经济性，实际施工中再生混合料的水泥剂量控制在4%～5%为宜。

3 施工质量控制

由于原路面废旧混凝土回收集料整体强度比天然集料低且吸水率高，为保证再生混合料质量，采取以下措施。

1)采用两次拌和工艺，在混合料生产前1 d将回收粗集料润湿，以保证再生混合料拌和均匀。

2)为防止混合料水分快速蒸发，运输时对混合料进行全覆盖，混合料到达现场后尽快摊铺。

3)为防止回收粗集料在碾压过程中被大量压碎，在施工过程中减少重型钢轮振动压路机的强振使用，加强重型轮胎压路机揉搓碾压。

表7为改建工程路段的压实度和含水率现场检测数据，各点压实度均高于97%，达到设计要求。图7为底基层养生7 d后现场取芯的芯样图片，可见芯样完整密实，工程效果良好。

表7 现场检测情况测点桩号含水率/(g·cm-3)压实度/%K0+1008.798.6K0+2008.998.7K0+3008.898.4K0+4008.698.3技术要求-≥98

图7 再生底基层芯样

4 再生回收利用经济效益

本项目高速公路改建工程路面工程3个合同段旧筑路材料回收数量见表8。

表8 废旧筑路材料回收数量位置厚度/m回收量/m3旧水泥稳定碎石基层0.2119 958.2旧水泥混凝土面板0.24133 536.9旧钢筋混凝土面板0.24124 859.5合计378 354.6

本项目3个合同段长度46 367 m，宽度12 m，回收得到的废旧筑路材料共计约37.8万m3，旧筑路材料全部用于再生结构层、垫层、调平层以及路床处治中，根据当年碎石参考价格，本项目用于再生结构层的废旧筑路材料共计节约材料费用1 900余万元，占路面结构层材料总费用的11%，具有较好的社会经济效益。

5 结论

1)与天然集料相比，回收集料表观密度较小、吸水率大、针片状颗粒含量高、0.075 mm以下粉尘含量高、磨耗损失较高，但各项指标均满足规范要求。回收粗集料压碎值较高，在不掺配天然集料的情况下可直接用于道路底基层。

2)一次破碎效果较好，回收集料满足公路底基层用集料的级配和分档要求，二次破碎后的集料级配曲线超过推荐级配上限范围；相同水泥剂量下的水泥稳定回收集料7 d无侧限抗压强度均高于不掺回收集料的普通水泥稳定碎石，同时考虑工程经济性，实际施工中再生混合料的水泥剂量控制在4%～5%为宜。

3)本项目旧水泥混凝土路面材料的再生利用起到了较好的经济和社会效益，节约材料费用11%，具有良好的经济、社会和环境效益。