水泥穩(wěn)定再生集料基層性能試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用*
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胡忠輝1，賈致榮2，張文剛2，袁中玉1，高 磊1
（1．山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049;2．山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049）
[摘要]為研究再生集料應(yīng)用于高等級道路基層的可行性，對比測試了天然集料與再生集料的各項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)行了再生水泥穩(wěn)定碎石路用性能試驗(yàn)研究，并鋪筑了蘇北地區(qū)某一級公路基層試驗(yàn)路。結(jié)果顯示：再生集料滿足路面基層材料的技術(shù)要求；水泥劑量4.5%、全再生集料水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求；再生水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)較大，工程中需注意早期養(yǎng)護(hù)；試驗(yàn)路通車3個月后調(diào)查，沒有發(fā)現(xiàn)明顯開裂。
[關(guān)鍵詞]公路工程；基層；再生集料；水泥穩(wěn)定碎石
[中圖分類號]U414. 26；U414 [文章編號]1002-8498(2016)07-0126-04
0 引言
水泥混凝土鋪裝的道路在公路與城市道路中都占有一定比例，約占中國公路總里程的39%。道路改擴(kuò)建工程產(chǎn)生的廢舊水泥混凝土路面板體量巨大，每年僅國省干線公路大中修產(chǎn)生的廢舊水泥路面材料就達(dá)3 000萬t，過去處理廢舊混凝土路面板的做法主要是郊外填埋和露天堆放，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)、土地占用和環(huán)境破壞。
我國道路結(jié)構(gòu)中絕大多數(shù)采用無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定的半剛性基層。楊俊等對再生集料性能的研究結(jié)果表明，再生集料各項(xiàng)主要指標(biāo)都達(dá)到了路面基層對材料性能的要求。劉陵慶研究結(jié)果表明，化學(xué)活化的方法可顯著降低再生集料的壓碎值和吸水率。張超等研究發(fā)現(xiàn)再生集料中的結(jié)合水會在高溫下散失，所以通過擊實(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水率應(yīng)根據(jù)再生集料高溫失水率進(jìn)行修正。扈惠敏等推薦用體積法進(jìn)行混合料級配設(shè)計(jì)，試驗(yàn)研究結(jié)果表明骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度對細(xì)集料的用量變化比較敏感。顧小安等研究指出，水泥穩(wěn)定再生集料的長期強(qiáng)度增長比水泥穩(wěn)定天然集料更明顯，且再生集料能柔化水泥穩(wěn)定混合料的剛性，可以改善半剛性基層抵抗變形的能力。國內(nèi)外開展了一些廢棄水泥混凝土回收循環(huán)利用的研究，側(cè)重于實(shí)驗(yàn)室研究，但在蘇北地區(qū)實(shí)際工程中的應(yīng)用研究案例還很少。
本文主要以蘇北地區(qū)某國道大修工程項(xiàng)目為依托，進(jìn)行廢棄水泥混凝土路面板再生集料物理指標(biāo)及水泥穩(wěn)定再生集料性能的研究并鋪筑基層試驗(yàn)路，以探討再生集料用于蘇北地區(qū)道路水泥穩(wěn)定基層和底基層的可行性。
1 原材料性能
1.1 水泥性能
試驗(yàn)用水泥采用中聯(lián)P.0 42.5緩凝水泥，其性能指標(biāo)檢測值及技術(shù)要求如表1所示，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足試驗(yàn)要求。
1.2再生集料性能
廢棄水泥混凝土路面板經(jīng)破除、二級破碎、篩分等工序產(chǎn)生出5種規(guī)格的再生粗集料，按粒徑從大到小分別為：26.5~31. 5mm（1號料），19~26.5 mm（2號料），9.5~19mm（3號料），4.75~9.5 mm（4號料）和0~4.75mm（5號料）。測試再生集料的主要性能指標(biāo)，并取相同粒徑的天然集料對照測試相應(yīng)指標(biāo)，粗集料技術(shù)性質(zhì)對比如表2所示，細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)對比如表3所示。
由表2和表3可知，再生集料的表觀密度低于天然集料，吸水率和壓碎值都明顯高于天然集料，這是由于再生集料附著的水泥石內(nèi)部及表面內(nèi)部有較多孔隙，并且廢棄水泥混凝土路面板經(jīng)過長期行車荷載作用及再生集料生產(chǎn)過程中碾壓撞擊作用，造成再生集料產(chǎn)生較多微小裂縫；再生粗集料的針片狀含量高于天然集料，這是由于廢棄水泥路面板是由原天然粗細(xì)集料和水泥膠黏在一起形成，內(nèi)部均一性不如天然石料，所以再生集料生產(chǎn)中形成較多針片狀集料顆粒；再生細(xì)集料砂當(dāng)量低于天然集料，這是現(xiàn)場破除水泥板及破碎廠破碎過程中有泥土摻人導(dǎo)致的；風(fēng)干的再生集料放在高溫下會有明顯的質(zhì)量損失，這是再生集料中的水泥石所含的大量結(jié)合水在高溫環(huán)境下散失造成的。
總的來說，雖然再生集料各項(xiàng)性能均不同程度低于天然集料，但仍能滿足公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范中的材料技術(shù)要求。
2 級配與配合比
2.1 再生集料級配
水泥穩(wěn)定粒料半剛性路面基層的集料級配分為骨架空隙型、骨架密實(shí)型和懸浮密實(shí)型3種，在其他條件（水泥劑量、養(yǎng)護(hù)條件等）相同的情況下，骨架密實(shí)型級配水泥穩(wěn)定粒料基層承載力和水穩(wěn)定性最高，并且溫縮系數(shù)和干縮系數(shù)較小。
再生集料各項(xiàng)性能均基本滿足路面基層材料的技術(shù)要求，故混合料集料擬全部采用再生集料，再生集料的篩分結(jié)果如表4所示。本試驗(yàn)采用骨架密實(shí)型級配，調(diào)整各檔再生集料的比例為1號料：2號料：3號料：4號料：5號料=5：32: 23:10: 30時合成級配在骨架密實(shí)型級配范圍內(nèi)，骨架密實(shí)型級配范圍及合成級配如表4、圖1所示。
2.2擊實(shí)試驗(yàn)
試驗(yàn)結(jié)果滿足C v≤15%的規(guī)范要求，且隨水泥劑量增大C v呈減小趨勢，說明隨著水泥用量的增加，水泥在混合料中分布越均勻，集料間黏結(jié)越牢固，試件受壓破壞時的最大壓力離散性越小。由圖2可知，水泥劑量與Rc0.95，近似呈線性相關(guān)關(guān)系；當(dāng)水泥劑量為4. 5%時，水泥穩(wěn)定再生集料Rc0.95達(dá)到3. 72MPa，滿足規(guī)范對各類交通荷載等級公路路面基層和底基層抗壓強(qiáng)度的要求。
2.4干縮與溫縮試驗(yàn)
4. 5%水泥劑量的水泥穩(wěn)定全再生集料干縮試驗(yàn)表明，平均于縮系數(shù)為122×10-6而全天然集料的水穩(wěn)碎石平均干縮系數(shù)為103×10-6說明需要更加注重再生集料基層的早期養(yǎng)護(hù)。
4. 5%水泥劑量的水泥穩(wěn)定全再生集料溫縮試驗(yàn)表明，在溫度區(qū)間- 20~ 600C范圍，平均溫縮系數(shù)為13. 54×10-6而全天然集料的水穩(wěn)碎石平均溫縮系數(shù)為12. 85×10-6說明全部再生集料溫縮系數(shù)與天然集料溫縮系數(shù)差異不大。
3試驗(yàn)路鋪筑
3.1 工程概況
蘇北地區(qū)某國道屬一級公路，是我國南北向的公路運(yùn)輸大通道，在國家公路網(wǎng)中有著重要的地位和作用。大修路段原為雙向4車道水泥混凝土路面，水泥混凝土路面板厚24cm，2009年在原水泥混凝土路面病害治理后直接加鋪水泥穩(wěn)定基層和瀝青面層，改造為雙向6車道瀝青混凝土路面。經(jīng)近5年的使用，路面出現(xiàn)了大量縱橫向裂縫、唧泥、車轍等病害。在該國道此次大修工程中，利用原路面水泥混凝土路面板生產(chǎn)再生集料，根據(jù)以上研究結(jié)果，鋪筑水泥穩(wěn)定再生集料基層試驗(yàn)路，檢測水泥穩(wěn)定再生集料在路面基層的工程應(yīng)用效果。
3)水泥劑量為4. 5%時，骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定再生集料7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值達(dá)到3.72MPa，滿足高等級公路基層和底基層抗壓強(qiáng)度的相關(guān)規(guī)范要求。
4)干縮試驗(yàn)表明，水泥穩(wěn)定再生集料基層的干縮系數(shù)大于水泥穩(wěn)定天然集料，所以工程施工過程中應(yīng)特別注意早期養(yǎng)護(hù)。
5)初步研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場取樣測試抗壓強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，全部集料為再生集料、水泥劑量為4. 5%的再生水泥穩(wěn)定碎石可用于蘇北地區(qū)高等級路面基層和底基層鋪筑。
