舊瀝青路面銑刨料在水穩材料中的應用

河南中原高速公路股份有限公司李鳴

舊瀝青路面銑刨料在水穩材料中的應用

河南中原高速公路股份有限公司李鳴

近幾年，隨著社會經濟的快速發展，交通量迅速增長，而且重荷載交通量所占比重也日益增大，原有道路已經不能滿足日益增長的交通量及荷載的需求。因而，大量的道路開始進行升級改造建設，然而在改造過程中隨之便產生了大量的舊路材料，如何將舊路材料變廢為寶而重新利用成為每個改造工程的重點，需根據項目的實際需要合理科學的利用。本文中，筆者依托京珠國道主干線鄭州至漯河段高速公路改擴建工程建設項目，通過大量的文獻調研，從舊瀝青路面材料本身特性、用于水泥穩定材料中的作用機理、再生水泥穩定材料路用性能分析以及經濟、社會和環境效益方面對舊瀝青路面銑刨材料作為骨料用于水泥穩定材料的可行性進行了分析論述，并進行了試驗驗證。

一、項目概述

京珠國道主干線鄭州至漯河段高速公路改擴建工程北起新鄭國際機場立交南側，終點位于漯河東南漯周界樞紐互通式立交南側，沿線經長葛、許昌、臨潁、郾城、漯河等市縣，路線全長119.638km。該高速公路原為雙向四車道，采用平原微丘區高速公路標準設計，實施全封閉、全立交通車管理方式。

自通車以來，鄭漯高速公路有力地帶動了沿線經濟的全方位發展。但伴隨經濟及交通的快速發展，原雙向四車道高速公路服務水平急劇下降，越來越不適應迅猛發展的經濟和交通量需要，并嚴重制約著周邊地區經濟的進一步快速發展，為了提高道路的通行能力，改善路面行駛狀況，適應日益增長的交通發展需要，該高速公路實施改擴建工程，由雙向四車道擴建為雙向八車道高速公路。

項目改擴建采取在原路兩側直接拼接加寬兩車道方案進行擴建，新加寬路面部分通過臺階方式與舊路進行搭接拼接，為保證加寬后行車道路面質量，需對舊路硬路肩部位進行全面銑刨，因此改擴建工程中產生大量的舊瀝青路面材料。由于舊瀝青路面材料是一種有機與無機材料的結合材料，若不能重新利用，棄置某地不僅占用大量的土地，而且造成嚴重的環境污染，這與目前所提倡的環保、低碳經濟等理念相違背，所以如何合理的、科學的重新利用舊瀝青路面材料成為項目中一重點工作內容。

二、舊瀝青路面銑刨料再利用途徑

經過多年的研究及應用實踐，目前，舊瀝青路面銑刨材料的再利用途徑主要有如下幾種。

1.舊瀝青路面銑刨材料獨自再生利用，多采用瀝青為添加劑再生為柔性基層，或者水泥為添加劑再生為水泥穩定底基層、基層。可分別采取熱再生或冷再生方式進行再生利用。

2.舊瀝青路面銑刨材料與基層銑刨材料混合再生利用，多采用乳化瀝青或泡沫瀝青再生為柔性基層，或者以水泥為添加劑再生為水泥穩定底基層、基層。可采取就地冷再生或廠拌冷再生方式進行再生利用。

3.舊瀝青路面銑刨材料與灰土銑刨材料混合再生利用，多采用水泥為添加劑再生為水泥穩定底基層。可采取就地冷再生或廠拌冷再生進行再生利用。

4.舊瀝青路面銑刨材料與基層、灰土銑刨材料混合再生利用，多采用水泥為添加劑再生為水泥穩定底基層、基層。可采取就地冷再生或廠拌冷再生方式進行再生利用。

鄭州至漯河高速公路改擴建項目舊路銑刨位置為新加寬部位，銑刨材料均運至拌和場分類進行堆放，考慮再生材料的質量可靠性及工程進度、工期的影響，以及再生投資的影響，最終確定將舊瀝青路面銑刨材料作為骨料用于水泥穩定基層中，但目前國內將舊瀝青路面銑刨材料作為骨料且部分摻入水泥穩定材料中的研究及實踐甚少，因此，在應用前需要做好充分的調研分析及試驗驗證工作。

三、舊瀝青路面銑刨材料特性

舊瀝青路面銑刨材料由于是含有瀝青、碎石及砂等材料的綜合材料，所以與新材料組成的路面結構層材料不同，具有如下特性。

1.路面瀝青混合料經過機械銑刨和人工破碎后主要是作為骨料被重新利用，是一種含有瀝青材料的具有一定級配的特殊骨料材料，與新材料性能有所不同。

2.大量的研究及試驗表明，舊瀝青路面銑刨材料中細料含量偏少，這主要是由于瀝青的黏附作用，細料被瀝青黏結及被大塊團粒裹覆造成的；而抽提瀝青后細料含量明顯增多，是因為在車輛荷載長期作用以及銑刨作用下，礦質集料發生破碎細化。

3.舊瀝青路面銑刨材料中瀝青材料在長期自然因素作用下，其中輕質油分減少，相對膠質及瀝青質增多，已經受過氧化作用，所以性能趨于穩定，再生利用后不會迅速變質，能夠保持穩定并起到骨料的作用。

四、舊瀝青路面銑刨材料在水穩材料中的作用機理

1.骨料作用機理。

（1）較大粒徑粒料與新碎石材料構成水穩材料所需的骨架結構，較細粒料逐級填充空隙，新舊粒料材料共同形成結構層提供主要強度的骨架結構。

（2）部分較細粒料起到與砂相同的粒料作用，即潤滑與填充密實作用，使得材料更加容易攤鋪及碾壓密實，從而形成具有嵌擠作用的、穩定的骨架密實結構型水泥穩定碎石結構層。

2.穩定劑作用機理。

（1）物理作用過程。混合料的拌和、攤鋪及壓實，以及水泥穩定材料在適宜的濕度和溫度作用下強度的增長過程。

（2）化學作用過程。水泥的水化及水解作用，有機物的聚合作用，以及與許多化學成分復雜的新生成物有關的化學反應過程。

（3）物理——化學作用過程。舊瀝青路面銑刨材料中微小顆粒與化學產物中個別組分的交換吸附作用，顆粒的凝聚作用以及之后多種結構生產的作用過程。

五、摻有舊瀝青混合料的水穩材料路用性能分析

1.強度及剛度分析。摻有舊瀝青路面銑刨材料的水泥穩定碎石材料是具有一定柔性材料性質的半剛性材料，因此它具有一定的柔性材料和剛性材料的優點，這是由它本身的材料構成所決定的。

國內外大量的工程實踐證明，對于舊瀝青路面銑刨材料與灰土或基層材料的混合料，無論采用二灰穩定再生，還是采用水泥穩定再生，再生材料的抗壓強度均能滿足規范及項目相應的要求，并且抗壓強度隨著舊瀝青路面銑刨材料比例的減少及基層材料比例的增大而增大，因此新水穩材料中摻入部分舊瀝青路面銑刨材料在合理級配及水泥用量條件下能夠滿足水泥穩定材料強度要求。

大量的試驗研究及實踐表明，影響水泥穩定材料的主要因素是碎石種類，而舊瀝青路面銑刨材料中的砂石材料只是在長期荷載作用下變碎、變細，并沒有本身性質的變化，因此摻有一定比例的舊瀝青路面銑刨材料對水泥穩定材料的剛度影響不大，并且在一定程度上能夠緩解水泥類材料剛度過大問題，其原因在于舊瀝青路面銑刨材料中裹覆礦料的瀝青的模量遠小于礦料本身模量，導致裹有瀝青的礦料的剛度小于礦料本身的剛度。

2.抗沖刷及抗冰凍性能分析。水泥穩定材料中部分舊瀝青路面銑刨材料的摻入，由于舊路材料中礦料表面瀝青的存在能夠阻滯水分的擴散及沖刷，所以一定程度上能夠增強水泥穩定材料抗沖刷能力。

水泥穩定材料的冰凍破壞主要是由于內部空隙水反復凍脹所導致。而摻有舊瀝青路面銑刨材料的水泥穩定材料，由于瀝青的存在使得水泥穩定混合料中孔隙減少，甚至部分成為封閉孔隙，加之水化產物的增加，混合料內部孔隙進一步減少，進而減少孔隙水的存在，降低了毛細水作用，并且瀝青材料的彈性能夠緩沖凍脹作用，因此混合料抗冰凍性能得以增強。

3.收縮特性分析。摻有舊瀝青路面銑刨材料的水泥穩定材料，由于瀝青膜的存在阻滯了水分的擴散，一定程度上減少了內部水分的蒸發，減小了毛細管作用、吸附作用、分子間力的作用、材料礦物晶體或凝膠體間層間水的作用以及碳化收縮作用，所以一定程度上能夠減緩水泥穩定材料的干縮。

由于水泥穩定材料中部分裹覆有瀝青膜的粒料的存在，溫度敏感性最大的瀝青夾層處于溫度敏感性較弱的水泥砂漿和粗集料之間，有利于發揮水泥砂漿和粗集料對瀝青溫度敏感性的抑制作用。所以，水泥穩定碎石材料溫縮性能得以改善。

4.疲勞性能分析。在重復荷載作用下材料發生疲勞破壞需要經歷裂紋萌生、擴展、連接、直至貫通斷裂的過程。研究表明，裂紋萌生、擴展階段對材料的疲勞性能有決定性影響。因此，當材料具有較強的阻滯裂紋萌生和擴展的能力時，也將具有良好的抗疲勞性能。

水泥穩定碎石材料中舊瀝青路面銑刨材料的存在，礦料表面所裹覆的瀝青膜一方面可以降低在粗骨料與水泥砂漿界面產生的應力集中，降低了界面的薄弱性及萌生裂紋的可能性，從而有利于提高水泥穩定材料的抗疲勞性能。另一方面，瀝青材料的高韌性和大變形能力，將阻滯裂紋穿過瀝青層進一步擴展，有利于提高疲勞壽命。

六、室內外試驗檢驗

經過調研分析，筆者認為將舊瀝青路面銑刨材料作為骨料用于水泥穩定碎石材料中在理論上是可行的，且摻入量控制適當條件下，不僅能夠滿足規范及項目對水泥穩定材料的基本要求，而且在一定程度上能夠提高水泥穩定材料某些方面的性能，但在實際應用中應做好級配設計及配合比設計，并通過試驗驗證水泥穩定材料的路用性能，確保實際應用中達到較好的質量目標。

根據舊瀝青路面銑刨材料數量及材料本身性質，考慮最終水泥穩定材料的均勻性、質量可靠性及項目對水泥穩定基層的具體要求，室內試驗在不同水泥用量、不同舊瀝青路面銑刨材料摻入量等條件下進行，經過科學的級配設計及配合比設計，通過土工擊實試驗、劈裂試驗等對其最大干密度、最佳含水量、抗壓強度等項目進行了試驗檢驗。

通過對試驗結果的分析，結合試驗過程中材料的狀況，最終選擇水泥劑量5%和舊瀝青路面銑刨材料摻量18%的一組設計，該組各項路面性能指標均滿足規范及項目具體要求，其抗壓強度甚至遠超過項目6%水泥劑量7天抗壓強度不小于4Mpa的要求。

根據室內試驗結果，按照室內試驗級配及配合比進行試驗路的鋪筑，通過鉆芯取樣進行試驗檢驗，結果表明，試驗路質量完全滿足規范、設計及項目具體要求。

因此，水泥劑量5%、舊瀝青路面銑刨材料摻量為18%的水泥穩定碎石材料完全能夠滿足項目要求，能夠保證基層功能的需求。

七、經濟社會環境效益分析

1.經濟效益分析。舊瀝青路面銑刨材料作為骨料用于水泥穩定基層材料中的經濟效益體現為：節約原材料，一定比例的舊瀝青路面材料的應用，相應的就節約了新材料的投入，同時減少了水泥用量，從而在原材料方面節約了投資。節約了設備投資，舊瀝青路面銑刨材料作為骨料應用，不需要再投入其他再生生產設備，水泥穩定碎石生產設備就可滿足生產需要。減少了舊瀝青路面材料的處理費用。其他由于堆放、處理舊瀝青路面材料租地費用及提升其他道路使用性能后所減少了運輸成本等等。

2.社會環境效益。舊瀝青路面銑刨材料的再利用除了具有一定的經濟效益外，還具有良好的社會效益。因為充分利用了舊瀝青路面銑刨材料，解決了大量廢料對環境的污染，減少了對材料的需求量，有助于自然資源的保護，降低料生產過程中所產生的環境污染等。而且改善了道路狀況，減少輪胎的磨損，降低運輸成本，減少可能發生的交通事故，保證行車舒適安全。