再生集料在公路養護工程水穩基層中的應用研究

王宏斌，隋一鳴，張登峰

(1.二連浩特市邊防公路養護中心，二連浩特 011100；2.錫林浩特市公路養護中心，錫林浩特 026000； 3.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

在公路養護大中修工程中，對舊路面基層的坑槽銑刨、大段落的損壞挖除以及斷板、網裂的舊混凝土面板拆除都會產生大量的道路廢棄料。這些廢棄料中可回收利用的部分占90%以上，如不充分利用而直接廢棄，既是資源的浪費，也會造成環境污染[1]。將這部分廢棄料集中堆放，經分揀處理，破碎加工成再生集料并應用于公路養護工程的水穩底基層、基層及防護工程，是一種有效的資源再利用措施，可以充分利用公路廢棄料，節約天然碎石集料、降低工程造價，保護自然環境[2]。

錫林郭勒盟某二級公路地處國家林業自然保護區內，養護里程約80.0 km，路面凈寬7.0 m，基層寬7.5 m，水泥混凝土過水路面寬7.5 m。設計文件確定需銑刨挖除重鋪基層段落40.0 km，舊水泥混凝土路面需破除段落約8.0 km，經測算銑刨挖除的水穩基層約6.0萬m3，破除的水泥混凝土路面約1.2萬m3。結合項目地材碎石運距遠、供應緊缺等實際情況，論文開展了再生集料在公路養護工程水穩基層中的應用研究。

1 原材料性能與試驗設計

1.1 再生集料性能

將銑刨、挖除的水穩混合料以及破碎、拆除的水泥混凝土面板運回，集中加工處理，采用顎式破碎+錘式反擊破+立軸式整形機+篩分分級的三級破碎一次篩分的生產工藝。生產的再生集料篩分成0～9.5 mm、9.5～19 mm、19～26.5 mm三種規格，根據試生產產量測算，各規格料分別占再生料總量的30%、50%和20%。經試驗室取樣，根據《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)[3]集料技術要求進行性能測試，再生料試驗結果見表1。

表1 再生集料性能試驗結果

從表1試驗結果可以看出，再生集料各項試驗結果均符合技術要求。但因再生集料顆粒表面紋理豐富，且大部分再生粗集料表面附著少量的水泥砂漿，導致再生集料吸水率高于普通碎石集料，而密度卻比碎石集料小。從再生集料的壓碎值和吸水率性能看，擊實試驗應適當增加預加含水率。0～9.5 mm再生料的<0.075 mm以下部分含有較多的水泥砂漿粉末，致使其塑性指數結果比碎石機制砂的塑性指數高，在實際施工過程中，應適當控制0～9.5 mm再生料的用量。

1.2 其他材料性能

1)碎石集料

為充分利用再生集料，項目根據水穩設計合成級配需要，外購了一批0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～31.5 mm安山巖碎石集料補充項目施工所需，外購碎石集料主要技術性能為：表觀相對密度2.726、壓碎值18.3%、塑性指數7.3，其他性能均滿足路面基層施工技術細則對集料的技術要求。

2)水泥

水泥采用錫林浩特32.5級粉煤灰緩凝水泥，初凝275 min，終凝380 min，安定性合格，3 d抗壓強度12.2 MPa，3 d抗折強度2.8 MPa，28 d抗壓強度37.6 MPa，28 d抗折強度6.5 MPa。其他指標均滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)[4]技術要求。

1.3 試驗設計

按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[5]試驗方法，進行碎石集料水穩混合料和再生集料水穩混合料配合比優化設計，并在4.0%、4.5%、5.0%三個水泥劑量下進行重擊實試驗以確定各級配的最大干密度和最佳含水量，再進行最佳含水量下的無側限抗壓強度、間接抗拉強度(劈裂)、抗壓回彈模量、干縮性能等深度試驗。

實施階段以項目式與問題解決形式為主，涵蓋STEAM教育中的技術(T)和工程(E)。該階段關注學習過程，學生要思考應用哪些設備以及技術做什么？輸出結果是什么？該階段，學生通過不斷探索與實際操作，將主題變為實實在在的作品，在探究、合作氛圍中培養問題解決能力、技術應用能力、抽象邏輯思維，實現學會學習、科學精神、實踐創新等素養融合發展。

2 配合比設計與混合料擊實試驗

2.1 配合比設計

采用計算機計算擬合的方式進行新料的水穩基層配合比優化設計，然后進行再生料與新料的擬合試配試驗，合成曲線確定了三種再生料中只需與0～4.75 mm機制砂、19～31.5 mm碎石兩檔新料試配即可滿足級配要求。根據計算機合成結果，擬定再生料用量分別占礦料總量的55%、65%和75%三種，新料水穩基層設計及再生料水穩基層配合比設計分別見表2、表3。其中，新料配合比A為19～31.5碎石∶9.5～19碎石∶9.5～19碎石∶4.75～9.5碎石∶0～4.75機制砂=18%∶30%∶16%∶36%，再生料配合比Ⅰ(再生料用量55%)為：19～31.5新碎石∶19～26.5再生料∶9.5～19再生料∶0～9.5再生料∶0～4.75機制砂=15%∶5%∶35%∶15%∶30%，配比Ⅱ(再生料用量65%)為：19～31.5新碎石∶19～26.5再生料∶9.5～19再生料∶0～9.5再生料∶0～4.75機制砂=10%∶10%∶35%∶20%∶25%，配比Ⅲ(再生料用量75%)為：19～31.5新碎石∶19～26.5再生料∶9.5～19再生料∶0～9.5再生料∶0～4.75機制砂=5%∶15%∶35%∶25%∶20%。

表2 新料水穩基層合成通過率

表3 再生料水穩基層合成通過率

2.2 試驗結果與分析

根據表2、表3所列的四種級配試算結果，分別進行4.0%、4.5%、5.0%三個水泥劑量下的重擊實試驗，以確定每個級配不同水泥劑量條件下最大干密度和最佳含水量。再根據干密度和含水量試驗結果，成型無側限抗壓強度、間接抗拉強度、抗壓回彈模量、干縮試驗的標準試件并按規程要求進行養生，到期后進行性能測試。

2.2.1 重擊實及抗壓強度試驗結果

根據表2、表3所列的四種級配，分別進行4.0%、4.5%、5.0%三個水泥劑量下的重擊實試驗，并根據試驗結果成型無側限抗壓強度試件，養生到期后進行7 d無側限抗壓強度試驗，具體試驗結果見表4。

表4 擊實試驗及抗壓強度試驗結果

從表4試驗結果可以看出：相同水泥劑量下，新集料基層混合料最大干密度均大于摻再生料的混合料最大干密度，而最佳含水量要小于摻再生料的基層混合料。對于摻再生料的基層配比，隨著再生料的用量增加，其擊實干密度呈逐漸遞減趨勢，而最佳含水量則隨著再生料用量的增加而增大。7 d無側限抗壓強度試驗結果表明，在相同水泥劑量的條件下，隨著再生料用量的增加，其強度逐漸減小。但是，當水泥劑量不低于4.5%時，即便是再生料用量達到75%，其7 d無側限抗壓強度仍滿足設計文件要求基層強度不小于3.5 MPa的要求。

2.2.2 間接抗拉強度、抗壓回彈模量試驗結果

結合表4試驗結果，分別對水泥劑量4.5%和5.0%工況條件下的水穩配合比進行90 d間接抗拉強度試驗、90 d抗壓回彈模量試驗，結果見表5。

表5 間接抗拉強度、抗壓回彈模量試驗結果

2.2.3 干縮試驗結果

在間接彎拉強度和回彈模量試驗基礎上，進一步對水穩混合料的干縮性能進行測試。干縮性能主要影響因素有三個:1)再生料用量，2)水泥劑量，3)含水量。分別測試四個級配5.0%水泥劑量條件下干縮應變、失水率隨養生齡期的變化規律，試驗結果如圖1～圖3所示。

從圖1可以看出，5%水泥劑量條件下，干縮應變在養生期的前18 d發展最為顯著，18～28 d期間開始變化緩慢，28 d以后逐漸趨于穩定。試驗測得碎石集料水穩混合料的干縮應變為362×10-6，55%再生料水穩混合料干縮應變為630×10-6，65%再生料水穩混合料的干縮應變為682×10-6，75%再生料水穩混合料的干縮應變為726×10-6。從圖2可以看出，失水率變化在養生期前8 d變化最顯著，8～12 d逐漸變緩，12 d以后水分散失趨于完成。試驗測得碎石集料水穩混合料的失水率為3.1%，55%再生料水穩混合料失水率為4.0%，65%再生料水穩混合料的失水率為4.25%，75%再生料水穩混合料的失水率為4.45%。從圖3可以看出，干縮系數與失水率的變化趨勢總體上呈同方向發展，當失水率的變化隨著養生齡期的增長趨于穩定時，干縮系數的變化量也達到穩定，但摻再生料的混合料達到干縮穩定的時間要比碎石集料混合料長4～6 d，因此，實際施工過程中，使用再生料用量超過50%以上的水穩混合料，其養生期要比普通碎石水穩混合料延長4～6 d。試驗測得5%水泥劑量工況下，碎石集料水穩料干縮系數為116.77×10-6，摻55%再生料混合料干縮系數為157.5×10-6，摻65%再生料混合料干縮系數為160.47×10-6，摻75%再生料混合料干縮系數為163.14×10-6。

干縮應變、失水率、干縮系數試驗結果表明，碎石集料水穩混合料試件的各試驗結果在12～14 d后增長趨勢減緩，摻再生料的水穩試件的各試驗結果在8～10 d后增長趨勢變緩。這說明，由于再生骨料吸水率較大，配制的水泥穩定碎石混合料失水率大，且失水時間短，應充分重視再生料水穩混合料的早期養生工作，且養護時間宜延長至14～18 d，并保持表面的充分濕潤。應在基層施工期間采用一布一膜防水土工布覆蓋并灑水養生。養生到期后，應及時開展透層或上層混合料的鋪筑，避免基層長期暴露于外界環境中發生干縮裂縫[7]。

3 再生集料水穩基層在項目應用情況

錫林郭勒盟某二級公路養護工程，采用碎石集料水穩基層和再生集料水穩基層分標段施工，水穩混合料設計水泥劑量5%。采用山東貝特WDT-700型水穩拌合站，雙拌缸串聯方式二級拌和工藝生產混合料。通過試拌和試驗，確定再生集料水穩混合料生產含水量在目標含水量基礎上增加1%，拌和效果良好。攤鋪采用一臺ABG8620B型履帶攤鋪機全幅攤鋪，攤鋪外觀均勻無離析，松鋪系數1.3。壓實設備采用1臺12 t寶馬格雙鋼輪振動壓路機初壓和終壓收光，復壓采用2臺22 t三一單鋼輪振動壓路機，配1臺30 t徐工301輪胎式壓路機。

壓實工藝根據試驗段效果最終確定為：初壓，雙鋼輪靜壓1遍。復壓，兩臺單鋼輪壓路機分別強振壓實2遍，弱振壓實2遍，輪胎壓路機搓揉壓實2遍。終壓，雙鋼輪靜壓2遍收光并消除輪跡。從水穩鋪筑情況看，水泥穩定再生骨料混合料可完全采用與普通水泥穩定碎石混合料相同的施工機械和施工工藝。

碾壓結束，即開展外觀、壓實度、平整度檢測，對施工中出現的施工缺陷如輪跡、擁包等及時進行修補復壓處理。從施工效果看，再生料基層施工面平整、均勻、表面致密，漿體飽滿，缺陷少，符合設計與規范要求。養生到期后現場取芯，芯樣完整性良好，外觀觀測結果表明：三個摻入再生骨料的水穩碎石基層段落與純碎石水穩基層外觀無明顯變化，且用再生料的基層表面更致密，漿體更加飽滿。芯樣密實度較好，無裂紋、孔洞、破損、斷縫現象。這也說明大摻量再生骨料用于公路養護工程水泥穩定基層是可行的。

4 結 論

a.與碎石集料相比，部分再生集料表面裹覆有少量砂漿成分，導致再生集料密度變小、吸水率高、壓碎值增大，但其理化性能仍滿足相關規范技術要求。

b.水穩混合料中摻入不同比例再生集料，其干密度下降、含水率增加。相同水泥劑量條件下，再生料水穩混合料無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量等性能與碎石集料水穩混合料性能相比有所降低，但其力學性能仍滿足規范及設計文件技術要求。

c.水穩混合料中摻入不同比例再生集料，其干縮性增加，表現為失水率和干縮系數增大，施工期間應做好覆膜保水養生，養生期較碎石穩定基層延長4～6 d。

d.再生集料水穩混合料施工設備與施工工藝與普通水穩碎石基本相同。再生集料的應用過程中，為降低膠結料水化放熱和干縮效應，宜采用低標號緩凝水泥，底基層水泥劑量宜在4%～4.5%之間，基層水泥劑量宜在4.5%～5.0%之間，再生集料的用量宜控制在礦料總量的55%～65%之間，不應片面追求高摻量，宜全面考慮抗裂性、耐久性等路用性能后綜合確定。