水泥路面再生利用技术与新型路面材料研究

作者:凌天清 李昌铸
　　摘 要
　　本文介绍水泥路面改造与再生利用中的混凝土面板破碎技术，以及旧混凝土再生骨料的应用研究，包括再生集料用于无机结合料稳定基层、再生集料混凝土等的试验研究，结果表面再生集料完全可取达到新集料的效果，而且具有特殊的强度增长规律。
　　关键词：旧水泥路面 破碎技术 再生利用 纤维沥青混凝土
　　目前我国已建成的公路中水泥混凝土路面约19万km，在已建成的高速公路路面中，水泥混凝土路面约7436km。随着我国部分早期修建的水泥混凝土路面和部分近期修建的但已出现不同程度的早期损坏的水泥混凝土路面，已达到需要翻修的程度，如何翻修的问题已日益成为公路部门必须面对和必须解决的技术问题。虽然我国有些省份在采用沥青加铺层技术改造水泥混凝土路面方面进行了许多有益的尝试和艰苦的技术探索，但不可否认的是水泥混凝土路面的反射裂缝问题一直是影响加铺层使用寿命与使用性能的最根本的原因。
　　1．水泥混凝土路面快速检测评价技术
　　水泥混凝土路面快速检测技术包括：水泥混凝土路面板安定性检测、路面破损状况检测、结构承载力检测、行驶质量检测、抗滑能力检测、交通状况检测等；研究建立水泥混凝土路面状况快速检测评价体系和相关的评价模型，建立水泥混凝土路面状况的判别标准。其中的技术难点在于水泥混凝土路面板安定性检测，主要是如何判定水泥混凝土路面板脱空状况。
　　判断水泥混凝土路面板地脱空的技术一直是世界性的难题。国内外取得了许多的研究成果，如采用贝克曼梁或FWD、路面雷达等探测水泥路面板底脱空程度等。
　　（1）路面雷达GPR的脱空诊断技术
　　GPR测速可以达到80km/h以上， 可用于路面与机场道面结构层厚度检测；脱空识别；地下异物识别，如钢筋，燃气管道，排水管道等；含水量、压实度评价等。如图1所示，其原理是通过对雷达反射信号的接收、处理与分析，可以找出路面脱空的可疑位置、程度、范围等。由于反射信号受各种噪声的影响较大，应重点研究判别的准确性。为此，采用FWD验证、人工开挖验证是必须的，有助于建立反射波形与实际脱空状况的对应关系，丰富和积累GPR的使用经验。
　　2）FWD的脱空诊断技术
　　对GPR发现的可疑脱空点，采用FWD脱空诊断技术，如图－2所示。采用AASHTO方法，检测板边同一点的三个荷载水平下的弯沉，并进行线性回归，若回归的直线经过坐标原点，则认为无脱空，否则认为有脱空。
　　2．水泥混凝土路面改造与破碎工艺
　　重庆交通学院和交通部公路科学研究所等单位研究认为，当混凝土路面断板率低于10%时，可采取打裂压稳技术直接加铺沥青混凝土罩面，对于断板率介于10～15%的水泥路面，在打裂压稳之后铺设防反射裂缝材料后加铺沥青混凝土罩面层；而对于断板率超过15%且有明显结构性破坏的水泥路面（或相邻板的位移(沉降差)大于4mm【美国AI的标准为3mm】就需要将板打碎处理），要求在对路基及基层有问题处进行局部处理后，将混凝土面板进行破碎压实作为基层，再加铺沥青混凝土罩面。
　　国内外现有的破碎工艺主要包括RoadMiner开路王系列破碎工艺、MHB型多头重锤破碎工艺、RMI共振型破碎工艺、冲击压稳工艺、门板式震裂压稳工艺、冲击镐凿碎压稳工艺等。我们在研究过程中，采用了MHB型多头重锤破碎工艺（如图-3）、门板式震裂压稳工艺(如图－4)、冲击镐凿碎压稳工艺等。同时，对典型路段进行使用效果评估。主要评价内容有：路面使用性能变化规律，反射裂缝率随时间的变化，防止反射裂缝措施的有效性等。项目研究在重庆、湖北、广东取得了良好的效果。
　　3．旧水泥路面改造与再生的路面结构设计及修筑工艺
　　(1) 水泥路面板再生的路面结构组合设计
　　针对打裂压稳铺筑沥青混合料加铺层的路面结构组合，可以采取“白+黑”和“白+白”加铺层的结构及修筑工艺，包括层间结合设计与材料应用等，其中防治反射裂缝是其关键问题。
　　对反射裂缝先后采用的防治措施有：增加沥青加铺层厚度、设置应力吸收薄膜夹层、加筋沥青层及其他具有良好路用性能的沥青混合料、设置隔离层以及处治旧路面板(封填裂缝、破碎稳定旧路面)等。我们对纤维沥青混合料的试验研究，发现纤维沥青混合料具有良好的低温抗裂性能和高温抗车辙性能（如图5），并拟在重庆城口和渝北进行现场试验研究。通过对沥青混合料的级配的改善，提高了沥青混合料的高温抗车辙性能，获得了抗车辙沥青混合料。还对改性沥青混凝土及SMA等优良沥青加铺层材料进行了研究。
　　碎石化后沥青罩面厚度采用AASHTO设计方法和设计程序。要求最小罩面厚度为15cm，且最好为密级配结构。国内沥青混合料加铺层的厚度一般为12～15cm（个别用到18cm－京沪高速泰化段），根据碎石化后路面表面弯沉测试结果，确定是否需要加铺基层。
　　水泥混凝土罩面层厚度可根据交通状况，按新建路面设计方法设计。
　　(2) 乳化沥青灌入再生料技术
　　水泥混凝土路面碎石化后，在铺设沥青面层之间，可采用乳化沥青灌入再生料技术，以增强碎石化基层与面层的粘结、并提高路面整体强度。该方法较为简单，可采用乳化沥青洒布设备进行施工，适用于采用MHB、冲击压稳等设备的碎石化破碎工艺。关键点是乳化沥青用量、灌入深度、洒布均匀程度等技术的控制与评价。一般做法是：
　　采用MHB破碎机把原水泥混凝土破碎一遍；
　　采用Z型压路机(20-25吨)将破碎后路面振动压实2-3遍；
　　用胶轮压路机震动压实3遍；
　　洒灌入改性乳化沥青,其用量为2.5-3.5 kg/m2；
　　洒热乳化沥青作防水粘接层,其用量为1.0kg/m2；
　　撒布一层粒径为3-5mm石屑,用16吨钢轮压路机碾压2遍；
　　封闭交通8-12h后，摊铺改性沥青混合料或者铺筑水泥混凝土。
　　4．水泥混凝土再生集料的应用
　　对于破损率大于20％、路基与基层具有明显病害的水泥混凝土路段，必须将路面进行翻修重建。翻挖产生的旧混凝土可经破碎成再生集料。再生集料的生产如图6。破碎后产生的集料可用作水泥混凝土路面的集料、或作路面基层或底基层的骨料。
　　1）无机结合料稳定再生集料基层或底基层
　　试验研究结果见表1和图7。从试验结果看，两种无机结合料稳定再生集料无侧限抗压强度高于天然集料主要有两方面的原因。一方面，再生集料表面裹附水泥浆体，经破碎后，其表面粗糙程度要大于天然集料，因而更容易与新结合料结合；另一方面，与天然集料相比，再生集料表面裹附水泥浆体与新结合料的材料性质接近，两种反应生成强度的亲和力更大。
　　两种无机结合料稳定再生集料的间接抗拉强度与天然集料基本持平，再生集料的优势不明显，这是由于无机结合料稳定集料材料本身的抗拉能力较低。稳定再生集料在弯拉模量、干缩性能和抗冻性能方面也明显优于稳定天然集料。
　　上述研究表明，再生集料完全能满足作贫混凝土基层和水泥和二灰稳定基层使用。
　　2）再生集料水泥混凝土
根据我们的研究表明（如表2与图8和图9所示），再生集料水泥混凝土能基本满足路面混凝土要求，并具有以下特点：
　　a.与新料试件相比，旧料试件早期强度值高，后期强度值低，强度值不能很好达到要求（按抗压强度为控制指标）。
　　b.与新料试件相比，旧料试件早期强度增长速度快，后期强度增长速度缓慢。
　　c.与新料试件相比，旧料试件强度值离散性较大，不及新料稳定。
　　d.与新料相比，旧料吸水率大，用水量增大，同水灰比、同水泥用量条件下，工作性略差。
　　e.对旧料试件而言，最佳的水灰比应介于0.43～0.45间。
　　f.同种集料相比，压碎值大的试件强度偏低。总的来说，压碎值对总体强度影响不大。
　　5．结语
　　以上只是我们研究的一些初步成果，尚不够成熟，不过为水泥路面改造与再生利用提供了思路。为了使其能在生产实际中进行推广应用，还有待大家共同努力。
　　凌天清，男，重庆交通学院教授、工学博士、享受政府特殊津贴,重庆市首届学术技术带头人，交通部新世纪“十百千人才工程”第一层次人选。
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