水泥混凝土再生集料在路面基层中的应用研究
水泥混凝土再生集料在路面基层中的应用研究
摘要：通过对S340丹阳皇塘段路面改造工程实例中老路水泥混凝土板块破碎，生产再生集料应用于水泥稳定碎石基层的研究，达到工程经济、环保的效果。
关键词：水泥混凝土，再生集料，路面基层，应用研究
一、课题研究的背景和意义
水泥混凝土路面具有强度高、刚度大、扩散荷载能力强和稳定性好的特点，与沥青混凝土路面相比，施工简单、取材方便，性能价格比好。因此水泥混凝土路面在我国的干线公路、部分高等级公路，特别是地方道路得到了广泛的应用。随着水泥混凝土路面修筑技术的推广与应用，水泥混凝土路面里程的不断延长，路面的养护管理工作也日益繁重。一方面早期修建的水泥混凝土路面大多已接近使用年限，随着累计交通量增加、环境因素的影响,水泥路面将会出现破碎、下沉、错台、板角断裂等病害,并且随着使用年限的递增,破损面积将逐年成上升趋势。另一方面部分近期修建的水泥混凝土路面，由于超限运输、设计、施工及保养等诸多原因，出现了不同程度的早期破损坏。为保证道路的安全畅通，破损的路面需要翻修。
对水泥混凝土路面的翻修，现有的一般做法是挖除并废弃旧的水泥混凝土面层，修补基层后，铺筑新的路面结构。破除的旧混凝土作为废料被丢弃，这就引发了许多问题：一是废料丢弃的污染问题。旧水泥板作为废料丢弃，产生大量的建筑垃圾，由于混凝土材料属于无机材料、
耐久性较好，这种垃圾不会像有机物一样自然分解，因此这种污染将是永久性的。二是能源的浪费。新建道路所需集料的开采，一般是挖除山体表层风化的岩石，通过爆破和机械破碎把原状岩石加工成集料。这样导致大面积的山体被挖，大面积植被被破坏，造成资源的浪费和环境破坏。三是废弃物堆放。废弃物堆放必然涉及占地的问题，在我国土地资源紧缺的今天，将产生永久资源的浪费。四是废料处理和新料的采集带来巨大的经济浪费。随着环境保护要求标准的提高，特别是城市处理这些废料成了十分棘手、而又耗费资金的问题。有限的资源的开采成本以及资源的浪费，导致总体经济效益和社会效益下降。
总之，传统的水泥混凝土道路改建、修复方式导致社会效益和经济效益下降以及社会资源的浪费，需要新的技术进行整体改进。在采用修复技术来延长现有路面的使用寿命并不经济时，回收水泥混凝土路面就将成为一种可供选择的方案。由于我国各方面资源相对比较紧缺，环境保护的任务很重，因此，旧水泥混凝土的再生利用在我国更具有紧迫性和必要性。使现有已损坏的水泥混凝土路面得到快速有效的改造，并在进行技术处理后能保持其合理的结构形式，满足使用功能要求并达到设计使用寿命，使现有公路网保持良好的营运质量和服务水平，取得良好的社会经济综合效益，这是公路管理部门亟待解决的重要课题，也是影响公路事业健康发展的关键问题之一。本课题旨在通过对S340丹阳皇塘段路面改造工程旧水泥混凝土路面再生集料在半刚性基层中的应用研究，总结出各阶段切实可行的工艺方法，从而解决旧水泥板再生以及再生集料的应用，减少旧水泥板废弃产生的污染问题，节省工程造价。
这是建设资源节约型、环境友好型社会的要求。
二、课题研究过程与方法概述
本课题结合S340丹阳皇塘段路面改造工程实例,通过对旧水泥混凝土路面的破碎筛分；再生集料的物理、力学性质试验；作为水泥稳定下基层的配合比设计；铺筑及路用性能的检验等，形成一整套旧水泥混凝土路面再生集料在半刚性基层中的应用研究报告，为后续公路工程改造的旧水泥混凝土路面再生利用提供技术支撑。
S340丹阳皇塘段路面改造工程全长8.4km，全部为水泥混凝土路面，随着地方经济的发展，已无法满足正常的通行需要，必须进行全面的路面改造。改造方案为老水泥混凝土路面全部破除，改造成沥青混凝土路面。考虑到大量的旧水泥板废除引起的环境污染和浪费，我们结合工程建设进行了水泥混凝土再生集料在路面基层中的应用研究。
本课题采用室内试验与室外工艺研究相结合的方法。即旧水泥板的凿除、再生集料的加工及采用再生集料进行的水泥稳定碎石的拌和、摊铺及碾压工艺为室外工艺研究；再生集料的技术指标、级配组成及混合料配合比设计为室内试验。
三、课题研究的基本内容
1、旧水泥混凝土板现场凿除及清运
对旧水泥混泥土板破碎的工艺、大小、清运的方法进行研究，寻求最科学合理的工艺，最大限度是满足集中破碎的需要。
对旧水泥混泥土路面的破除采用凿岩机现场就地破除，挖掘机配合自卸汽车运至石料加工场。考虑到正常的施工和车辆的通行，结合施工
进度计划的安排，分段半幅进行破碎。将满足质量要求的碎块用挖掘机配合自卸汽车运至指定地点。同正常的旧水泥板废弃的凿除不同，要求粒径不超过30cm，并剔除碎块中污染物。
将破除后的旧水泥板采用挖掘机配合自卸汽车，集中运至附近的轧石场，或施工单位的水泥稳定碎石拌和场，租用轧石机现场安装就地生产。
本阶段主要注意：
⑴交通的管制。凿岩机、挖掘机、运输车辆同时上路，要分段凿除、运输。
⑵凿岩机破碎粒径控制。与旧水泥板弃运相比粒径要尽量小。弃运只要求便于挖掘机配合自卸汽车装运即可，而旧水泥板在轧制加工时，设备的功率不同，要求破碎的粒径要求也不一样，对于一般功率的轧制设备，粒径一般控制在30cm左右。因为，粒径过大，轧石机喂料口会产生堵、卡的现象，影响破碎的质量和进度。
⑶污染物的剔除。粘附的二灰碎石基层材料以及施工过程中产生的污染物，对破碎形成的集料的质量产生影响，在装运的过程中应剔除。
⑷加工场地的硬化与隔舱。如果委托就近的集料加工场不存在此问题。若自行安装设备集中加工，对旧水泥板块的堆放场地、加工出的集料存放场地及各种集料的隔舱等要严格按照禁污染、无积水、不串仓的原则对场地进行硬化和隔舱。
2、破碎后的旧水泥板的集中加工及集料性能试验
根据破碎后的旧水泥板的特点及再生集料的用途，选择轧石设备的
类型、型号及工艺，集中破碎、分级筛分，板块破碎采用的机械主要有750型碎石机、振动给料机、直线振动筛。
碎石机工作原理：工作时，电动机通过皮带轮带动偏心轴旋转，使动颚周期地靠近、离开定颚破，从而对物料有挤压、搓、碾等多重破碎，使物料由大变小，逐渐下落，直至从排料口排出。
直线振动筛(直线筛)工作原理：ZSG系列振动筛工作时，两电机同步反向旋转使激振器产生反向激振力，迫使筛体带动筛网做纵向运动，使其上的物料受激振力而周期性向前抛出一个射程，从而完成物料筛分作业。
用砼板块经破碎机两次破碎后，经振动给料机进入筛分斗，筛分斗从上至下分为三层。筛孔依次为：31.5mm、9.5mm和4.75mm。碎石后的石料经筛分后，分别进入1#、2#、4#料斗仓内。生产的自然比例大概为1#：2#：4#＝48：25：27；与新开采集料相比（新开采的各种集料的级配一般为1#：2#：3#：4#＝45：22：8：25），4#级配范围在0.075mm～4.75mm，与新开采集料中3#、4#料相当，可以通过外购3#料来补充掺配，满足再生集料的出料比例与水泥稳定集料生产比例相协调，达到提高再生集料的加工速度。
经过室内试验，各项指标均满足水泥稳定基层用集料要求，与新开采的水稳碎石用集料相比，各项技术指标相当，具体对照表详见表1。
再生集料与新开采的集料各项技术指标对照表表1
本阶段主要注意：
⑴对于大量的水泥板，宜自行安装设备（最好为移动式轧石机）进
行加工。对于小量的水泥板宜采用委托就近采石场加工，减少加工场地的征用以及设备搬运、安装费用，降低成本。
⑵液限和塑性指数与污染物的多少有关，必须严格控制，在加工的过程中要随时剔除污染物。
⑶自行加工对场地要求较高，否则浪费很大。
3、集料级配组成、混合料配合比设计及施工
采用再生集料进行集料级配组成及水泥稳定碎石混合料配合比设计，用满足规范要求的半刚性基层原材料、混合料，作为下基层混合料进行施工。
根据旧水泥板再生集料的室内筛分结果，按照级配组成设计的方法进行室内水泥稳定碎石配合比设计，找寻满足混合料物理力学性能的混合料配合比。通过试验，经室内试配级配组成为：1#料（9.5～31.5mm）：2#料（4.75～9.5mm）：4#料（0～4.75mm）＝20：40：40，与再生集料的自然比例相比，1号料用量偏少、2号料用量偏多。混合料的合成级配详见表2。
实际采用的水泥剂量为4.0%，其最大干密度2.04g/cm3、最佳含水量10.0%，7天无侧限抗压强度4.4Mpa。各项指标均满足现行规范要求，与先开采集料配制的混合料相比，各项技术指标相当，具体对照表详见表3。
再生集料与新开采的集料级配组成设计对照表表2
再生集料与新开采的集料水泥稳定碎石混合料配合比设计成果对照表表3
本阶段主要注意：
⑴从最佳含水量看，再生集料吸水性较大，因此，施工要求的含水量较高。
⑵再生集料级配组成设计较为容易，合成级配更容易达到规范中值。
⑶同样水泥剂量，再生集料的强度略高。
4、成型下基层的各项技术指标的检验和路用性能观察
现场铺筑路段为K3+000～K3+300右下基层。采用旧水泥板再生集料的半刚性基层的现场试拌铺筑工艺与新生集料配制的水泥稳定碎石混合料相同。
从现场施工情况看，混合料质量均匀、成型路段取芯芯样完整、光洁，各项检测指标均满足规范要求。现场施工水泥稳定碎石混合料（再生集料与新开采集料）筛分结果(详见表4)、现场检测结果对照表（详见表5）。
现场施工水泥稳定碎石混合料筛分结果对照表表4
水泥稳定碎石混合料现场检测结果结果对照表表5
本阶段主要注意：
⑴施工工艺基本相同。
⑵再生集料取芯芯样看，因再生集料中部分1料是由碎石和水泥浆组成，芯样中碎石粒径较小。
⑶达到同样强度的水泥稳定碎石，再生集料需要的水泥用量小。
四、课题研究成果的特色与创新
旧水泥混凝土再生集料在半刚性基层中的应用技术尚无成熟的理论和经验，由于我国旧水泥混凝土路面改造的废弃物污染是最严重的污染源之一，因此该项目的研究对水泥混凝土路面的维修改造中废物利用具有极大的指导意义和应用价值；尤其是水泥混凝土路面大、中修时，通过对旧水泥混凝土路面再生集料的有效利用，以减少环境污染，节省工程造价。
本项目的特色与创新
1、通过研究旧水泥混凝土路面再生集料在半刚性基层中的应用，确定切实可行的工艺及施工参数，以指导具体施工，填补水泥混凝土再生集料在半刚性基层中的应用技术的空白。
2、应用质量得到了有效保证。从混凝土板的破碎、再生集料的物理力学性能的试验到路用性能指标的分析，评价再生集料在半刚性基层中的应用效果的有效性。通过室内试验与现场实际相结合，取得了旧水泥板再生集料在水泥稳定碎石基层中应用研究的有效途径和方法，现场可操作性得到验证，再生的集料、混合料等各项技术指标均满足规范要求，铺筑效果满足道路的使用性能，推广应用可行。
3、废弃物得到了有效的利用，节省造价，具有明显的经济效益。按就近委托采石场加工（量少的情况下）与自行安装设备自行加工（量大的情况下）两种方式。①弃运及场地的征用的费用计算（按1m3计）：弃运费（按10km每m3.km1.8元）计18元/m3，场地租用费10元/m3，购进新集料60元/m3，总计18+10+60＝88元/m3。②再生利用。A、就
近委托加工。运输费（按来回25km计1.8元/km）45元/m3、轧石10元/m3，按加工有效利用率80%，总计（45+10）/0.8＝69元/m3，相比弃运节省造价（88-69）/69＝28%。B、自行安装设备加工。设备租用、进出场及轧制费20元/m3，场地租用费10元/m3，运输费（按10km每m3.km1.8元）计18元/m3，按加工有效利用率80%，总计（20+10+18）/0.8＝60元/m3，相比弃运节省造价（88-60）/60＝47%。
4、减少对环境的影响，具有明显的社会效益。大量的混凝土废弃物的丢弃得到了全面解决，永久性的环境污染消除，从长远看，彻底改善了环境的污染，同时节省了治理环境污染的费用，减少了山体的开采，社会效益显著。
5、便于实践应用。由于本课题从旧水泥板的凿除、挖运、集料的再生到再生集料、混合料的级配组成、配合比等室内试验以及现场的试铺等一系列的研究，总结出一套满足质量要求、切实可行的方法。加工方法、生产工艺及现场施工的设备和工艺的成熟性，决定了该课题的便于推广。
五、结语
本课题旨在借鉴国内外研究成果基础上，通过对旧水泥混凝土路面的破碎工艺、再生集料的物理力学性质、水泥稳定碎石室内配合比设计试验以及工程现场实际铺筑的效果进行研究，减少旧水泥混凝土路面上维修和改造造成的资源浪费和环境污染，最大限度的加以利用。水泥混凝土再生集料在半刚性基层中的应用是今后的水泥混凝土路面改扩建工程中须待解决的关键技术之一，其研究成果对今后的工程的维修改造
具有指导作用和应用价值，因此具有广泛的社会效益和经济效益。