水泥路面再生技术研究综述

guoxiongxin 2022-03-09

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来源：沥青路面

摘要

随着混凝土废弃物的增加和环境保护意识的增强，旧水泥路面再生利用成为近年来路面工程领域的一个研究热点。本文对水泥路面再生技术的研究现状进行综述，从旧水泥路面的碎石化技术出发，介绍了碎石化技术的发展历程及目前的进展;总结了碎石化后再生集料在半刚性基层建设中的应用及存在问题;并分析了室内对再生水泥混凝土工作性能以及力学性能的研究现状。最后，针对目前存在的主要问题，提出了进一步的研究建议。

关键词

旧水泥路面碎石化 | 再生集料 | 再生半刚性基层 | 再生水泥混凝土

水泥混凝土路面作为主要的路面结构形式，被广泛的应用于重载车辆较多的港口、隧道及桥梁铺装中。随着近年来超载现象的加重，早期建造的水泥混凝土路面面板出现大面积破损，亟待修补或重建。目前，每年由于旧水泥路面大修、改建养护管理投稿交流合作加微信627361748等产生的废旧水泥混凝土碎石超过千万吨，但废旧水泥路面板的再生利用效率较低。将废旧水泥混凝土面板用于新路面基层或面层的建设中，既能减少新集料的开采，节约自然资源、减少环境污染，又能消除由于废旧集料堆积造成的环境破坏和耕地占用，具有显著的经济和社会效益。

目前，水泥混凝土碎石主要作为再生骨料用于路面水泥稳定基层、底基层建设。然而，破碎水泥混凝土碎石对新拌混凝土的工作性能、强度特性、吸水性以及磨耗性能的影响，导致旧水泥混凝土碎石的使用和添加对再生基层或面层的疲劳性能和耐久性与新拌水泥混凝土具有明显的区别。研究水泥混凝土路面处置方法以及再生集料对路面基层或面层性能的影响规律，对增加水泥碎石再生利用率，防止路面病害、延长路面使用寿命具有积极的作用。因此，道路从业人员从以下几方面入手，对旧水泥混凝土路面的再生利用进行了深入的研究。

旧水泥路面碎石化技术

美国密苏里州在路面养护手册中，将旧水泥路面碎石化定义为:一种将旧水泥混凝土路面离散化的处置工艺。这种离散化处置方法将旧水泥混凝土面板破碎为直径在7~30cm之间的棱角性明显的颗粒。由于破碎过程和工艺不会扰动颗粒间的嵌挤结构，因此，旧水泥路面碎石化层的强度远大于普通的碎石基层，其刚度约为后者的三倍以上。养护技术手册中，建议旧水泥路面碎石化后的加铺层既可以是沥青混合料面层也可以是新建水泥混凝土面层。美国在对旧水泥混凝土路面破碎层以及加铺层使用性能及耐久性进行了大量深入的研究和观测后认为，破碎颗粒的粒径是影响加铺层反射裂缝产生和发展的主要因素。当破碎颗粒的粒径小于15cm时，破碎层表面平整，加铺层的耐久性更好。同时，破碎层加州承载比也是影响新建路面使用性能的主要因素，长期的高性能路面服役水平要求加州承载比大于5。在美国，旧水泥路面碎石化处理被公认为是最终的有效的处置手段。

在我国，部分早期铺筑的水泥路面发生了大面积的破损。对这些发生了严重病害的水泥路面主要采取破碎板移除、压浆固定和碎石化三种处置方法。

碎石化作为对旧水泥路面最彻底的处置手段，在104、205和321国道旧水泥路面的处置中得到了推广和应用。处理后的破碎层作为水泥稳定碎石基层或者底基层使用，再在其上加铺沥青或水泥混凝土面层。大量采用了旧水泥路面碎石层的路段使用性能良好，只有部分出现纵、横向裂缝。

针对影响破碎效果的主要因素，欧国林等对多锤头破碎、共振破碎、打裂压稳和冲击压实等多种破碎技术进行对比分析，认为多锤头破碎在病害处置程度、材料再生利用、工程造价、施工进度以及适用性等方面均具有明显的优势。

旧水泥混凝土路面碎石化究其原理是一个能量转化的过程，重锤在自由落体后将自身的动能和势能转化为水泥路面上与重锤接触点的势能和动能，路面在冲击荷载作用下破碎，将原本完整的水泥混凝土板块破碎成具有一定尺寸的混凝土颗粒。由于水泥混凝土路面接受冲击荷载作用吸收其动能和势能时，满足由近到远能量递减的原则，因此，碎石化层中混凝土的颗粒粒径延深度方向逐渐增大。整体上，根据颗粒粒径及强度特性，可将碎石化层分为松散层、碎石化层上部和碎石化层下部三个层次。其中最上部是一层松散层是碎石化层中强度最小的薄弱环节，在正常破碎的情况下，松散层由极薄的一层集料颗粒组成，尽管单独的松散层集料颗粒棱角性良好，但集料颗粒之间没有嵌挤作用，且集料中扁平颗粒含量多，因此将其作为单独的结构层，则其强度无法满足路用性能的要求。碎石化层上部厚度约为10cm左右，主要由破碎混凝土颗粒间的嵌挤形成强度。混凝土板块破碎后体积膨胀，碎石之间存在预压应力。碎石化层下部是一层厚度约为10cm，粒径小于37cm的混凝土块组成。养护管理投稿交流合作加微信627361748虽然由于裂缝的存在，碎石化层下部无法像完整的混凝土板块一样传递和扩散荷载。但较大的混凝土块体间的不平整的接触面的存在，形成了块体间的竖向抗剪强度。而这种竖向抗剪强度作用力，比普通的嵌挤作用更大，具有更高的强度和更好的结构稳定性。

王静、张洪亮等认为，当需要加铺沥青或者水泥混凝土路面面层时，就需要对破碎层采取进一步的压实处理。压实的主要作用是将表面的扁平颗粒进一步破碎，同时稳固下层块料，为新建沥青面层提供一个平整的表面，为避免压实过度而将碎石化层压入基层，压实操作应在干燥条件下进行。为了充分压实和形成嵌挤结构，旧水泥混凝土路面的压实一般需分别采用Z字型压路机、胶轮压路机、振动钢轮压路机依次碾压。碾压结束后为避免加铺层施工中经历碎石化处理的下承层出现集料推移，并使破碎层中的松散层具有一定的结合力，一般在其上面洒布乳化沥青或热沥青透层油，然后在沥青透层表面撒布适量的石屑，用量以覆盖油层为标准。

旧水泥路面再生集料半刚性基层

破碎后的水泥混凝土路面除了作为基层在其表面直接加铺沥青或者水泥面层外，将破碎后的水泥混凝土碎石作为再生集料用于半刚性基层沥青路面建设也是其主要的处置方式。自20世纪40年代起，再生集料已经在美国用于稳定或非稳定类基层的铺筑。20世纪70年代，美国对再生集料的使用性能进行了深入的研究后制定了相应的技术规范，认为再生集料应用于新路面建设是完全可行的。通过对再生集料和新集料基层试件疲劳性能的对比，美国的研究人员发现，再生集料试件的疲劳性能与新集料试件并无明显的差异，再生混合料基层的疲劳性能、耐久性完全能够满足无机结合料稳定类基层的技术要求。

加拿大、荷兰、法国、日本、意大利等国出于废旧料再生利用的目的，对旧水泥混凝土路面破碎再生集料及其相关的混合料性能也进行了深入的研究。认为旧混凝土的抗压强度、破碎再生料中的针片状含量对再生混凝土的强度有显著的影响。只要破碎再生集料的性能能够满足相应路面层次的技术要求，再生混凝土完全可以作为基层材料使用，甚至在较低应力条件小表现出比天然集料更高的回弹模量。再生集料对无机结合料性能的影响主要表现在是施工和易性、收缩特性、抗磨耗性以及吸水性等方面。

国内对破碎集料再生利用主要目前主要局限于室内试验和铺设试验路的尝试阶段。张超等通过大量的室内试验和试验路铺设，认为当采用水泥、石灰或消石灰粉作为胶结料对破碎集料进行稳定处理后，得到的半刚性基层路面表现出良好的路用性能;但在采用水泥作为胶结料时，由于再生集料中已水化的水泥成分的存在，需对击实混凝土的最佳含水量进行修正。毛学功认为再生混凝土的最佳含水量要远小于击实试验得到的最佳含水量，可以根据105℃时再生集料的质量损失率，来确定再生水泥混凝土的最佳含水量。金荣以再生集料半刚性基层沥青路面作为研究对象，对水泥稳定再生集料混凝土的性能进行了分析，认为级配组成相同的水泥稳定再生集料的抗压、抗拉强度与回弹模量及试件的干缩、温缩系数均随水泥掺量的增加而增大。并在大量试验的基础上建议水泥稳定再生集料基层的最佳水泥掺量控制在3%左右，而再生集料基层厚度值控制在40cm左右时，可以有效的减小沥青路面车辙、保证新路面的平整度、养护管理投稿交流合作加微信627361748并控制最大裂缝值。程箭等开展了再生集料用于水稳基层性能的研究，认为含有再生集料的水稳基层回弹模量低于天然集料，且全部采用破碎再生粒料的基层浸水强度衰减迅速，且当再生料中0.6mm以下的细集料含量较多时，再生集料时试件的抗冻性能较差。

旧水泥路面再生混凝土性能研究

目前，对旧水泥路面混凝土性能的研究主要集中工作性、力学性能两个方面。Vivian等认为，旧水泥路面再生集料的级配对再生混凝土的工作和易性具有显著的影响，再生集料中小于4.75mm的细集料含量越大，再生混凝土的工作性能越差。Padmini的研究结果表明，当粗集料完全采用再生集料并要求再生混凝土与新拌混凝土有相同的坍落度时，混凝土用水量要增加5%，当全部采用再生集料生产水泥混凝土时，需水量则要增大15%以上。Gupta则提出采用石灰或粉煤灰部分取代水泥的方式，改善再生混凝土的工作性能，尽管再生混凝土的流动性、坍落度等较天然集料差，但其在粘聚性和保水性方面表现出良好的性能。肖建庄、李宏等对再生混凝土工作性能进行分析，认为，再生混凝土流动性较小的原因是再生集料表面粗糙、棱角多，孔隙含量较高且比表面积大，导致拌和过程中集料间的摩阻力增大。邱怀中的研究结果表明，再生集料所占比例越大，再生混合料的坍落度越小。

再生骨料的力学性能、表观性能等与天然集料存在的较大差异必然导致再生混凝土的力学性能的变化，因此，大量的研究人员开展了再生水泥混凝土力学性能的研究。再生水泥混凝土力学性能的评价主要包括抗压强度和弯拉强度。李佳彬、孙跃东等认为，与相同水灰比和级配的新集料混凝土相比，再生混凝土的抗压强度、抗弯拉强度分别减小5%23%，6%~20%，且随着再生集料用量的增加，再生混凝土的抗压强度和抗弯拉强度均降低。日本BCSJ关于再生混凝土强度的研究认为，用再生集料代替细集料的再生混凝土强度比代替粗集料的混凝土强度更低，且水灰比对再生混凝土的强度有显著的影响。Khatib认为，水灰比含量较低时，再生混凝土抗压和抗弯拉强度低于相同龄期天然集料混凝土，而当水灰比较大时，再生混凝土的强度又高于天然集料混凝土。Hansen的试验结果表明，除水灰比外，原生混凝土的强度也是影响再生混凝土强度的主要因素。

再生集料与水泥胶结料之间界面性质研究。再生集料表面旧水泥水化物的存在以及水化物表面的微裂缝使得再生集料与新拌混凝土中水泥的粘结状态不同于天然集料。由于再生集料与水泥水化物的界面性能是决定再生混凝土抗压及弯拉强度的主要因素，因此，建议对再生集料—水泥界面特性开展进一步的研究。