（道路与铁道工程专业论文）二灰碎石半刚性基层再生做刚性基层的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 半刚性路面是我国公路路面结构的主要型式。由于重载交通等诸多方面的原 因，我国半刚性路面结构早期损坏严重，且早期修建的高速公路陆续进入大修期， 高速公路大修任务繁重。大修中铣刨后的半刚性基层材料大量废弃，造成巨大的 资源浪费、土地占压，并引发一系列的环境问题。本文针对我国高速公路大修中 半刚性基层铣刨后浪费严重的现状，研究了高速公路二灰碎石基层再生后做刚性 基层的技术。 国内外对半刚性基层材料的再生利用主要是与沥青面层一起铣刨后进行冷 再生利用。本文结合京沪高速公路德州段路面大修工程，探讨了高速公路大修中 利用二灰碎石再生集料作刚性基层，修建再生集料刚性基层沥青路面结构的可行 性。 本文通过室内试验，对再生骨料的颗粒形状、表观密度、孔隙率、吸水特性、 压碎指标等指标进行了研究，并与天然骨料对比分析，得出再生骨料的一些基本 性能参数。探讨了再生集料刚性基层的配合比设计理论，通过理论分析和实际路 用要求，确定出了符合路面施工的最佳配合比。本文还通过室内试验和理论研究， 分析了再生骨料刚性基层的性能( 力学性能、疲劳特性、收缩性能、耐久性等等) ， 由室内试验结果表明二灰碎石半刚性基层再生技术完全可以满足相应的路用性 能要求。将室内试验得到的试验结果应用到试验路段，通过试验路段的道路施工 和跟踪监测，得出了再生骨料刚性基层结构具有良好的路用性能。 最后对再生集料刚性基层的应用进行了经济可行性分析，为二灰碎石再生骨 料和再生骨料刚性基层的应用提供了有利的支持，并对下一步研究工作提出了建 议。 关键词：二灰碎石；再生骨料? 再生利用；刚性基层 配合比：试验路 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e m i r i g i dp a v e m e n ts t r u c t u r ei st h em a i nt y p eo fp a v e m e n ts t r u c t u r ei nc h i n a b e c a u s eo fh e a v yt r a f f i ca n dm a n yo t h e rr e a s o n s ，t h ee a r l yd a m a g eo fs e m i r i g i d p a v e m e n ts t r u c t u r ei ss e r i o u s l yd e s t r o y e d m o r e o v e r ，t h ee a r l yc o n s t r u c t e df r e e w a y i s g o i n gi n t ot h eo v e r h a u lp e r i o do n e a f t e ra n o t h e r t h em i l l e ds e m i - r i g i db a s em a t e r i a l i se n o r m o u s l yw a s t e ，a n dr e s u l t si ns e r i e so fe n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s c o n s i d e r i n gt h e s e r i o u sw a s t eo fm i l l e ds e m i - r i g i db a s ei nf r e e w a yo v e r h a u l ，at e c h n i q u eo nr e c l a i m e d l i m e - f l ya s hm a c a d a mu s e di nr i g i db a s ew a ss t u d i e d t h er e u s eo fs e m i - r i g i db a s em a t e r i a ld o m e s t i c a l l ya n da b r o a di sp r i m a r i l yi nt h e c o m p a n yo fa s p h a l ts u r f a c e - c o u r s e m i l l e da n dm a k e sc o o lr e c y c l i n g t h i st h e s i s c o m b i n e sw i t ht h em a j o rr e p a i rw o r k si nt h es e c t i o no fd e z h o ub e t w e e nj i n g f u e x p r e s s w a y ，d i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t yo fr e c l a i m e dl i m e - f l ya s hm a c a d a mr e u s e di n r i g i db a s ea n da s p h a l tp a v e m e n t a c c o r d i n gt o7 l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ，t h ep a r t i c l e f r a c t i o n 、c h a r a c t e r i s t i co fw a t e r - i n t a k ea n dc r u s hv a l u eo ft h er e c y c l e da g g r e g a t ea r e s t u d i e d ，t h e nt h ea n a l y s i si nc o n t r a s tw i t ht h en a t u r a la g g r e g a t e si sm a d e ，a n dt h eb a s i c p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro ft h er e c y c l e da g g r e g a t ei so b t a i n e d t h et h e s i sd i s c u s s e st h e m i xr a t i od e s i g no fr i g i db a s eu s e dt h er e c y c l e da g g r e g a t e ，a c c o r d i n gt ot h el a b o r a t o r y e x p e r i m e n ta n dp r a c t i c a lr o a dp e r f o r m a n c e ，a s c e r t a i n s t h eb e s tm i xr a t i ow h i c h a c c o r d s 嘶t 1 1t h ep a v e m e n td e s i g n a sw e l l ，a c c o r d i n gt ot h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h er e c y c l e da g g r e g a t er i g i db a s e ( f a t i g u e c h a r a c t e r i s t i c 、c o n t r a c t i b i l i t y 、d u r a b i l i t ya n ds oo n ) i sa n a l y s e d ，b a s e do nt h e l a b o r a t o r ye x p e r i m e n tw h i c hi n d i c a t e s t h er e u s et e c h n i q u eo ft h el i m e - f l ya s h m a c a d a m i xs e m i - r i g i db a s ei sc o m p l e t e l ya b l et of u l f i lt h er o a dp e r f o r m a n c e n e x t ，t h e t e s tr e s u l t sa r eu s e di nt h et e s t i n gs e g m e n t ，o nt h eb a s i so fr o a dc o n s t r u c t i o no ft h e t e s t i n gs e g m e n t ，w ec o u l dd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h er e c y c l e da g g r e g a t er i g i db a s e h a st h eg o o dr o a dp e r f o r m a n c e i l i nt h ee n d ，t h ee c o n o m i cf e a s i b i l i t ya n a l y s i so ft h er e c y c l e da g g r e g a t er i g i db a s e 山东大学硕士学位论文 i sm a d e ，w h i c hi si nf a v o u ro ft h eu s eo ft h el i m e - f l ya s hm a c a d a m i xr e c y c l e d a g g r e g a t ea n dt h er e c y c l e da g g r e g a t er i g i db a s e ，f u r t h e r m o r e ，s o m es u g g e s t i o n sa l e r a i s e df o rt h ef u t u r er e s e a r c h k e yw o r d ：l i m e f l ya s hm a c a d a m ；r i g i db a s e ；r e c y c l e da g g r e g a t e ；r i g i db a s e ； m i x t u r er a t i o ；t e s t i n gr o a d 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：继主乙 e t 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：复垦望刍导师签名：日期：型：羔：望 山东大学硕士学位论文 量曼曼曼曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼鼍曼皇皇曼曼皇鼍曼曼曼皇曼鼍皇曼皇窟- - 一一 i i 舅曼曼皇曼曼皇曼量 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 高速公路大修中，铣刨后的半刚性基层材料大量废弃，造成材料资源的巨大 浪费、土地资源的占压，并引发一系列的环境问题。本课题对铣刨后的半刚性上 基层材料进行再生利用，以该材料作为刚性基层骨料，研究能抵抗重车、结构合 理、经济耐用的再生集料刚性基层结构，提高路面结构的耐久性能。在缺乏石料 地区，半刚性基层材料的再生利用对保护环境与资源，降低工程建设成本，抵抗 重载交通，延长路面结构使用寿命，都具有重要的经济和社会意义。 半刚性基层是目前我国公路的主要路面结构形式，对抵抗重载起到了良好的 作用。但是，由于半刚性基层的干缩、温缩与脆性特性，以及重载交通的作用， 基层开裂现象严重。基层一旦开裂，动载下的板块活动使沥青面层底部拉应力与 剪应力大幅增长而导致反射裂缝与面层的快速疲劳，加速路面结构的开裂与唧浆 破坏，破坏后其养护维修费用高。由于半刚性路面的开裂唧浆难以修复，近年来 许多高速公路大修中将柔性基层应用于高速公路的维修结构中。但由于重载、柔 性结构与原结构的协同性等问题，修复后的路面也出现了一些新的路面结构病 害。 半刚性路面大修过程中，铣刨的大量半刚性基层材料被作为废料抛弃，不仅 占压土地，而且对环境造成不利影响。铣刨的半刚性基层材料，特别是上基层材 料，具有一定的级配、较高的强度，仍具有较高的利用价值。以铣刨的半刚性上 基层材料作为骨料，配制成水泥混凝土刚性基层，探讨高速公路半刚性路面结构 大修中修建刚性基层沥青路面的可行性，这对于缺乏石料地区，半刚性基层材料 的再生利用，对保护环境与资源，降低工程建设成本，改善路面结构的受力状况， 延长路面结构使用寿命，具有重要的经济和社会意义。 本课题依托京福高速德州段，对高速公路大修过程中原有二灰碎石半刚性基 层的就地利用，研究二灰碎石再生集料的性能与再生利用技术，提高路面结构的 耐久性能。本文通过室内实验、试验路铺筑及现场检测，研究能抵抗重车、结构 合理、经济耐用的再生集料刚性基层结构，提高路面结构的耐久性能。这对于探 山东大学硕士学位论文 讨高速公路维修中再生集料的利用，节约资源，降低工程成本，减少矿山开采， 保护环境与资源具有重大的社会与经济效益，是实现建筑资源环境可持续发展的 主要措施之一。 1 2 国内外的研究现状 由于国内外对钢筋网加固再生集料刚性基层的研究是空白的，故分以下四部分 介绍相关的国内外研究现状：再生集料利用的国内外研究现状；刚性基层的国内 外研究现状：刚性基层横缝间距的国内外研究现状及钢筋网加固技术的研究现 状。 1 2 1 再生集料利用的国内外研究现状 再生集料就是指可再利用的废弃施工材料，在我国对旧混凝土再生集料的研 究越来越多，主要是对再生混凝土的研究，把利用旧混凝土再生集料作为部分或 全部骨料配制的混凝土称为再生骨料混凝土，简称再生混凝土( r a c ) 。 从2 0 世纪中叶以来，旧混凝土的再生利用引起了世界上许多国家的关注，在 美国、日本和一些欧洲国家成为一项重要的课题，并且在很大程度上得到了应用， 这些研究主要集中在对再生骨料和再生混凝土基本性能的研究，已有成功应用于 刚性路面和建筑结构物的例子。美国、澳大利亚、比利时、加拿大、法国、日本、 英国、荷兰、西班牙等国家已经制定关于旧混凝土再生集料的规范，主要侧重于 级配、磨耗值和纯度等方面。国外对旧混凝土再生混凝土的研究范围较广，从其 基本力学性能、抗冻性能到其微观结构都进行了研究。 澳大利亚的k k s a g o e c r e n t s i l i l 】对用旧混凝土再生粗集料配制的混凝土性 能进行了研究，集中对再生混凝土的新拌工作性能、抗压强度、劈裂强度、干缩、 抗磨损能力及吸水率进行研究，从他的研究可发现，再生混凝土具有很好的实用 性。 a n d r z e j a j d u l d e w i c z 和a l i n a k l i s c e w i c a l 2 1 研究了用强度等级为c 3 5 c 7 0 的旧 混凝土再生集料配制的混凝土的各项性能，并提出了再生高性能混凝土的概念， 也就是利用再生集料作为部分或全部集料配制的高性能混凝土。 v i v i a n w y t a m 3 j 对用两次混合法配制的旧混凝土再生混凝土进行了微观分 析，他发现，通过两次加料法可大大改善再生混凝土的工作性能，其他力学性能 2 山东大学硕士学位论文 从微观角度来看，一次加料法配制的再生混凝土的裂缝要远远大于普通混凝土， 但是二次加料法配制的再生混凝土的裂缝明显要少。 除了从微观方面分析再生混凝土的各项性能外，法国的r o u m i a n az a h a r i e v a 4 】 也对再生混凝土的抗冻性进行研究。 长安大学的侯劲汝【5 j 等对再生混凝土基本性能进行了研究；东南大学材料科 学与工程系的张亚梅【6 】等对再生混凝土配合比设计也进行了初探，通过试验发 现，以普通混凝土配合比设计方法设计配制的再生混凝土的工作性显著降低，而 强度高于普通混凝土；以普通混凝土配合比设计方法为基准，同时进行废混凝土 集料预吸水，并掺加粉煤灰、减水剂或二者复合使用，可使再生混凝土的工作性 和强度同时满足设计要求，这点通过张学兵1 7 】的实验已经得到充分验证；同时， 张学兵还提出了预吸水的公式，湖南城建高等专科学校的杜婷【8 l 对混凝土再生集 料进行了强化试验研究，她将一定细度的微细矿粉掺入混凝土，矿物掺料与混凝 土水化产物及其未反应的细颗粒可填充水泥石的毛细孔，使混凝土密实，随着水 化龄期的增加，掺有矿物细掺合料的水泥石的孔结构得到改善，从而使混凝土的 强度得到提高，华北水利水电学院的胡玉珊1 5 】等也研究了粉煤灰掺人方式对再生 混凝土强度的影响。 国内学者通过试验概括了旧混凝土再生混凝土的基本力学性能，随着越来越 矗 多的学者开始研究再生混凝土，其各项性能会和普通混凝土一样逐步趋于完善。 但在我国，旧混凝土再生集料作为道路基层材料的系统研究成果与资料很少，如 张超1 9 等人就采用无机结合料稳定旧混凝土再生集料用于路面基层的问题进行 过初步探讨，李征【lo 】对旧混凝土再生集料在道路基层中的应用做了初步研究，而 半刚性基层的再生利用及其用作刚性基层在国内没有人研究过。因此，根据我国 目前半刚性基层废料增长迅速、处理困难，公路建设快速发展的现状，将半刚性基 层再生集料应用于道路基层就显得极为迫切，并具有巨大的社会、经济效益和现 实意义。 1 2 2 刚性基层的国内外研究现状 刚性基层主要指以贫混凝土、水泥混凝土和连续配筋混凝土等材料作道路基 层，这类基层强度高，抗冲刷能力强，耐久性好，加铺沥青面层材料后，可以综 合刚性路面和柔性路面的优势，大大延长路面的使用寿命。在美、英、德等国也 山东大学硕士学位论文 较多的采用素混凝土或连续配筋混凝土作为高速公路沥青路面基层，其中连续配 筋混凝土基层路面结构于1 9 世纪3 0 年代最早出现在美国新泽西州，后来在欧美得 到了较为广泛的应用。 我国长安大学自2 0 0 1 年至今一直对贫混凝土、水泥混凝土、连续配筋混凝 土及多孔混凝土等基层沥青路面结构【l l 】进行研究，并通过实验路研究提出合理的 结构形式。 长安大学的刘伟对贫混凝土基层混凝土路面结构的力学特性和结构设计 方法进行深入研究，认为贫混凝土具有比常用的半刚性基层材料更加优良的疲劳 性能，提出了贫混凝土基层混凝土路面的概率型结构设计方法，提出了贫混凝土 两种形式的疲劳方程，并据此推导了混凝土路面结构贫混凝土基层的疲劳应力系 数和沥青路面结构贫混凝土基层的抗弯拉强度结构系数。 对贫混凝土基层混凝土路面现有结构设计方法的应力计算进行了分析，发现 等刚度法用于双层板路面的荷载应力计算是可行的，但用于温度应力计算会引起 较大的误差。 利用三维有限元方法对贫混凝土基层混凝土路面进行了荷载应力和温度应 力的大量计算，通过回归，得出了贫混凝土基层混凝土路面荷载应力及温度应力 实用计算公式，对规范中轴载换算存在的问题，分别根据面层和基层的荷载应力 公式和疲劳方程，提出轴载换算公式以及疲劳应力系数。 长安大学的马庆雷【1 3 1 对基于刚性基层( 包括贫混凝土、水泥混凝土和钢筋混 凝土基层) 的耐久性沥青路面结构进行研究，为刚性基层沥青路面较半刚性基层 沥青路面具有使用寿命长，减少行程时间费、车辆运行费和事故费，可在较长时 间内保持较高的服务能力，大大减少时间寿命周期费用等优点。 提出了普通水泥混凝土基层、贫混凝土基层厚度范围与合理切缝间距，建立 了刚性基层沥青路面的结构设计方法；提出采用应力吸收层、大粒径沥青碎石混 合料等结构层可有效地防止刚性基层因温度应力而引起的沥青面层反射裂缝。 利用三维有限元模型，分析了沥青面层厚度、基层厚度、基层模量和地基模 量等参数对刚性基层的荷载应力、温度应力及其两者之间的复合应力的影响规律 及其显著性，得出了标准轴载作用下基层应力以及不同轴型荷载作用下混凝土基 层底面的荷载应力、温度应力及复合应力的实用计算公式。 4 山东大学硕士学位论文 长安大学的郑木莲【1 4 】对多孔混凝土排水基层进行研究，认为多孔混凝土具有 良好的温缩、干缩、抗冲刷和抗冻等物理性质，对疲劳试验数据进行分析，得出 了多孔混凝土作为水泥混凝土路面下面层荷载应力计算的疲劳应力系数，和作为 沥青路面基层层底弯拉应力验算的抗拉强度结构系数。 对于多孔混凝土基层水泥混凝土路面结构设汁，提出了组合设计的具体要求 从分析路面温度场入手，研究了多孔混凝土基层的温度翘曲应力和温度胀缩应 力，据此分析了多孔混凝土基层接缝的设置依据和缝间距离最后综合路面排水 分析和应力分析与结构计算两部分内容，提出多孔混疑土基层水泥混凝土路面的 结构设计方法。 但是目前还未发现利用破碎半刚性基层作为再生集料骨料，进行水泥混凝土 刚性基层沥青路面结构设计的先例。 1 2 3 刚性基层横缝间距的国内外研究现状 对于碾压混凝土，有文献根据室内伸缩值的对比试验和试验路的铺筑验证； 认为碾压混凝土路面每隔1 0 1 5 m 设置一条缩缝是可行的。西班牙、法国、澳大 利亚等国家研究、应用碾压混凝土路面施工技术已有多年历史，但由于主要用于 建造货场、港口码头、停车场和低等级道路工程，因此对接缝的研究较少，有的 甚至与沥青路面一样，不预设接缝，任其自由开裂，根据第十八届世界道路会议 的资料介绍，不预设横缝、自由开裂产生的横缝间距通常为6 - - 1 2 m ，有时可达 到2 0 m 。 日本道路协会1 9 9 0 年5 月制订的“碾压混凝土路面技术指南( 草案) ”对横 向缩缝提出的设置原则为：当板厚为2 5 c m 时，横向缩缝间距为1 5 - - 2 0 m ：板厚 小于2 5 c m 时，间距为1 0 - 1 5 m ，但这种规定主要依据实际工程观测，尚未见到 深入的试验研究成果或理论分析报告。 美国混凝土学会( a c i ) 3 2 5 委员会1 9 9 5 年发表的碾压混凝土当前工艺水平 的报告中涉及碾压混凝土路面接缝设计的内容相当少，仅在“路面设计的考虑” 一节中提到：采用横缝时，一般间隔在9 i m - 2 1 3 m 之间。 英国道路研究所的足尺试验路表明，增加贫混凝土的强度会增大温度裂缝的 间距和宽度为了获得微裂缝的最佳分布，德国建议在新建的贫混凝土基层上切 缝，在下列情况下要求切缝： 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 贫混凝土基层的厚度大于或等于2 0 c m ，横向切缝的间距须小于5 m ； ( 2 ) 稳定基层的抗压强度超过上限值( 1 2 m p a ) ，横向切缝的间距须小于5 m 。 德国对切缝间距的这一要求偏小，但其对于厚度较大，强度较高的贫混凝土 基层需作切缝处理且切缝间距较小的思想值得借鉴。f o u l k e s 认为，在水泥结合 料基层中采用温缩系数高的粗集料可使板长缩短；降低贫混凝土的强度到其低限 i o m p a 可进一步调节裂缝的间距，但降低贫混凝土的强度对相邻板之间的锁结作 用有害，而这种锁结作用可提高整个基层的整体性，为面板提供有力的支撑。 综上所述，各国对缩缝设置的认识尚未统一，虽普遍认为可比普通水泥混凝 土路面适当延长间距，但多以一定时间内的实践为依据，尚缺乏从路面力学理论 上深入分析延长缩缝间距的机理，因而无法根据材料及结构的自身特性确定合理 的缩缝间距。 再生集料混凝土基层与混凝土面层又存在显著不同，其上面覆盖约0 1 m 厚 的沥青混凝土面层，大大缓解了温度的影响，目前尚未见有关再生集料混凝土基 层接缝设置的论述。胡长顺等对碾压混凝土基层进行一系列物理力学性质研究， 得出其缩缝距离可较普通混凝土板的长，并通过在试验路上设置不同间距的缩 缝，观察得出接缝间距为l o m 和1 5 m 板未发生断裂的结论，牛开民等4 通过 对全厚式碾压混凝土路面进行应力分析，并结合碾压混凝土本身的收缩特性，认 为每隔6 l o m 设置一条缩缝是可行的，对于贫混凝土基层缩缝间距，普遍认为 可比普通水泥混凝土路面适当延长，孙家伟通过分析，提出贫混凝土基层的横向 缩缝间距一般可在l o - - 一1 5 m 之间选择。郑木莲通过一维热传导分析，提出多孔 混凝土基层接缝间距的计算方法，认为多孔混凝土基层接缝间距在l o - - 2 0 m 之 间。 目前，国内外对普通水泥混凝土路面的温度应力进行了深入的研究，对沥青 路面水泥混凝土基层温度应力的研究尚未系统。由于混凝土基层的平面尺寸从普 通水泥混凝土基层到贫混凝土基层，变化较大，且在上方铺筑了沥青面层，改变 了其温度特性，因此需要对混凝土基层沥青路面的温度场和温度应力进行分析。 1 2 4 钢筋网加固技术的研究现状 在公路建设中一般采用连续配筋混凝土或钢丝网加固技术，很少采用钢筋 网。国内外对连续配筋混凝土的研究已经非常成熟，并且都制定了相关的设计施 6 山东大学硕士学位论文 工规范，但由于连续配筋混凝土基层沥青路面用筋多，较难推广；近年又提出钢 丝网加固技术，如陕西榆林地区就是为了改善沥青混凝土路面推移病害，在沥青 碎石路面中加入钢丝网【”j 。再如长安大学公路学院、陕西榆林公路管理局、中交 第一公路勘察设计研究院联合研究i l6 j 在杨靖线上的陡坡推移路段，针对沙漠地区 公路的网裂和推移病害，分别采用沥青微表处理和改性沥青混合料加铺钢丝网施 工的工艺进行处理，选用直径为3 m m 的成品钢丝网，每片为l o m 2 的等边菱形网 格，菱形边长6 c m ，钢丝网的连接为点焊焊接；沥青采用成品改性沥青，并且在 混合料中添加1 一的水泥对双面层路面，浇洒透层油一摊铺4 c m 沥青碎石下面 层一铺设钢丝网一摊铺3 c m 沥青碎石上面层一碾压一改性沥青薄层罩面，单面层 路面，浇洒透层油一铺设钢丝网一摊铺沥青碎石面层一碾压一改性沥青薄层罩 面。历时一年后，尚未出现推移、拥包，取得了较好的效果。 焊接钢筋网混凝土结构一般应用于大型现浇混凝土结构和桥梁中，在国外已 经有广泛的研究，焊接钢筋网的应用始于1 9 0 1 年美国的马萨诸塞州 ( m a s s a c h u s e t t s ) 【1 7 1 ，用作预制混凝土的配筋早在2 0 世纪初1 引，德国、意大利、 奥地利、法国、美国等国家就制定了焊接钢筋网的标准我国在2 0 世纪9 0 年代 以后才逐渐采用焊接钢筋网，1 9 9 5 年颁布实施了钢筋混凝土用焊接钢筋网， 1 9 9 7 年颁布实施了焊接钢筋网混凝土结构技术规程。目前我国焊接钢筋网的 研究应用尚处于起步阶段，与发达国家有较大差距，规程提出其适用范围仅为工 业及民用房屋及一般构筑物的板和墙的混凝土结构。 本课题采用钢筋网加固半刚性基层再生集料刚性基层路面结构目前国内外 尚未有研究。 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 二灰碎石再生集料的性能研究：研究二灰碎石再生集料的粒形、表面 结构、表观密度、吸水率和压碎值等性能的变化，并分析这些变化对再生混凝土 的性能产生的影响。 ( 2 ) 二灰碎石再生集料刚性基层材料的性能分析： 配合比设计方法与配合比设计； 二灰稳定碎石再生集料刚性基层材料材料的工作性能分析，包括吸 7 山东大学硕士学位论文 水率，提出配合比中的水含量的标准； 二灰稳定碎石再生集料刚性基层材料的力学性能分析： 二灰稳定碎石再生集料刚性基层的疲劳特性； 二灰稳定碎石再生集料刚性基层的收缩特性，包括干缩和温缩； 二灰稳定碎石再生集料刚性基层的抗渗性； 二灰稳定碎石再生集料刚性基层的抗冻性； ( 3 ) 再生集料刚性基层的施工技术与质量控制指标，研究再生集料刚性基层 施工的质量控制指标，提出项目推广应用的施工指南。 ( 4 ) 刚性基层的结构性能评价，通过对试验路的现场检测结果与理论计算结 果的比较分析，以及试验路跟踪观测，对该路面结构性能做出合理的评价。 1 4 创新点 1 本文拟对高速公路大修中二灰碎石半刚性基层进行铣刨、筛分后，充分利 用其中的旧骨料，再根据路面性能要求，在旧骨料中添加水泥、水以及新骨料， 制备成“再生混凝土，以达到充分利用工程废弃物，节约资源，保护生态环境， 降低工程成本的目的。 2 本研究提供了二灰碎石再生利用的方法，可以有效解决由于再生骨料的各 种性能差异较大的问题，提供了一套破碎的二灰碎石基层再生作刚性基层的使用 方法和依据。 3 通过室内试验和理论分析，提出了再生集料刚性基层的疲劳方程。 8 山东大学硕士学位论文 第二章二灰碎石再生集料的性能分析 2 1 二灰碎石再生骨料的回收利用 2 1 1 引言 将铣刨的二灰碎石半刚性基层材料分拣再加以重新利用制成新产品，具有可 观的社会效益、经济效益和生态效益。因此，如何对这些建筑垃圾分拣后再加以 回收处理是重新利用建筑垃圾的关键环节之一，是关系到建筑垃圾能否资源化的 至关重要的一步。本章是在总结国内外相关资料的基础上，设计了一条方便快捷、 简单实用的工艺流程，可将建筑垃圾中各种错综复杂的物质分开，再分别重新转 化为再生骨料。 本章节还对再生骨料的一般特性进行了分析，并将其与天然骨料进行比较。 由于再生骨料附着了一层硬化水泥砂浆，这层硬化水泥砂浆软弱、易破碎，这就 使得再生骨料的诸多特性和天然骨料有所区别。这些特性包括：颗粒形状和表面 特征、表观密度、堆积密度、空隙率、吸水率、吸水速率、压碎指标、抗压强度、 弹性模量等等。 2 1 2 再生骨科回收利用工艺流程 国内外关于建筑垃圾中废弃混凝土回收再利用的探索主要集中在以下几个 方面： ( 1 ) 如何使建筑垃圾中废弃混凝土破碎后成为再生骨料，加工工艺如何； ( 2 ) 生产出的再生骨料性能如何，与普通天然骨料在性能上有何差异； ( 3 ) 如何将再生骨料用于工程建设，用于工程建设后效果( 强度、耐久性) 如何。 国外许多文献都作了关于再生骨料循环利用工艺方法的研究，但所提出的研 究方法多数为针对本国的具体工程条件而言。对我国再生利用的现状来说，由于 缺乏专门的再生加工厂和专门的加工机械，这些工艺方法难以实施。 再生骨料的回收利用工艺可分为两种方式进行：第一种方式是在建筑工地直 接对建筑垃圾进行加工，经过较为简单的破碎、筛分、分选、洁净工序后产生再 生骨料，直接将其用于工程建设。这种方式简单易行，便于现场操作，节约了时 9 山东大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼i ii 曼皇量皇曼皇曼鼍曼皇量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量鼍量皇 间和运输费用。第二种方式是专门构造建筑废料再加工厂，配备各种工艺所需的 设备和专门的工作人员，精细地操作，有条不紊地按照操作流程生产出高质量的 再生骨料。 由于室内试验研究使用的再生骨料用量较小，通常铣刨后的二灰稳定碎石质 量较好，基本上没有杂质和污染，因此采用最简单的生产方式，如图2 1 所示。 图2 - 1 最简单的再生骨料生产方式 总的来说，再生骨料的回收再利用工艺流程应因时因地制宜，力求方便有效 地回收利用，节约成本的同时制备出高质量的再生骨料。 2 2 再生集料的物理性质 2 2 1 再生集料的一般特性 工程材料混合物中，骨料通常起骨架的作用，很大程度上决定着混合物的强 度性能和耐久性能，其对强度的影响主要有两方面：一是自身强度的影响；二是 对界面给合的影响，而对耐久性的影响则是多方面的钉。 再生骨料包括再生粗骨料和再生细骨料，其中再生粗骨料占绝大部份再生 细骨料的尺寸一般为0 0 8 5 舢，再生细骨料主要包含灰浆体破碎后形成的表面 附着灰浆的砂粒，表面无灰浆附着的砂粒、水泥石颗粒以及破碎中形成的少量石 粉，再生粗骨料的尺寸为大于5 m m 的颗粒，再生粗骨料主要包括表面附着部份灰 浆的石子，表面无灰浆附着的石子和少部分灰浆。骨料要求清洁不含杂质，以保 证骨料发挥应有的骨架作用，而再生骨料中常含有一些有含害的杂质，如粘土、 淤泥、粉砂、细屑等，它们会粘附在再生骨料的表面，阻碍水泥和再生骨料的粘 结，降低混凝土的强度，同时还增加混凝土的用水量，加大混凝土的收缩，降低 1 0 山东大学硕士学位论文 抗冻性和抗渗性，影响混凝土的耐久性。所以，在使用前必须经过冲冼、过筛处 理将其清除。 再生骨料的配合方法和天然骨料相同，由于不同使用目的选择不同的规程和 标准，因此应按具体规程和标准中规定的颗粒级配，称量配合并均匀混合。在不 得己的情况下，可以调整级配，以满足实际使用的要求。再生骨料和天然骨科相 比，组成成份十分复杂，由于再生骨料中包含相当数量的水泥浆体，而水泥浆体 本身的强度和刚度相对较低，处于薄弱地位，造成了再生骨料和天然骨料在性质 上的诸多差异。 2 2 2 再生集料颗粒形状及表面特征 粗骨料的颗粒形状及表面特征会影响其与水泥的粘结及拌和物的流动性，表 2 - 1 给出了一组再生骨科与天然骨料的颗粒形状系数。 根据z i n g g 提出的骨料形状特征系数的观点【2 0 】，骨料的细长率、扁平率和方 形率越小越好，通过室内试验对得到二灰碎石再生骨料的颗粒形状系数数据，如 表2 - 1 所示。 通过表2 - 1 ，可以看到再生骨料的形状特征系数甚至优于天然骨料，完全可 以用于再生利用。 表2 - 1 再生骨料与天然骨料的颗粒形状系数比较表 细长率扁平率方形率 骨料类型 a ca b ca b 再生骨料 2 2 73 8 11 4 6 卵石 2 2 84 5 91 4 7 碎石 2 8 05 6 01 5 7 ( 表中a b 、c 分别表示骨料颗粒的长、中、短轴) 再生骨料由于表面附着灰浆的存在，其表面粗糙度比天然骨料大，再加上在 解体破碎的过程中，部分石子因受力而沿纹理开裂，这既增加了新的粗糙表面， 又增加了棱角效应从这一点来说，再生骨料与水泥等粘结物的粘结能力比天然 骨料好。 由于铣刨的二灰碎石强度与密度的不均匀性，使得其破碎后产生的再生骨料 质量很不均匀，存在些片状颗粒和针状颗粒，这些片状颗粒和针状颗粒过多， 山东大学硕士学位论文 会使新拌合物的强度降低。因此，在使用再生骨料的时候，要特别注意这些片状 颗粒和针状颗粒的数量是否符合规范要求。 2 2 3 再生集料的表观密度、堆积密度及空隙率 骨料的表观密度是指骨料在自然的状态下，单位体积的质量，其表观体积是 指包含内部孔隙的体积，当材料孔隙内含有水分时，其质量和体积均将有所变化， 故说明材料的表观密度时，须注明其含水情况，表2 - 2 为一组再生骨料和天然骨 料面干状态下的表观密度试验数据。 表2 2 再生骨料与天然骨料面干状态下的表观密度值( k g m 3 ) 比较表 骨料种类天然骨料再生骨料 细骨料 2 5 0 02 1 4 0 粗骨料 2 6 1 02 4 3 0 从表2 2 中可以看出，再生骨料的表观密度值明显低于天然骨料的表观密度 值，且再生细骨料的表观密度值低于再生粗骨料的表观密度值。 影响再生骨料表观密度的因素很多，主要包括：原始二灰碎石骨料的密度、 原始二灰碎石的砂率和水灰比、再生骨料的粒级和级配、再生骨料的颗粒组成和 形状、再生骨料的含水状态和孔隙结构等。 骨料的堆积密度是指骨料在堆积状态下单位体积的质量。骨料的堆积体积包 含了颗粒之间的空隙。其中空隙体积所占的比例，即为骨料的空隙率。空隙率的 大小反映了散粒骨料在颗粒骨料互相填充的致密程度，可作为控制骨料级配的依 据。根据室内试验得出的再生骨料各粒径的堆积密度与空隙率数值可知，再生骨 料较之天然骨料堆积密度小而空隙率高，且再生骨料各个粒级的堆积密度不相 同，表2 3 表明整体规律是颗粒越大，堆积密度越高，空隙率的变化规律则相反。 表2 3 再生骨料各粒径的堆积密度与空隙率 再生粗 天然粗 4 7 59 51 6 01 9 02 6 53 1 0 试验指标 骨料 骨料 堆积密度 11 9 01 2 9 01 3 2 11 3 4 01 3 7 01 4 1 91 4 1 0 1 5 4 0 ( k g m 3 ) 空隙率( )5 0 4 64 5 24 5 1 4 4 3 4 3 14 4 4 2 1 2 山东大学硕士学位论文 2 2 4 再生集料的吸水特性 ( 1 ) 再生集料的吸水率 当骨料吸水饱和时，其含水率称为吸水率，天然骨料的孔体积含量很低，一 般低于3 ，极少超过1 0 ，所以常用的天然骨料吸水率都很低。对于再生骨料而 言，其颗粒棱角多，表面粗糙，组分中包含相当数量的硬化水泥浆体( 包裹在骨 料的表面或以碎屑的形式存在) ，由于浆体自身的孔隙率较大，加上在破碎的过 程中产生了大量的微裂缝，使得再生骨料的吸水率要比天然骨料高得多。 表2 - 4 一组再生骨料和天然骨料面干状态下的吸水率试验数据 骨料种类天然骨料再生骨料 细骨料 1 1 76 7 2 粗骨料 1 0 43 9 1 从表2 - 4 中可以看出，二灰稳定碎石再生骨料的吸水率远远高于天然骨料， 且再生细骨料的吸水率远远高于再生粗骨料。 ( 2 ) 再生集料的吸水速率 同时，再生骨料不仅吸水率大，吸水速率也相当快。试验发现二灰碎石再生 粗骨料浸水1 h 后其吸水率达到3 9 ，通过室内试验得到二灰碎石再生粗骨料的 吸水速率如表2 5 所示。 表2 - 5 再生骨料的吸水速率试验数据 时间( m i n ) 1 02 03 06 0 吸水率细骨料 6 2 56 2 86 4 76 6 9 ( ) 粗骨料 3 3 23 4 13 6 03 8 8 由表2 - 5 可以看到，再生骨料在l o - 6 0 m i n 内的吸水速率是逐步递增，且吸 水率大，吸水速率快。 因此，在使用二灰碎石再生骨料的时候，再生骨料的用水量比天然骨料多， 这在配合比设计时应尤为注意。再生刚性基层的配合比设计中应综合考虑再生骨 料的吸水速率、吸水率以及混凝土搅拌站与施工现场的距离，合理地控制用水量， 以保证再生骨料混凝土的施工和易性。 山东大学硕士学位论文 2 3 再生集料的强度 再生骨料的强度通常是指再生粗骨料的强度粗骨料的强度特性取决于它的 矿物组成、比重、吸水性、空隙率及孔隙结构，而再生粗骨料由于组成成分复杂， 孔隙率高，吸水率大，因此，再生骨料的强度比天然骨料要低很多，骨料体积又 约占混凝土体积的7 0 - 8 0 ，而粗骨料又约占全部骨料体积的6 0 7 0 。因此， 粗骨料性质对混凝土的强度、工作性、耐久性等工程特性的影响相当大【2 。 2 3 1 再生骨科强度的表征 再生骨料的强度可以用“岩石 立方体强度和压碎指标两种方法来表示。“岩 石”的立方体强度是评价混凝土骨料质量的一个重要指标，可从再生骨料的原始 二灰碎石基层上切割出1 5 c m x l 5 c m x l 5 c m 的立方体( 或直径为1 5 c m 、高为3 0 c m 的圆柱体) 按测定天然骨料混凝土立方体抗压强度的方法进行，可以近似地认为， 原始二灰碎石基层在铺筑时的抗压强度就是“岩石的抗压强度值。 本文采用压碎指标表征二灰碎石再生骨料的强度。压碎指标表示再生粗骨料 抵抗压碎的能力，特别是对粗骨料中存在的软弱颗粒分辨力较好。再生骨料的压 碎指标可参照规范对天然骨料压碎指标的要求，根据公路工程集料试验规程 ( j t g e 一2 0 0 5 ) 中规定的试验方法测定，粗骨料的压碎指标测定方法，是指将一 定质量气干状态下l o - - 2 0 m m 的石子装入一定规格的圆筒内，在压力机上施加荷 载到2 0 0 k n ，卸载后称取试样的质量( m o ) ，用孑l 径为2 5 0 m m 的筛筛除被压碎的细 粒，称取试样的筛余量( m 。) ，由计算得： 压碎指标( 6 。) = 竺凸 ( 2 一1 ) m 0 式中，m o 表示试样的质量( g ) ，m 表示试验筛余后试样的质量( g ) 通过对三组再生骨料的室内试验得出再生骨料的压碎值如表2 - 6 所示 表2 - 6 天然骨料和再生骨料压碎值比较 项目天然碎石 再生骨料 压碎值( ) 1 9 1 5 3 3 1 5 由表2 6 所示，再生骨料的压碎值明显高于天然骨料，这是由于再生粗骨料 表面附着灰浆的强度和刚度相对较低，软弱易破碎，在外力作用下容易从再生骨 料表面脱离，因此，再生骨料的压碎指标比天然骨料大，由于压碎指标表示骨料 1 4 山东大学硕士学位论文 抵抗压碎的能力，所以再生骨料抵抗压碎的能力较弱。 2 3 2 再生骨料的抗压强度 粗骨料的强度特性取决于它的矿物组成、吸水性和孔隙结构。相对于天然骨 料，再生粗骨料的组成成分十分复杂，孔隙率高，吸水性大，其抗压强度低于天 然骨料，再生骨料的颗粒组成复杂，并非由单一的、质量均匀的颗粒组成，其中 的原状颗粒、废旧灰浆、次生颗粒以及它们含量的差异都影响着再生粗骨料的强 度，所以再生粗骨料的抗压强度值变异系数较大，且再生骨料在破碎加工过程中， 其内部往往会产生大量的微裂缝，即再生骨料的孔隙率高，吸水性大而且极易吸 水饱和。当吸水饱和或者含水饱和时，水对骨料的软化作用会影响骨料的抗压强 度，再生粗骨料吸水饱和后，其抗压强度明显降低，水对天然卵石或碎石的软化 作用可以忽略，但对再生粗骨料的软化作用不容忽视。 2 3 3 再生骨料的弹性模量 再生骨料的弹性模量与其孔隙率有关，致密的材料明显具有较高的弹性模 量，而再生骨料本身的质量是不均匀的，并且孔隙率大，破碎过程中还存在一些 微裂缝，因此，其弹性模量明显低于天然骨料，当骨料的弹性模量较低时，拌合 物的收缩和徐变也会相应地变大，研究表明，用再生骨料拌制的再生混凝土其收 缩率明显高于天然骨料拌制的混凝土。 2 3 4 再生骨科的坚固性 再生骨料的坚固性是指再生骨料抵抗气候或其他物理作用的耐久性，反映骨 料抵抗气候变化或其他因素作用下导致破损的能力，内因方面与母体的节理、孔 隙率、孔分布、孔结构及吸水能力等有关：外因方面与孔隙水的冻融膨胀能力有 关，对于有抗冻要求的混凝土所用的粗骨料以及路面材料，一般需要测定其坚固