（道路与铁道工程专业论文）旧水泥混凝土路面再生利用及拓宽技术研究.pdf

摘要 旧水泥混凝土路面再生利用及拓宽技术研究 研究生：肖益民导师：黄晓明学校名称：东南大学 摘要 旧水泥混凝土路面改造是公路工程领域内的一大技术难题，从总体趋势看，再生利用型 技术是发展的主流方向。然而，目前应用中存在应用标准混乱、应用条件难以界定等问题， 给技术方案选择带来不确定因素，加之不少改造工程有拓宽要求，使得改造中路面结构选用 困难，技术难度大幅度增加。 再生利用技术可分为：材料再生和结构再利用两种类型。其中，材料再生以旧水泥混凝 土路面集料再生技术为代表，而结构再利用则主要以冲击压实和碎石化为代表。通过分析各 技术的适用条件和特点，给出了材料再生与结构再利用的关键标准是基层和路基状况，提出 以基层裂缝间距大于等于4 0 c m 和路基c b r 大于等于1 5 为其分界，满足要求则进行结构再 利用，否则进行材料再生，进一步以公路等级和路基c b r 划分冲压和碎石化的适用范围。 结合合宁路工程集料再生应用，对再生集料的性能进行了室内试验研究，主要集中在： 再生集料的性能指标、再生集料作水稳基层主料时的性能、再生集料作级配碎石主料时的性 能等三个方面，通过试验提出了再生集料的应用控制指标与标准。 新加宽路基作为附加荷载作用于老路路肩上，新老路基出现不同程度的竖向和水平方向 的位移，容易造成路基路面的破坏。采用有限元方法对路基拼接后的路基表面和地表的变形 特性进行研究，得出加宽路基填筑引起的路基表面差异沉降曲线，并与现场实测数据进行对 比分析。随后分析了加宽路基几何参数( 宽度和高度) 、加宽路基填料性质( 刚度和重度) 、 地基性质( 刚度) 等因素以及土工格栅的应用对加宽变形的影响。随后分析了新老路面在差 异沉降影响下的受力状况以及加宽结合部在行车荷载作用下的受力情况分析，为结构组合优 化提供理论基础。对高等级公路拓宽工程必须采取有效的措施，减小路基的差异沉降，满足 设计要求，路基的处治措施主要有：提高新路基的压实度、采用新型路基材料、路基结合部 开挖台阶、铺设土工格栅等。 结合合宁高速公路改扩建工程，以设计路面结构为基础，拟定了6 种加铺结构和3 种加 宽结构，分析了在拟合的差异沉降曲线下路面结构的受力状况，对比旧板块带裂缝直接加铺， 以结合部最不利受力为标准，明确了拓宽情况下路面结构组合优化的基本原则。然后进行了 路面结构组合的优化分析，通过不同结构组合的受力分析对比，确定了冲压和碎石化合理的 控制要求，提出了结构再利用时的加铺结构组合优化要求，结合拓宽、加铺两方面的结构组 合优化原则，提出了碎石化后加宽加铺的路面结构优化方案。 最后，针对施工中旧路基开挖情况下的交通安全问题进行研究，提出了安全控制交通的 标准曲线，更好保证施工期安全。 关键词：水泥混凝土路面；路面改造；拓宽；再生利用；结构组合；再生集料 摘要 t e c h n i q u e r es e a r c ho fs t r u c t u r e r e u s e ， ma i t e r i a lr e g e n e r a t i o na n dw i d e n i n gi no l d p o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t ei ，a v e m e n t r e c o n s t r u c tp r o j e c t s n a m e ：x i a oy i - m i nt u t o r ：h u a n gx i a o - - m i n g u n i v e r s i t y ：s o u t h - e a s tu n i v e r s i t y a b s tr a c t t h er e c o n s t r u c t i o no fo l dp a v e m e n to fc e m e n tc o n c r e t ei sad i 衔c u l tt e c h n i c a lq u e s t i o n , a n dt h e r e u s ea n dr e g e n e r a t i o ni st h em a i nd i r e c t i o n a tp r e s e n t t h ea p p l i c a t i o ns t a n d a r d sa n dc o n d i t i o n so f t e c h n i c sa r eu n c l e a r , i tb r i n g su n c e r t a i ni n f l u e n c e s ，a d d i t i o n a l l y , m a n yp r o j e c t sh a v et h ew i d e n i n g d e m a n d i tm a k e st h ep r o b l e mm o r ed i 伍c u l t yt os o l v e t h er e u s ea n dr e g e n e r a t i o no fo l dp c cc a nb ed i v i d e di nt w ot y p e s ：m a t e r i a lr e g e n e r a t i o na n d s t r u c t u r er e u s e g r a v lr e g e n e r a t i o n , i m p a c tc o m p a c t i o na n dr u b b l i z a t i o na r et h em a i nt h r e et e c h n i c s t h r o u g hc o m p r a s i o n t h ec r i t i c a ls t a n d a r da b o u tc o u r s el a y e ra n dr o a d b e da r eb r o u g h tf o r w a r d t h e y a r ec r a c kd i s t a n c ea n dc b r 、h e nc r a c kd i s t a n c ea n dc b ra r en o tl e s st h a n4 0 c ma n d1 5 t h e s t r u c t u r er e u s et y p et e c h n i cc a nb eu s e d ，o t h e r w i s e ，m a t e r i a l r e g e n e r a t i o ni s m o r es u i t a b l e ， f u r t h e r m o r e i m p a c tc o m p a t i o na n dr u b b l i z a t i o nc a nb es e l e c t e db yt h eg r a d eo fh i g h w a ya n d r o a d b e dc b r ， c o m b i n eh e - n i n gp r o j e c tw i t hr e c y c l e da g g r e g a t ea p p l i c a t i o n s ，p a i r so fr e c y c l e da g g r e g a t e p e r f o r m a n c eo f t h ei n d o o rp i l o ts t u d yf o c u s e do n ：r e c y c l e da g g r e g a t ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ， r e n e w a b l ef o rw a t e r - s t a b l ea g g r e g a t e sd u r i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h eg r a s s r o o t sm a i nm a t e r i a l s ， r e c y c l e da g g r e g a t ef o rg r a d e dg r a v e lp e r f o r m a n c ew h e nt h et h r e em a i nm a t e r i a l s ，t h r o u g ht e s t i n g p r o p o s e dt h ea p p l i c a t i o no fr e c y c l e da g g r e g a t ec o n t r o lt a r g e t sa n ds t a n d a r d s t h en e ww i d e n e dr o a d b e da sa na d d i t i o n a ll p a do nt h eo l dr o a ds h o u l d e r s n e wa n do l dr o a d b e d t h e r ea r ed i f f e r e n td e g r e e so fv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t 1 i k e l yt oc a u s ed a m a g et ot h e r o a ds u b g r a d e t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o df o rs p l i c i n gr o a d b e da f t e rt h ed e f o r m a t i o no ft h es u r f a c e a n ds u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c ss t u d yf o u n dt h ew i d e n i n go f t h er o a d b e df i l l i n gc a u s e db yd i f f e r e n c e si n t h es u r f a c es e t t l e m e n tc u r v e a n dw i t ht h em e a s u r e dd a t aw e r ea n a l y z e d f o l l o w e db ya na n a l y s i so f t h ew i d e n e de m b a n k m e n tg e o m e t r yp a r a m e t e r s ( w i d t ha n dh e i g h t ) ，w i d e nt h er o a d b e df i l l e r p r o p e r t i e s ( s t i f f n e s sa n ds e v e r e ) ，g r o u n d b a s e dp r o p e r t i e s ( s t i f f n e s s ) a n do t h e rf a c t o r s ，a sw e l la st h e a p p l i c a t i o no fg e o g r i dd e f o r m a t i o no ft h ew i d e n i n gi m p a c t f o l l o w e db ya na n a l y s i so f t h e d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e o l da n dn e wp a v e m e n ti nt h es e t t l e m e n to ft h ef o r c eu n d e rt h ei n f l u e n c eo f s i t u a t i o na n dw i d e nt h ei u n c t i o ni nt h er o a dl o a df o r c eu n d e rt h es i t u a t i o na n a l y s i s ，i no r d e rt o p r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rs t r u c t u r i n ga n dp o r t f o l i oo p t i m i z a t i o n p a i r so fh i g h g r a d eh i g h w a y w i d e n i n gp r o j e c tm u s tt a k ee f f e c t i v em e a s u r e st or e d u c et h ed i f f e r e n c e si ns u b g r a d es e t t l e m e n t t o m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h er o a d b e dt r e a t m e n tm e a s u r e sa r e ：t oi m p r o v et h en e ws u b g r a d e i i i c o m p a c t i o n ，u s i n gan e w r o a d b e dm a t e r i a l ，w i t ht h em i n i s t r yo fr o a d b e de x c a v a t i o nl e v e l ，s u c ha s l a y i n gg e o g r i d o nt h eb a s i so fh e n i n gh i g h w a yr e c o n s t r u c t i o np r o j e c t ，u s i n gf i n i t ee l e m e n tm o t h o d s ，u n d e r t h ec o n d i t i o no fs t r u c t u r er e u s e ，c o m b i n i n gt h ew i d e n i n ga n do v e r l a p p i n ga f t e rb r e a k i n g ，t h e d i f f e r e n c eo fs e d i m e n t a t i o ni s a n a l y z e d r e f e r e n c et od e s i g n e ds t r u c t u r e s ，s i xs t r u c t u r e sf o r o v e r l a y i n ga n dt h r e ef o rw i d e n i n ga r ec o n f i r m e d ，c o m p a r e d 州t hd i r e c t l yo v e r l a y i n go no l dc r a c k s l a b ，t h em e c h a n i c ss i t u a t i o n su n d e rf i t t i n gc u r v eo fs e d i m e n ta r ec o m p u t e d ，w i t ht h es t r e s so f c o m b i n e dp a r t ，t h em a i np r i n c i p l e so fs t r u c t u r ec o m b i n a t i o na r em a d ec e r t a i n t h e n ，t h r o u g ht h e s t r e s sc o m p a r i s o no fd i f f e n e n td i s p o s i n gm e t h o d so fo l ds l a b ，t y p i c a lp a v e m e n ts t r u c t u r ea r e i m p r o v e d ，c o n t r o l l i n gr e q u e s t s a r e b r o u g h tf o r w a r d f i n a l l y ，c o m b i n i n gt h ew i d e n i n g a n d o v e r l a y i n gr e q u e s t s ，t h es t r u c t u r e sf o rr u b b l i z a t i o na r eo p t i m i z e d a tl a s t ，t h es t e e f i n gs a f e t yr e q u e s t su n d e rr o a d b e dd i g g i n gc o n d i t i o na r ea n a l y s e d k e y w o r d s ：p a v e m e n to fc e m e n tc o n c r e t e ( p c c ) ；p a v e m e n tr e c o n s t r u c t i o n ：w i d e n i n g ； r e g e n e r a t i o na n dr e u s e ；s t r u c t u r ec o m b i n a t i o n ：r e g e n e r a t e dg r a v e l i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：壶纽 导师签名： e l 期：啦 第一章概述 1 1 问题的提出 第一章概述 水泥混凝土路面是公路路面结构重要型式之一，与沥青路面相比，其最突出的优点是 使用寿命长，初期维修养护费用低。但这些优点在我国目前的公路交通条件下，却因为其 对重载超载更敏感而不复存在。 我国上世纪九十年代建成的很多二级及其以上公路水泥混凝土路面都已进入大修改造 期，每年的工程建设任务和压力巨大，而相应的改造技术方案目前呈现出多元化的趋势， 相关技术的研究进展程度不一，面向实际工程时，还没有一套针对旧路不同实际状况提出 的系统技术体系。这种状况可能导致我国目前的公路旧水泥混凝土路面改造具体工程存在 以下技术风险： ( 1 ) 技术体系不完整，可能对不同的旧路状况采用单一改造技术，旧路资源利用率低 或技术应用效果差： ( 2 ) 加铺的路面结构设置不合理，新路面结构使用年限缩短或早期病害严重。 以上两个问题都会带来经济上的极大浪费，也会给公路技术部门造成负面的社会与环 境影响。 本文以合( 合肥) 宁( 南京) 高速公路改扩建工程为依托，重点围绕其旧水泥混 凝土路面的处治方式、拓宽加铺结构组合选择及其他相关技术问题展开研究，力图为同类 工程提供系统的旧水泥混凝土路面结构与材料再生利用的方案参考，为旧水泥混凝土路面 改造技术体系的完善服务。 1 1 1 水泥混凝土路面使用期维护基本过程 水泥混凝土路面病害的出现有其自身规律，相应的养护对策也不同。国外在出现轻微 病害，如：接缝处剥落、轻微裂缝与板底脱空等病害时，可通过局部修复方法来恢复其结 构与行驶性能，并防止这些病害的进一步发展，常用的方法有压浆、半深锯切填缝、全深 锯切与传力杆功能恢复、局部板块移除重新浇注、交叉补丁( c r o s s s t i t c h i n g ) 等。通过这 些措施可恢复路面结构整体性、防止水份下渗，延缓整个路面病害继续发展，延长路面使 用寿命。早期发现病害并合理应用这些局部修补措施是非常经济有效的，较理想情况下， 延长的路面寿命甚至可超过l0 年。 当水泥混凝土路面病害发展越过初始阶段，出现快速增长趋势，或通过历年的调查资 料分析表明，局部修补已不能有效阻止病害发展时，可考虑的措施是直接加铺。加铺结构 可采用水泥混凝土路面，也可采用沥青路面。采用水泥混凝土路面时，新旧路面的结合性 质是需要确定的重要因素。根据原路面状况好坏可分别采用结合式双层板和分离式双层板 的结构形式。结合式双层板在工艺上的要求较高，对原板块表面的处理是成败关键，国内 采用这种加铺方式的工程实例不多。加铺沥青路面时，反射裂缝隐患成为最主要的考虑因 素。常采用的技术措施包括：设置应力吸收层( s a m i ) 、设置过渡层、加铺各种士工加筋 材料或加铺较厚的半刚性基层等，但其技术方案决策困难，应用效果不稳定，长期性能难 以保证，应用需慎重。 以上措施都是在旧路基层以下较为稳定、病害发展不太严重情况下，利用混凝土路面 剩余强度、延长路面使用寿命的有效措施。但联系到我国目前交通状况，实际采用这些措 施时往往只能在很短时间内维持使用性能，当路面病害发展到无法依靠上述养护方式恢复 功能时，就需要考虑对旧水泥混凝土路面处治后的改造。 东南大学博士学位论文 1 1 2 旧水泥混凝土路面再生利用的必要性 在水泥混凝土路面使用期末，病害严重阶段，采用其它措施已不能保证路面使用性能 时，必须进行路面改造。 ( 1 ) 旧水泥混凝土路面改造技术的发展概况 直至上世纪末，我国实际工程中的旧水泥混凝土路面改造措施仍然以旧路病害维修后 的直接加铺新路面结构为主，为保证加铺路面使用寿命，往往采用较厚的( 如：两层以上) 加铺基层，如：双层4 0 e m 的水稳碎石层。该技术方案存在的问题： 旧水泥混凝土路面降格为底基层甚至垫层，其结构与材料都没有在新路面中充分发 挥其效能，某种程度上是一种资源浪费： 在旧水泥混凝土路面基层以下稳定性较差时，厚的新基层也只能起到延缓对位裂缝 发展过程的作用。 其他代表性改造技术措施包括：破碎移除后重建、铺设应力吸收层后加铺新路面等。 这些技术方案的缺点如下： 大量能源消耗和废弃材料可能的不利环境影响( 移除方式) ； 加铺结构的使用寿命可能难以保证( s a m i 为代表的隔离方式) ； 资源浪费( 采用较厚的加铺基层时) 。 世纪之交，随着研究与应用的发展，新的技术改造手段不断出现，以资源再生利用为 主要特点的技术不断出现，如：冲击压实、碎石化、集料再生等，这些技术可分为两种类 型：结构再利用型、材料再生型，前两者属于结构再利用型，而后者则属于材料再生型， 它们都能做到对旧水泥混凝土路面的充分利用，其加铺结构设计也更可靠。 ( 2 ) 旧水泥混凝土路面再生利用的必要性 结构再利用型技术的必要性 水泥混凝土破碎后，可能的处理方式有两种：一是移除，二是原位利用。 移除的成本很高，而且往往造成对环境的不利影响，破碎后板块也不适宜直接作为新 路面结构的基层或底基层。原位利用町解决以上问题，一方面充分利用旧路面结构强度、 降低成本，另一方面也不会对环境造成不良影响，是进行水泥混凝土路面重建的最佳手段 之一。该类方式的代表性技术是：冲击压实和碎石化。 破碎会降低水泥混凝土路面的平均强度，但在破碎后结构层上进行加铺可有效消除差 异沉降、降低反射裂缝发生概率，提高加铺结构可靠性。加铺层可采用沥青路面也可采用 水泥混凝土路面，从国内外工程情况看，以加铺沥青路面为主，同时国内高等级公路采用 沥青路面结构的占绝大多数，本文与实际工程相结合，主要研究沥青加铺层的典型结构组 合型式。 旧水泥混凝土破碎程度是需要把握的重要标准，并不是越细、碎越经济，m s 1 7 中提 出了破碎标准确定示意 碹碎p ( 簟块的有麓接t 图1 - 1 破碎后有效模量( 与粒径相关) 的适宜范围 图1 1 表示，混凝土路面破碎需要在结构性降低和反射裂缝风险增高之间寻求平衡。适 2 第一苹概述 宜的破碎后有效模量应使反射裂缝可能性降低到一定程度，在此基础上应尽量保证原混凝 土板块结构性。破碎后有效模量是与破碎后颗粒粒径密切相关的，所以存在一个合理的破 碎后粒径区间，能使有效模量达到适宜范围。 旧水泥混凝土路面集料再生型技术的必要性 近年来的研究与实践证明，来自废旧路面的再生集料及混凝土用于道路结构层有效而 可行。集料化再生是一种最彻底的路面重建手段。它将旧水泥混凝土路面拆除、旧混凝土 可以经破碎形成再生集料( r c a ) ，筛分级配后，加入结合料( 二灰、水泥等) 拌和成为稳 定土、贫混凝土及再生混凝土，根据性能再重新用于修筑基层、底基层甚至面层。 在旧水泥混凝土路面基层出现松散、土基出现浸水软化等情况时，破碎施工中可能会 出现以下情况： a 、板块破碎效果欠佳：因下卧层软弱，板块破碎程度无法控制或破碎后板块无法稳固 在路基上； b 、破碎后基层及其以下材料的含水量无法得到有效改善，在破碎过程中，功率较大的 设备甚至会引起高含水量路基的滑移或失稳。 在这些情况下，有必要采用集料再生技术，在旧板处理后，可对下部材料进行处治， 然后加铺新结构，再生的集料可作为新路面材料使用，节约大量石料。 1 1 3 旧水泥混凝土路面再生利用的困境与本文研究目标 虽然以冲击压实、碎石化和集料再生为代表的旧水泥混凝土结构再利用与材料再生技 术在工程中已有一定应用，但仍存在以下难题： ( 1 ) 这些技术的适用条件不明确，具体工程应用时无法合理选择方案组合； ( 2 ) 在应用某一技术时，对不同基础旧路条件应如何适应性调整控制指标与标准还不 清楚； ( 3 ) 部分技术的研究仍不完善，如：集料再生后的性能与指标等，需要进一步研究； ( 4 ) 不同破碎技术和破损程度对加铺结构组合有何要求尚不明确； ( 5 ) 旧路加宽是常出现的情况，与旧水泥混凝土路面改造结合时，如何保证加宽、加 铺结构整体使用寿命是亟待解决的难题。 为此，本文希望结合合宁高速改扩建工程，通过各项技术的研究与应用集成，达成以 下主要目标： ( 1 ) 建立以冲击压实、碎石化和集料再生为主体的旧水泥混凝土路面系列改造技术体 系，明确各自应用标准和决策策略： ( 2 ) 研究再生集料的应用指标与标准； ( 3 ) 明确破碎再利用情况下，适宜的加铺结构组合； ( 4 ) 结合拓宽要求，优化加铺结构组合； ( 5 ) 提出破碎技术应用中的施工程序与交通安全策略。 1 2 合宁高速扩建工程概况及主要技术特点 1 2 1 旧路状况 合宁高速公路是安徽省通向江苏、上海等经济发达地区的主要快速通道，也是安徽省 高速公路网中的大动脉。于1 9 8 9 年建成通车，其中安徽段全长1 3 3 3 k m ，为全封闭全立交 四车道高速公路，是我国最早、最长的一条水泥混凝土路面高速公路，曾被交通部评为“全 国十大公路重点工程第三名”。 由于车流量日益增大，到2 0 0 2 年平均昼夜交通量已达1 7 3 万辆，水泥混凝土路面在使 用过程中，在重车和环境因素的作用下，路面出现不同程度的唧泥、坑洞、断板、错台、 接缝破损等病害。随着使用年限的增长，导致路面结构破坏加剧，路面使用功能骤降。 东南大学博士学位论文 为了确定合理的改造方案，高速公路进行改造前需要对原有路面的路况进行调查和评 价，以小西冲段为主要对象。合宁高速公路小西冲段( 1 4 k + 4 1 0 - - 1 7 k + 2 0 0 ) 设计标准为双向 四车道，道面和硬路肩均采用水泥混凝土路面形式。路面结构如表1 1 所示。 表1 1 合宁高速公路路面结构 耋里 堑盟 壁堕生型 面层水泥混凝土 2 4 基层水泥稳定基层 1 8 底基层石灰土 2 0 1 2 2 改造的技术特点 合宁路原为水泥混凝土路面，0 2 年开始，因交通量增加快速，路况逐步变差，进行了 第一次大修改造，改造中主要应用冲击压实技术，加铺沥青路面，也有部分路面未改造， 或未进行破碎而直接加铺。 0 6 年开始，对合肥段4 3 5 k m 左右路段进行第二次改扩建，原路面从双向四车道改造为 双向八车道，因0 2 年改造影响，旧路面结构复杂，具体包括： ( 1 ) 旧路面直接加铺了沥青层； ( 2 ) 旧路面冲压后加铺了沥青层； ( 3 ) 旧路面未进行处治。 在加宽部分，其路基采用石灰处治弱膨胀土填筑，加宽部分路面结构与旧路面结构按 分道设计采用不同路面结构，路面上部层次的厚度相同且统一铺筑。 综合而言，此次合宁路合肥段改造技术特点如下： ( 1 ) 路基路面加宽，必然引起差异沉降； ( 2 ) l i d 路面拟进行碎石化，但又有前次改造冲压破碎段落，情况复杂； ( 3 ) 旧路局部区段路况较差，破碎原位利用可能性低，需考虑集料再生方式； ( 4 ) 新路面结构需在加宽、加铺两种条件下满足未来的使用性能要求。 1 3 旧水泥混凝土路面再生利用研究与应用现状 旧水泥混凝土路面再生利用分为材料型、结构型两大类，同时结构再利用型其加铺结 构组合是难点，与加宽问题相结合时更加复杂，现将相关研究与应用概况分别介绍如下。 1 3 1 集料再生研究及其应用 目前，再生集料根据性能主要有以下几种利用形式： ( 1 ) 再生粗细集料加入稳定材料拌和后用于修筑基层( 贫混凝土、水泥处治粒料基层的 骨料) 、底基层( 级配碎石、水泥处治砂砾) 和垫层( 砂砾) 等。 ( 2 ) 再生集料加水泥、化学添加剂以及部分新集料等拌合后用作路面面层。 ( 3 ) 再生集料加沥青等热拌后用作路面面层。 国内对于再生集料的应用目前还处于探索阶段，其中经济性是影响和阻碍再生集料大 规模应用的主要原因之一，特别是公路沿线料源充足的情况下。然而，对集料再生的经济 分析应结合资源、环境等方面因素来综合考虑：一方面，生产新材料不但需要消耗大量的 天然资源，而且会造成自然环境的恶化；另一方面，废弃、填埋混凝土不仅占用了大量的 土地，增加了外运费用，而且污染环境。将废弃混凝土作为再生集料资源加以重新利用， 不仅能够解决天然混凝土集料资源紧缺的问题，而且有利于环保。 上世纪五十年代以后，美国、日本、澳大利亚和欧洲一些国家逐步重视旧水泥混凝土 路面再生利用，r c a 可有效减小运距，并且，用相对便宜的r c a 代替部分天然集料，可以 相应降低材料费用，避免占用土地资源。 ( 1 ) 国外研究现状 4 第一章概述 经过多年研究与应用，国外废旧混凝土集料再生技术已基本成熟，开发出多种现场移 动破碎、筛分设备，澳大利亚d s b 公司、r u b b l em a s t e r 公司以及日本住友建机制造 株式会社开发的产品最具有代表性。不少国家制定了相应的规范，如：美国、澳大利亚、 比利时、加拿大、法国、日本、英国、荷兰、西班牙等，其规范一般侧重于再生集料的级 配、磨耗值和纯度等方面。 美国已有超过2 0 个州在公路建设中采用r c a ，2 6 个州允许将r c a 作为基层材料，4 个州允许将r c a 作为底基层材料。将r c a 应用于基层和底基层的2 8 个州级机构中，有1 5 个制定了关于r c a 的规范。美国佛罗里达大学进行了环道加速试验，测试含有r c a 的路 段在实际荷载作用下的性能：首先对r c a 和天然集料的物理性质分别进行了室内试验，然 后按照6 种不同的配合比制成水泥混凝土试件，测试其抗压强度、抗拉强度、抗弯强度。 在9 个试验路段中，4 个为不同厚度r c a 基层上修筑柔性路面，另外5 个是r c a 基层上修 筑刚性路面，9 个路段均作用有连续双轮荷载，研究r c a 在典型路面中的特性。研究表明： r c a 具有同天然集料类似的优良性能，并能基本满足混凝土集料的规范要求【2 l 。 在荷兰，代夫特理工大学进行了r c a 研究，重点是无结合料基层中掺有r c a 时，其 特性与级配、混合料组成等冈素的关系。大量三轴试验结果表明：( 1 ) 若级配中细料含量 大，则表现出较大的粘结力，粘结力也受养护时间、级配组成等因素的影响，而所有的影 响因素中，压实度对粘结力的影响最大；( 2 ) 高r c a 含量导致模量值的增大，养护时间也 会对其产生一定影响，而最大的影响因素仍然是压实度；( 3 ) 抵抗永久变形的能力主要受 级配、压实度、混合料组成等因素的影响，其中，压实度产生的影响最大，混合料组成次 之，级配影响最d , t 3 1 。 俄罗斯o s m a n g a z i 大学的研究者着重研究了r c a 混凝土的配合比设计以及新拌混凝土 的特性，确定出随r c a 含量不同，弹性模量和韧度的变化。研究发现，r c a 混凝土的的密 实度表现出与普通混凝土相反的特性，r c a 混凝土的密实度小于普通混凝土。新拌r c a 混 凝土和易性较低，这是由于r c a 的高吸水性引起的。随着r c a 含量在混合料中的增大， r c a 混凝土的抗压强度和弹性模量都逐渐减r 1 x 4 。 从2 0 世纪8 0 年代末开始，澳大利亚墨尔本和悉尼等城市开始利用r c a 。据估算，悉 尼目前每年大约有4 0 万吨旧混凝十被再生，墨尔本则每年有3 5 万吨。在格里菲思大学， 研究人员把抗压强度从l5 7 5 m p a 的旧混凝土破碎之后，重新组合成符合基层材料规范要 求的级配。三轴试件在压实后承受一天的重复荷载试验表明，旧混凝土的抗压强度、r c a 中软弱物质含量和r c a 的片状指数对回弹模量有重要影响，其中最重要的是破碎的结合料 中软弱物质和片状物质含量。所有研究结果表明，只要生产出的r c a 能始终满足质量标准， 则完全可以作为一种基层或底基层材料。研究人员认为r c a 的性能完全可以与用作基层材 料的天然集料相媲美。与其他材料相比，良好级配的r c a 在较低的偏应力下甚至有更高的 回弹模量，这是由于r c a 混合料存在未水化水泥。研究还发现，混凝土的抗压强度和混合 料中软弱物质含量对回弹模量和永久变形有重要影响【5 j 。 日本由于特殊的地理位置和资源条件，在再生水泥混凝土的开发利用上投入了大量的 人力和物力，取得了一系列国际领先的成果。日本对于建筑垃圾的主导方针是：尽可能 不从施工现场排出建筑垃圾：建筑垃圾要尽可能地重新利用：对于重新利用有困难的 则应适当予以处理。规定建筑施工过程中的渣土、水泥混凝土块、沥青水泥混凝土块、木 材与金属等建筑垃圾必须送往“再生资源化设施”处理。日本水泥协会开发出废弃水泥混 凝土再生使用的新技术，其再生水泥混凝士的寿命与普通水泥混凝土大体相同。使用这种 用废弃水泥混凝土再生材料制成的再生水泥混凝土无需新碎石作骨架，仅新加水泥成份， 再生材料可全部用来制造水泥混凝土。这不仅能有效地解决水泥混凝土的废弃问题，而且 能减少因采石给自然环境所造成的破坏。 ( 2 ) 国内研究现状 目前，我国对r c a 的研究尚处于起步阶段，对旧混凝土的回收利用还未引起人们足够 东南大学博士学位论文 的重视，只有极少数机构和单位对r c a 的性质和应用做了初步研究，结论与国外研究基本 一致。合宁( 合肥南京) 高速公路在改扩建前的养护工程中采用r c a 作为新拌混凝土 的集料来浇注混凝土路面，合宁高速公路改造前每年路面维修工程量约为9 万1 0 万平方 米，产生旧混凝土约3 万4 万立方米。用r c a 代替天然集料，r c a 的利用率为8 0 ，每 年的维修工程量为9 万1 0 万m 2 ，则节约集料的运输费用为1 1 7 万1 3 0 万元。同时，节 省了废料占用的土地费用约6 7 万7 5 万元。这样既节省了大量的养护资金，又有利于环境 保护，获得了良好的社会经济效益【6 j 。 ( 3 ) 主要研究成果 r c a 的基本性质 r c a 在饱和面干状态下的比重比天然集料要小。这可能因为r c a 表面附着的旧混凝土 砂浆具有较低的密度；r c a 的吸水率远远高于在相同状况下的天然集料，二者之间明显的 区别可能是由于r c a 表面附着的旧混凝土砂浆具有较高吸水率引起的；r c a 具有轮廓分 明的边界，多棱角，因而有较高的面积体积比。r c a 的表面纹理粗糙且多孔，这也是由于 其表面附着的旧砂浆造成的；将r c a 分等级后可以满足不同粒径集料的要求。从工程实际 来看，配制良好级配的r c a 满足规范要求并不困难。 ( g ) r c a 基层性质 良好级配的r c a 在较低的应力下与其他材料相比有更高的回弹模量。这可能是由于 r c a 表面附着有未充分水化的水泥粉末所致；r c a 通常表现出很高的l b r 值，说明r c a 满足规范对基层承载能力的要求，提供了很好的稳定性。对于天然集料，最大密度的级配 几乎不透水，而r c a 砂浆中空隙数量很多，由于空隙体积的存在，在压实后表现出比天然 集料相对更小的密度，并且有较高的渗透系数；r c a 可以在压实前后保持同样的级配，由 于旧水泥砂浆的密度较低，压实后的r c a 比天然集料的密度要低；塑性指数越低，则细料 表现出来的强度越高。所有r c a 试样都是非塑性的，因而能满足规范要求；由于破碎颗粒 的利用，基层中存在大量颗粒之间的嵌锁作用，以提供稳定性，r c a 的获得方式决定了它 在这方面的优势。r c a 中不存在过多的细长颗粒和片状颗粒。 1 3 2 结构再利用研究及其应用 ( 1 ) 冲击压实技术 国外概况 冲击压实设备在国外得到了广泛的工程应用，但应用范围相对狭窄，主要针对软弱地 基浅层处理、特殊土质回填压实等公路与大坝工程，起到减小沉降、提高承载能力的作用。 如：南非的t r a n sk a l a h a r i 高速公路等。博茨瓦纳曾采用冲击压实设备处理砂土路基可能失 稳的问题。澳大利亚曾采用冲压工艺处理运河堤岸，防止水份流失、减少道路侵蚀。香港 新机场工程曾采用冲压设备对基础进行施工，因其影响深度较大，且适应的颗粒范围较广， 并且能起到很好的验证碾压作用( p r o o f - r o l l i n g ) ，预防局部病害的发生。 而应用在水泥混凝土路面破碎方面则几乎没有资料报道。 国内概况 国内对冲压设备及其工艺的研究集中在以下四方面： ( 1 ) 冲压设备的模拟与仿真； ( 2 ) 冲压设备的冲压功率、压实力或牵引力计算； ( 3 ) 冲压设备应用于路基压实； ( 4 ) 冲压设备应用于水泥混凝土路面破碎。 冲压设备模拟与仿真主要针对设备的试制，以机械设计与制造为目标。 冲压设备牵引力、功率、压实力方面，大都按经典力学理论，分析冲压过程中的能量 与压实力，如：何柏岩等发表的文章：三边形压实轮运动与能量分析，通过多项式描述冲 压轮外形进行分析，得出了冲压轮总能量公式。还有一些文章用拟静态有限元分析方法， 6 第一苹概述 计算了不同冲击能情况下，冲压设备与普通设备的压实情况，结论认为：将冲击压实与吨 位相近的拖式振动压路机的压实效果对照，前者铺层厚度大，作业速度大；在同样的铺层 厚度下，要达到相同的压实度冲击压实需要的碾压遍数少，如：苟桂枝等发表的论文：冲 击压实机压实效果的理论分析。 应用于旧水泥混凝土路面破碎方面有：卢辉等发表的论文：冲击压实旧水泥混凝土路 面的现场振动测试；李昶等发表的论文：冲击压实与m h b 类设备对水泥混凝土路面破碎 效果的对比等，分别从冲压波动的传递及与m h b 碎石化设备的对比方面，介绍了冲压工艺 的应用效果。 1 0 4 国道泰安段，即泰安至曲阜一级公路改造工程。原路面结构为2 4 c m 水泥混凝土路 面，设计荷载为标准轴载。1 日路面采用五边型冲击压实机破碎，作为新建路面结构底基层， 采用1 8 c m 水泥稳定碎石基层和1 5 c m 沥青面层或1 2 c m 人粒径沥青碎石基层和9 c m 沥青面 层两种加铺结构。2 0 0 3 年通车，至今路面状况优良。 2 0 5 国道( 新线) 天长段，即宁连公路安徽天长段改造工程，原路面结构为水泥混凝土 路面，设计荷载为标准轴载。旧路面采用s p 1 0 型五边型冲击压实机破碎，作为新建路面 结构底基层，然后加铺水泥稳定碎石基层和水泥混凝土面层结构。通车半年后的路面状况 优良。 3 2 3 国道广东省南雄市附城至始兴县交界段修复工程。原水泥混凝土路面建成于1 9 9 4 年，部分路段是在原沥青路面上铺筑。经过多年使用，混凝土路面出现破碎、断裂、沉陷、 脱空等严重病害，混凝土路面平均断板率达到3 9 ( 最大5 1 ，最小2 3 ) 。采用单轮式四 边形冲击压实机平均冲压8 遍，再撒布约l c m 厚的石屑填缝振压，并开放交通碾压；底基 层采用1 5 c m 厚4 水泥稳定碎石，设计弯沉值l1 8 ( 0 0 1 m m ) ；基层采用1 5 c m 厚5 水泥 稳定碎石，设计弯沉值6 3 ( 0 0 1 m m ) ；下面层为5 e m 中粒式沥青混凝土，上面层采用4 c m 细粒式沥青混凝土。该工程于2 0 0 2 年9 月开工，同年1 2 月完成下面层的施工，于2 0 0 3 年 6 月完成沥青混凝土上面层的施工。自通车以来，路面在部分路段，主要是高填方路段，出 现纵向、横向裂缝。 ( 2 ) 碎石化技术 国外概况 国外水泥混凝土路面碎石化工艺应用很广泛，如美国从七十年代末、八十年代初开始， 因大范围水泥混凝土路面损害的出现，碎石化工艺逐渐发展起来。事实上，碎石化工艺的 发展与一个国家的机械制造水平是分不开的。我国以前及现在采用的施工机械，美国在其 碎石化工艺发展的早期也应用过，但其设备不断发展和改进，碎石化的效果也不断提升。 目前，美国的碎石化( r u b b l i z a t i o n ) 、打裂压稳( b r e a ka n ds e a t ) 和打碎压稳( c r a c ka n ds e a t ) 共同构成了对i e t 水泥