（机械设计及理论专业论文）水泥混凝土路面再生技术及其设备的研究.pdf

摘要 废旧水泥混凝土路面的再生利用，变废为宝，节省能源、资源，符合可持续发展 的战略要求，有着重大的经济效益、环保价值和社会意义。 本文分析了水泥混凝土路面再生后材料的物理力学性能，提出了应用再生集料 后道路的合理结构，制定了水泥混凝土路面再生的施工工艺，研制了再生关键设备中 的专用工作装置，并进行了试验验证。通过理论分析和试验研究，针对再生混凝土材 料性能、道路结构和工程施工要求，旨在解决道路废弃( 旧) 水泥混凝土循环利用的 技术和设备问题，探求混凝土道路材料完全资源化循环利用的理论基础和方法，为实 际工程应用提供科学的依据。 论文研究的主要内容和结论是： ( 1 ) 对c 3 5 的路面废1 日水泥混凝土再生料样本按相关标准进行了性能试验，发 现再生粗集料的指标基本上达到规范中对粗集料技术要求的i l 级水平，再生细集料级 配、细度模数和密度接近天然中砂；对不同置换率的再生混凝土样本进行了路用性能 的试验，发现当再生粗集料掺量为7 5 左右、再生细集料掺量为3 0 左右、减水剂 掺量为0 8 时，再生混凝土可基本满足中等交通等级路面的使用要求。 ( 2 ) 以试验得到的较佳置换率的再生混凝土为路面材料，对再生混凝土道路的典 型结构进行了分析和计算，给出常用的复合式再生混凝土路面的结构；对于中等交通 等级的再生路面典型结构设计为2 0 c m 厚的再生混凝土下面层与8 c m 厚的普通道路混 凝土组成的复合式面板，提出采用双层滑模摊铺施工工艺，并在实验室进行了模拟实 验，验证了该路面结构及其双层摊铺成形的可行性。 ( 3 ) 通过对混凝土的受力特点及其断裂机理的分析，提出了对废旧混凝土面板打 孔胀裂的拆除方法及其工作装置，采用循环压研剪切破碎方法及其工作装置。 ( 4 ) 针对再生的混凝土集料的特点，提出采用振动搅拌制备再生混凝土，振动液 化使混凝土吸浆较充分，能使集料表面的微孔和微裂缝吸入或补充新的水泥浆，骨料 间形成致密的过渡区界面，使再生混凝土的性能得到改善。 关键词：再生混凝土路面；再生集料；复合式再生路面；胀裂拆除；压研破碎； 振动拌和：双层摊铺 a b s t r a c t t h ec y c l i cr e h a b i l i t a t i n gu s e dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti sa ne f f e c t i v ew a yt ot u m w a s t ei n t ow e a t h , t os a v ee n e r g ya n dr e s o u r c e ，a c c o r d i n gw i t ht h es t r a t e g i c a lr e q u i r m e n t s o fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t i t sc o n s i d e r a b l yb e n e f i c a lt oe c o n o m i cg r o w t h ，e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o na n dh a r m o n i o u ss o c i e t y t h et h e s i sa n a l y s e dt h ep h y i c a la n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a lr e c y c l e d f r o mt h eu s e dc e r m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，p u tf o r w a r dt h ep r o p e rr o a ds t r u c t u r e sm a d e w i t ht h er e c y c l e da g g r e g a t e s ，f r a m e dt h ec o n s t r u c t i o nf l o wo fc y c l i cr e h a b i l i t a t i n gc e r m e n t c o n c r e t ep a v e m e n t , d e v e l o p e dt h es p e c i a lw o r k i n gd e v i c e so fk e ye q u i p m e n t se m p l o y e di n r o a dr e h a b i t a t i o n ，a n dv e r i f i e dt h e mb ye x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a i m i n ga tt h er e c y c l e d c o n c r e t ep e r f o r m a n c e ，r o a ds t r u c t u r ea n dt e c h n i q u er e q u i r m e n t si nr e h a b i t a t i n g , t h ea u t h o r s e a r c h e da f t e rt h et h e o r e t i cb a s i sa n dt e c h n o l o g yo fc y c l i cr e h a b i l i t a t i n gc e r m e n tc o n c r e t e a sar e s o u r c eo fr o a dm a t e r i a lb yt h e o r e t i ca n a l y s i s i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i n g , a n d d e v o t e di n t os o l v i n gt h ek e yp r o b l e m so ft e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t sa p p l i e di nc y c l i c r e h a b i l i t i n gt h eu s e dc e r m e n tc o n c r e t ea b a n d o n e di nm a dd e m o l i s h i n g t h ep r o g r e s sa n d o u t c o m e si nt h i st h e s i sg a v er e f e r e n c ea n dp r o o ff o rt h ec y c l i cr e h a b i l i t i n gc e r m e n t c o n c r e t ep a v e m e n t sa n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ep r a c t i c e t h em a i nr e s e a r c hp o i n t sa n do u t c o m e si nt h et h e s i si n c l o u d ： ( 1 ) a c c o r d i n gt or e l e v a n ts t a n d a r d sf o rt h et e s tm e t h o d so fa g g r e g a t ea n dc o n c r e t e f o rh i g h w a ye n g i n e e r i n g , t h ea u t h o rt e s t e dt h ep e r f o r m a n c eo fs a m p l em a t e r i a lr e c y c l e d f r o mt h eu s e dc e r m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t sw i t hs t r e n g t hg r a d ec 3 5 ，a n dv e r i f i e dt h a tt h e i n d i c e so ft h er e c y c l e dc o a r s ea g g r e g a t e sb a s i c a l l ym e a s u r e du pt h eg r a d ei il e v e lf o rt h e o r i g i n a lc o a r s ea g g r e g a t e si nt h es t a n d a r e d ，t h a tt h eg r a d a t i o n ，f i n e n e s sm o d u l u sa n d d e n s i t yo fr e c y c l e df i n ea g g r e g a t e sw e r ec l o s et ot h o s eo fn a t u r a lm e d i u ms a n d t h ea u t h o r a l s ot e s t e dt h er o a dp e r f o r m a n c eo fc e r m e n tc o n c t r e t es a m p l e sw i t hd i f f e r e n ts u b s t i t u t i o n r a t i oo fr e c y c l e da g g r e g a t e s ，a n df o u n dt h a tt h er e c y c l e dc e r m e n tc o n c r e t ec a nf u l f i l lt h e r e q u i r e m e n t so ft h em e d i u mt r a f f i cg r a d ep a v e m e n tw h e nt h er e c y c l e dm a t e r i a ls u b s t i t u t i o n r a t ei nt h ep r o p o r t i o n i n go fc o n c r e t ew e r e7 5 r e c y c l e dc o a r s ea g g r e g a t e s ，3 0 r e c y c l e d l i f i n eo n e sa n d0 8 s u p e r p l a s t i c i z e r ( 2 ) c h o s i n gt h er e c y c l e dc o n c r e t ew i t hp r e f e r a b l es u b s t i t u t i o nr a t ea st h ep a v e m e n t m a t e r i a l ，t h ea u t h o ra n a l y s i s e da n dc a l c u l a t e dt h et y p i c a ls t r u c t u r eo fr e c y c l e dc o n c r e t e p a v e m e n t , a n dg a v et h ep r o p o s t i o n a ls t r u c t u r e so fc o m m o nc o m p o s i t e dr o a d at y p i c a l s t r u c t u r eo fc o m p o s i t e dp a v e m e n tf o rm e d i u mt r a f f i cg r a d ew a sa n a l y z e da n dd e s i g n e d , a n di tw a sat w o - l a y e r e dc o n c r e t es a l bw i t h2 0 - c m t h i c ku n d e d a y e ro fr e c y c l e dc o n c r e t e a n d8 - c m t h i c ku p p e rl a y e ro fo r d i n a r yc o n c r e t e t ob u i l dt h ec o m p o s i t e dr e c y c l e d c o n c t e r ep a v e m e n te f f i c i e n t l y , t h ea u t h o rp u tf o r w a r dt oa d o p tt h et w o - l a y e r e ds l i p f o r m t e c h n i q u ea n da d a p tt h ec o m m e r c i a ls l i p f o r mp a v e ri n t ot w o - l a y e r e do n e b ys i m u l a t i n g t w o - l a y e r e dp a v i n gi nt h el a b o r a t o r y , t h ea u t h o rp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h et y p i c a l s t r u c t u r ea n di t st w o - l a y e r e dp a v i n gt e c h n i q u e ( 3 ) b a s i n go nt h es t r e s sc h a r a c t e r i s t i c u n d e rl o a da n df l a c t u r i n gm e c h a n i s mo f h a r d e n e dc o n c r e t e ，am e t h o do fd o m e l i s h i n gu s e dc 2 r m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tb yc r a c k i n g c o n c r e t es l a bi nas p l i t - i n - h o l ew a yw a sd i s c u s s e d , a n di t sd e v i c e sw e r ec a l c u l a t e da n d d e s i g n e d a l s oat e c h n o l o g yo fc r a s h i n gc o n c r e t ep i e c e si nac i r c u l a r l ys q u a s h i n g - m i l l i n g w a y w a sp u tf o r w a r d ，a n dap r o t o t y p eo ft h es p e c i a lc r u s h e rw a si n v e n t e d ( 4 ) d i r e c t e da g a i n s tt h ef e a t u r e so fr e c y c l e da g g r e g a t e sc o n c r e t e ，t h ea u t h o re m p l o y e d t h ev i b r a t i o nm i x i n gt op r u d u c er e c y c l e dc o n c r e t e ，a n dp r o v e dt h a tv i b r a t i o nc a na c c e l e r a t e r e c y c l e da g g r e g a t e st oa d s o r bc e r m e n ts l u r r yf u l l y , a n df o r c et h ec e r m e n tm o r t a rt os w i m i n t ot h et i n yh o l e sa n dc r a n n i e s ，r e s u l t i n gi nf o r m i n gc o m p a c ti n t e r p h a s et r a n s i t i o nz o n e i n s i d et h ec o n c r e t e t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c e so ft h er e c y c l y e dc o n c r e t ew e r ei m p r o v e d k e y w o r d ： r e c y c l e dc o n c r e t ep a v e m e n t ，r e c y c l e da g g r e g a t e s ，c o m p o s i t e dr e h a b i l i t a t e d p a v e m e n t ，s p l i t - i n - h o l ed o m e l i s h i n g , s q u a s h m i l lc r a s h i n g , v i b r a t i o nm i x i n g , t w o - l a y e r e dp a v i n g i i ! 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 年月日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 年月日 年月日 长安大学博士学位论文 第一章引言 1 1 选题的背景及意义 一个世纪以来，社会生产力的极大提高和经济规模的空前扩大，创造了前所未 有的物质财富，这一切极大地推动了人类文明的进程。然而，自然资源的过度开发与 消耗、污染物的大量排放，导致了全球性的资源短缺、环境污染和生态破坏。 因此，走可持续发展的道路，成为新世纪的重大命题。联合国( 2 1 世纪行动议 程把走可持续发展的道路作为各国未来长期共同的发展战略。我国为此提出了建立 可持续发展的十大技术体系，并把资源节约化、能源清洁化、废物资源化、环境无害 化列为十大技术体系之首。2 0 0 7 年1 月5 日，我国交通部翁孟勇副部长主持召开“资 源节约型、环境友好型交通发展模式研究 专题会议，确定了“材料节约与循环利用一 的专项行动计划；同年3 月交通部科教司组织有关省份交通厅研讨公路建设材料节约 与循环利用的科技示范工作，制定了 材料节约与循环利用专项行动计划工作方案； 5 月，科教司又召开了资源节约与环境保护新技术研讨会；6 月，交通部颁发了关 于组织实施材料节约与循环利用专项行动计划通知。毫无疑问，作为一个国家“经 济命脉打的公路交通事业，在与资源、能源和环境关系日益密切的今天，她的可持续 发展显得尤为重要。 当前，我国在政府制定的中长期科教兴国与可持续发展战略指引下，正处于大力 发展基础设施并带动相关产业的快速发展阶段，如西部大开发中的交通建设和环境保 护与治理等。在此背景下，提出“水泥混凝土路面再生技术及其设备的研究 ( s t u d i e s o nt e c h n i q u ea n de q u i p m e n to fr e c y c l i n go fc o n c r e t ep a v e m e n t ) 这一课题，旨在解决 道路拆除废弃( 旧) 水泥混凝土作为再生资源循环利用的技术和设备问题，既具实用 性，又有前瞻性。 人类进入2 0 世纪以来，社会在人口增长幅度、工业化程度和居住城市化速度方 面的发展是以前各个世纪无法比拟的，为了众多人口高质量的生存，人们在道路、桥 梁、房屋及其配套设施和公众服务体系上从事了规模庞大的土建活动。其中混凝土 ( c o n c r e t e ) 成为世界上目前用量最大的建筑材料，每年要消耗自然界大量的资源， 仅2 0 0 0 年【，我国水泥混凝土的用量就达到2 0 亿m 3 。一般混凝土工程使用年限约 为5 0 - - - 1 0 0 年，我国五六十年代修建的大多数混凝土工程已经损坏，由于翻修、改造、 第一章引言 扩建以及天灾人祸等原因使我国城市每年生产的固体垃圾高达3 亿m 3 历年积存量 已达到6 0 多亿t ，其中3 0 4 0 来自建设过程中或者旧建筑物维修、拆除中产生 的建筑垃圾。如图1 1 所示。而建筑垃圾中约有3 4 的废i n 水泥混凝土块。 图1 1 圆体废弃物和建筑垃圾陋处可见 近二十年来，世界范围内城市化过程加快，对原有的建( 构) 筑物拆除、改造的 工程量日增，使得美国、日本年废弃混凝土量都超过了3 0 0 0 万t ，俄罗斯面临改造 5 0 6 0 年代建成的钢筋混凝土建筑，已造成大量的废弃混凝土，在1 9 9 7 年莫斯科就 有4 2 万t 。全世界从1 9 9 1 2 0 0 0 年的加年问，废弃的混凝土总量已超过1 0 亿一。 根据h e n d r i k s 的报道，欧盟国家现在每年排放约2 亿吨建筑旌工和拆除旧建筑的垃 圾，预计1 0 年后还要翻番。u c h i k a w a 估算出日本在1 9 9 2 年产生的建筑废料约为8 6 0 0 万t 其中1 ，3 ，即2 9 0 0 万t 是废弃混凝土，1 2 0 0 万t 已用作道路基层的骨料，其余 的只能露天堆积起来，这些都给环境造成了不容忽视的负荷和影响。2 1 世纪初是我 国混凝土结构破坏的高峰期。随着人们环境意识的增强以及混凝土用量的增加，建筑 业中开始对混凝土废料再利用问题高度重视。除了环境保护以外，天然骨料资源的保 护、废料堆积场所短缺和废料堆积费用的上升，都是将废弃混凝土作为再生资源重新 利用的重要原因。 与建筑物同样。道路使用至其寿命年限或者其他原因破坏时( 如路面结构设计不 合理、施工措施不当、超载服役或者养护不及时等) ，路面的损坏将不可避免。2 0 0 6 年5 月1 8 日交通部发布的( 2 0 0 5 年公路水运交通行业发展统计公报表明闭，截止 2 0 0 5 年底，我国已建成公路总里程1 9 2 1 0 6k m ，水泥和沥青2 种高级路面逾4 5 1 0 5 l 血，其中水泥混凝土路面2 4 余万k m ，占总里程约5 3 ，加上城市道路水泥混凝土 路面9 万多k m ，公路和城市水泥混凝土路面总里程约3 4 万k m ，且仍以每年约2 万 长安大学博士学位论文 k m 左右的速度增长；在已建成的4 1 x 1 0 4 1 咖高速公路路面中，水泥混凝土路面约占 2 0 ，超过8 0 0 0 k m 。 圈1 0 需要翻任或重建的破损和受灾水泥混凝土路面 目前，我国早期修建的混凝土道路已经陆续进入大、中修期，部分路段因为损害 严重而需要进行改造、重建( 如图1 2 所示) ，一般的做法是挖除并废弃旧的混凝土 面层，修补基层后再重新铺筑，而拆除的旧混凝土往往作为建筑垃圾被丢弃。从现在 起全国每年有1 0 左右的混凝土路面需要翻修，每年废旧水泥混凝土的废弃量已达到 5 0 0 万t ，废日沥青混合料达3 0 0 万t 。并且还在逐年增长。旧混凝土作为废料丢弃， 产生巨量的建筑垃圾，由于水泥混凝土属于无机材料、耐久性较好，不会像有机物一 样自然分解，如果这些为数巨大的废旧混凝土块和沥青混合料不做任何处理，废弃掉 将会造成永久性污染，而且堆放时还要占用大片的土地。以往处理废1 日混凝土的方法 是把它作为建筑地盘工程的填料，但是随着城市建设标准的提高，地盘工程几乎已经 不允许、或者仅能用很少一部分废旧混凝土作为填料，加上环境保护标准的严格要求， 特别是在城市，处理这些废料成了十分棘手又耗费资金的问题j 。另外，修建道路 所需的集料开采，一般是开掘山体表层风化的岩石，通过爆破和机械作用把原状岩石 破碎而作为租集料，或者淘挖河川两岸冲刷淤积的天然卵石沙砾得到粗细集料。由于 所需集料量大，这样将导致大面积的山体被开挖，大面积的植被遭到破坏，众多河流 两岸水土地质结构被破坏，许多桥墩堤坝的安全受到威胁，造成人类生存环境上不可 预料的损失和隐患。而且，运输和处理废料带来巨大经济浪费，天然集料的开采和运 输带来巨大的人力和物力的浪费，导致经济和社会总体效益下降唧。 第一章引言 水泥混凝土路面的破损维护问题一直是困扰我国公路界的难题，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。研究水泥混凝土路面的重建和 再生技术，使现有已损坏的水泥混凝土路面得到快速有效的改造重新使用，解除困扰 多年的旧水泥混凝土路面改造和维修难题，无疑将对其发展带来巨大的推动作用【2 】。 传统的道路改造修复方式已经导致社会效益、经济效益的下降以及社会资源的浪费， 需要用新的技术进行整体改进。如果把破除的旧水泥混凝土在施工现场破碎，作为粗 集科再次利用将产生明显的社会和经济效益，避免了社会资源的浪费。因此，对废旧 水泥混凝土的再生利用刻不容缓，对水泥混凝土路面的再生技术研究成为当务之急。 在我国，国土面积大，资源总量较高，在一定时期内混凝土原材料的危机似乎还 不突出，但由于分布很不平衡，部分地区因为过度开采砂石已经造成资源枯竭、环境 和地表的破坏1 6 l 。在西部，由于建设急需，许多省份出现了农民毁田挖砂、凿堤取石 的现象，震惊全国的陕西境内陇海铁路线上灞河桥的倒塌就是由于过分采挖河床砂石 导致桥墩失稳造成的。在建筑工程中，尤其是公路建设中，混凝土的耗用量巨大，其 中砂石集料又居首位。长期以来，由于砂石集料来源广泛易得，价格低廉而不受重视， 被认为是取之不尽的原材料而随意浪费。目前，全世界混凝土的年产量约为4 2 亿l n 3 ， 中国占世界总量的4 7 ，已达2 0 亿m 3 ，预计到2 0 1 0 年可能超过2 5 亿m 3 。混凝土 原材料中的粗细集料约占混凝土总量的7 5 ，全世界每年需要粗细集料约3 0 亿m 3 ， 其中中国约需1 4 亿m 3 ，几年后可能超过2 0 亿m 3 ，如此巨大的用量，终有一日天然 粗细集料将攫取殆尽! 西部开发，资源为重，再不可滥采和浪费。保护环境，合理配置，才能保持生 态平衡；基础建设，道路先行，只有做到材料的循环利用，才能持续稳定发展1 1 2 国内外水泥混凝土及其路面再生利用的发展概况 水泥混凝土再生利用( r e c y c l i n g & r e u s i n g o fc e m e n tc o n c r e t e ) 是将废弃混凝土 制造成混凝土集料后又重新用于混凝土的一种物质资源的循环方法。资料显示，水泥 混凝土的再生利用是人类在2 0 世纪后半叶才开始的，虽然再生利用的研究历史比起 水泥混凝土的发明应用要晚的多，但是迫于环境、资源的压力，世界上许多国家已经 对水泥混凝土的再生利用技术展开了研究，并得到比较广泛的应用。 水泥混凝土路面( c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ) 以其具有刚度大、强度高、载荷 扩散能力强、对油类等大多数化学物质不敏感以及有较强的抗侵蚀抗灾害能力，而且 4 长安大学博士学位论文 材料来源广泛、施工工艺及设备相对简单、建成初期养护管理费用较低等优点，被各 国公路建设者作为一种主要的路面型式。由于交通建设规模的不断扩大，造成道路建 筑材料的需求量和获得成本的日益增加，促成了固体废料( s o l i dw a s t e ) 在道路工程 的再生利用技术的发展，同时也推动了水泥混凝土路面的再利用行为。人们对因破损、 毁坏、严重病害而丧失行车功能的废弃路面尝试通过各种方法进行整治以恢复其使用 性能，或者对路面废弃材料试图进行处理使其能重新应用到新路面结构中。 1 2 1 国外水泥混凝土及其路面再生利用情况 废弃水泥混凝土( d e m o l i s h e dc o n c r e t e ) 的再利用最早始于欧洲，二战结束以后， 出于重建家园的需要，一些发达国家开始对废旧建筑物料、废弃混凝土的再生利用展 开了研究。1 9 7 6 年，以当时的西德、比利时和荷兰为主成立了“混凝土解体与再利 用委员会 ，开始研究废弃混凝土的消化与再生利用，并且将废弃混凝土再生骨料用 于高速道路等实际工程。在1 9 7 8 年，n i x o n 在 材料与结构的实验研究上发表了 题为“可预见的再生集料混凝- ! - ( r e c y c l e dc o n c r e t ea sa na g g r e g a t ef o rc o n c r e t e a r e v i e w ) 打的署名文章门，之后陆续有更多的研究者发表了水泥混凝土的再生利用方 面的研究成果【8 _ 1 5 1 。随着战后重建工作的完成，混凝土的再生利用研究和运用曾一度 处于停顿状态。到2 0 世纪踟年代，由于许多地方因自然条件缺乏工程建设中配制混 凝土所必需的碎石材料，混凝土的再生利用再次引起了人们的注意。美国从1 9 8 2 年 开始将混凝土废弃物( w a s t ec o n c r e t e s ) 作为混凝土的粗、细集料( c o a r s ea n df i n e a g g r e g a t e 又称粗、细骨料) ，之后日本也开始废弃混凝土再生利用研究。至今世界 上已召开多次有关废混凝土再生利用的专题国际会议，提出混凝土必须绿色化【1 6 1 7 1 。 废旧混凝土资源化再利用技术已成为发达国家的热点研究课题，有些国家还以立法形 式来保护此项研究应用的开展。 1 2 1 1 废弃混凝土的再生利用 一般说来，废弃混凝土的处理方法主要是填埋和再生利用，随着可利用土地的日 渐缺乏，以及与填埋方案有关的其他问题如选址、运输、装卸费用和公众的反对等原 因，使废弃混凝土的再生循环利用成为一种富有生命力的方案，从而获得了广泛的关 注，特别是在集料( a g g r e g a t e ) 缺乏的国家和地区通过这种方案可以保存天然资源， 另外对于那些废弃混凝土数量巨大的工业化国家，这种方案也很有吸引力。在德国、 5 第一章引言 荷兰和比利时，废弃物资再生率已达5 0 以上。在瑞士，自2 0 世纪7 0 年代以来， 废弃物再生产业一直在发展，6 0 的拆除废料( d e m o l i t i o nm a t e r i a l s ) 获得再利用。 目前，再生集料( r e c y c l e da g g r e g a t e s ) 在国外的应用主要在下列方面：( 1 ) 大 量的填筑；( 2 ) 在排水工程中做基层；( 3 ) 在道路工程中做基层或者面层材料；( 4 ) 拌制新混凝土。尤其是在路面施工中，再生集料已经获得了大量的应用。这是因为破 碎后的混凝土块具有合适的路用性能，而且旧路面的混凝土很少有杂质污染，一般都 符合质量要求，优于其他的建筑物拆除废料。再生骨料在其他方面也有一定的应用， 如防洪堤和码头的填筑、复合地基和桩基、抛石护坡、道渣、屋面粒砂、过滤床、蓄 热池、声障等【堋。 我们的东邻日本，是个人口非常密集的国家，可以用来进行建筑施工的面积仅为 8 ，因此，日本政府和水泥混凝土领域的研究人员在城市废弃混凝土的再生利用和 工业垃圾等应用方面投入了大量的资金和精力，取得了很多突破性进展。1 9 7 7 年日 本政府制定了再生骨料和再生混凝土使用规范，并相继在各地建立了以混凝土废 弃物为主的再生加工厂，生产再生水泥和再生骨料。1 9 9 2 年日本建设省提出了“控 制建筑副产品排放和建筑副产品再利用技术开发的5 年规划，并于1 9 9 6 年1 0 月制 定了旨在推动建筑副产品再利用的“再生资源法 ，为废旧混凝土等建筑副产品的再 生利用提供法律和制度保障1 1 9 】。研究人员u c h i k a w a 估算出日本在1 9 9 2 年产生的建 筑废料约为8 6 0 0 万t ，其中1 3 ，即2 9 0 0 万t 是废弃混凝土( d e m o l i s h e dc o n c r e t e ) ， 1 2 0 0 万t 已用作道路基层的骨料，其余的只好堆存起来1 2 0 , 2 。2 0 0 0 年，日本颁布实 施了若干有关循环和再生利用不同工业废弃物的法律，对日本工业的不同领域提出了 可持续发展和生态材料的要求。2 0 0 2 年1 0 月在我国上海举行的第五届水泥与混凝土 国际会议上，日本东京加c h i 技术学院的s h i g c y o s h in a g a t a k i 教授在“混凝土循环集 料利用评价打一文中介绍，现在的日本每年产生4 亿t 的工业废弃物，其中1 9 来自 建筑业，而建筑业的废弃物中，有4 1 来自水泥混凝土。目前日本的城市废弃混凝 土作为混凝土集料被利用制备道路基础材料，利用率几乎达到1 0 0 。随着混凝土废 弃物的增加以及道路建设项目的减少，在未来1 0 年中，日本将发展有效的循环利用 技术，再利用这些废弃物作为循环集料用于混凝土中，或在水泥生产中作为环境友好 型的替代物代替石灰石【2 2 1 。 6 长安大学博i 学位论文 在美国、俄罗斯、澳大利亚和欧洲 一些国家将废弃混凝土主要用于公路 建设( 如图1 3 ) 。主要是基于经济方 面的考虐，因为对废旧混凝土的再生利 用可以有效地减少运距，用相对便宜的 再生骨料代替部分天然集料可以大大 降低工程造价。当前再生骨料主要用于 路面基层、路肩、多孔粒料填方，用于 新建水泥混凝土面层的情况很少。 潭 幽瞄隔 黔鬻瓢 7i 邕隧 图1 3 废弃混凝土在欧洲用于公路建设材料 1 9 世纪年代初，美国密歇根州交通厅开始利用再生混凝土骨料r c a ( r e c y c l e d c o n c r e t e a g g r e g a t e s ) 重建立几条州际高速公路【埘。1 9 8 5 年，美国堪萨斯州交通厅开 始进行再生骨料( r e c l a i m e d a g g r e g 毗e s ) 的研究，回收废旧混凝土作为集料用于新建 水泥路面1 1 2 1 。佛罗里达州交通厅试图使破碎的废旧混凝土在最大程度上得到利用，因 而在改建路面的施工现场对其进行再生利用嘲。之后俄亥俄州交通厅也对r c a 在刚 性路面中的应用展开了研究l u 2 s 。新墨西哥州立大学通过室内试验研究了再生骨料基 层在重复挠曲荷载下的弹性模量和疲劳特性1 2 6 1 。在俄罗斯，o 锄蛐鲫大学的研究者 着重研究了再生骨料混凝土( r e c y c l e da g g r e g a t e sc o n c r e t e ) 的配合比设计以及新拌 再生骨料混凝土的特性。确定出随着再生骨料含量的不同，混凝土的弹性模量和韧度 的变化规律，测定了再生骨料混凝土的密实度以及新拌再生骨料混凝土的和易性等特 性1 2 7 , 2 8 1 。在澳大利亚从上个世纪年代末，悉尼与墨尔本等城市开始利用再生骨 料( 如图1 4 ) 。目前，据 估计悉尼每年有大概4 0 万 t 废旧混凝土( d e m o l i t i o n c o n c r e t e ) 被再生利用，墨 尔本则有3 5 万t 2 9 1 。在格 里菲思大学，研究人员把抗 压强度从1 5 7 5 m p a 的废 旧混凝土破碎后，重新组合 图i a 澳大利亚就地再生利用废旧棍凝土 成符合基层材料规范要求的级配，制各再生骨料混凝土( r e , c y c l e d c r u s h e d c o n c r e t e ) 。 所有研究结果表明：只要生产出的再生骨料能始终满足质量标准，则完全可以作为一 第一章引言 种基层或底基层材料【删。在荷兰，代夫特理工大学进行的再生骨料的研究重点在于确 定无机结合料中掺有再生骨料时，其特性与级配、混合料组成等因素的关系【3 1 l 。在意 大利，a n c o n a 大学研究人员从建筑毁损废弃物( d e m o l i t i o nw a s t e ) 的片块中回收碎 石，并将这些碎石作为混凝土的骨料完全代替天然骨料来制备混凝土1 1 7 】。 在德国，每年人均拆除的废混凝土约为0 3 t ，这一数字在今后几年还会继续增长。 目前在德国再生混凝土主要用于公路路面，德国l o w e rs a x o n g 的一条2 6 c m 厚的混凝 土公路采用了再生混凝土。现在德国有望将8 0 的再生骨料用于1 0 - 1 5 的混凝土 工程中【3 1 1 。 1 2 1 2 水泥混凝土路面的再利用 水泥混凝土路面再生的实践是伴随着废旧混凝土回收再利用一起发展的，笔者以 再生技术比较成熟的美国开始，对国外一些发达国家的路面再生利用情况概述如下： 1 8 9 6 年，美国在俄亥俄州修建了一条8 英尺( 2 4 m ) 宽条状混凝土试验路，从 此揭开了混凝土路面业在美国的历史。2 0 世纪初期，美国的混凝土路面主要分布在 乡村道路和城市街道上，也曾在修建军用或商用机场的道路中给以考虑。今天，超过 6 0 0 万公里的高速公路、干道、乡道和街道共同组成了被认为是世界上最发达、安全 和繁忙的美国道路网，对个人交通、商业运输和生活方式的改善，肩负着举足轻重的 作用。但目前面临着许多挑战。例如，许多混凝土路面现在承受着高于初始设计值3 5 倍的荷重；服务年限超过设计年限几年多至十年以上的情况也四处可见【3 2 j 。 在美国，尽管集料总贮量丰富，但其分布不均造成局部短缺，一些地区，集料运 距超过3 2 2 k m ，运距在8 0 - - - 1 1 2 k m 的十分常见。为了节省投资，近年来，大量使用 就近可回收利用的旧料用于公路工程的基层结构中，尤其是路面重建项目中采用混凝 土再生技术，大幅度减少了运输和处理成本。美国的许多公路机构、科研单位甚至私 人组织一直在从事固体废弃物在道路建设中应用的研究，内容涉及到固体废弃物再生 制品的性能、可行性、环境的适应性以及加工工艺等，这些研究力图将社会对废弃物 安全经济处理的需求同道路建设对材料性能与价格的比值的需求结合起来，目标是既 能化废为宝，又能节省建设成本。2 0 世纪7 0 年代末，美国衣阿华州曾进行了一项最 大的破除钢筋混凝土工程，即破碎一段长2 5 k m 、宽5 4 m 、厚2 5 c m 的钢筋混凝土路 面。当时使用了包括柴油机冲击锤在内的可移动设备，将路面破坏成尺寸约为6 0 c m 见方的块体，露出钢筋后再用液压手提剪断机处理。形成的废弃混凝土块用电动铲车 装入汽车运往设置于距道路两端8 k m 处的颚式破碎机上破碎，初破至最大尺寸 8 长安 学博士学位论文 7 5 m m ，再破至9 5 3 8 m m ，将小于9 5 m m 的作为细骨科。此项破除路面工程的生产 率为1 6 0 0 m 2 d ，破除工程历时4 个月。总计获得1 5 万t 粗骨料和1 7 万t 细骨科，用 于道路改建工程，同时回收金属3 6 0 t 1 3 0 l 。如图l j 所示。 图l j 美国破除路面工程中回用再生集科的生产 近年来美国对固体废料在道路工程的再生利用技术已获得了长足的进展，并被广 泛用于高速公路施工中。据美国联邦公路局统计，目前，美国已经有超过2 0 个州的 公路建设中采用了再生骨料；2 6 个州允许将再生骨料作为基层材料；4 个州允许将再 生骨料作为底基层材料。将再生骨料应用于基层和底基层的2 8 个州级机构中，有1 5 个制定了关于再生骨料的规范n 7 1 。其中的密歇根州在1 9 8 3 年从一条长约9 k m 的高速 公路路面上破碎已劣化的混凝土用作骨料生产混凝土建造了新路面之后，陆续使用再 生骨料重建了几条州际高速公路；俄克拉荷马州的俄克拉荷马市内州际高速公路i 加东段1 2 5 k m 的重建项目采用再生技术后比预算节省7 0 万美元。 美国公路水泥混凝土路面的再利用技术有两种类型：一类是现场再利用技术。破 碎或粉碎现有路面，然后将破碎或粉碎后的路面用作新路面结构中的基层或底基层。 破裂压密法和破碎压密法是两种常用的现场再生技术方法。破裂压密法将严重破坏的 混凝土路面破裂成0 0 9 0 2 8 m 2 大小的碎块，压密后摊铺罩面；破碎压密法将现有混 凝土路面破碎成最大粒径为1 5 p a n m 碎石，压密后再摊铺罩面。两种方法的目的都是 为了防止产生反射裂缝。水泥混凝土罩面和沥青混凝土罩面均可在使用此方法处理过 的表面上摊铺。另外一类是集料厂再生技术。包括旧水泥混凝土路面的现场破碎、装 载、运输，然后在中心料厂破碎成用于新水泥混凝土路面的集料。该集料也可用于新 路面机构中的稳定或非稳定基层，或者新水泥混凝土混合料。尽管这两种技术均包括 现有水泥混凝土路面的再利用，但通常认为现场再利用不是真正意义上的混凝土再生 技术，而将其划归为非粘结罩面的表面处理技术。而对于集料厂再生技术通常称为混 凝土再生( r c c y c l i n go f c o n c r e t e ) 技术。这种再生及利用过程包括三个步骤：( 1 ) 破碎和清除破损路面，并集中运往中心料厂进行加工处理；( 2 ) 将块料破碎处理、 第一章引言 剔除钢筋、筛分、加工生产出再生集料；( 3 ) 再生集料使用，在路面重建中使用再 生集料。1 9 7 0 1 9 8 0 年期间这三个步骤中的各项技术得到了显著提高，路面清除与 加工设备的最新进展，为经济地破碎路面，生产再生集料提供了有利的条件。使用再 生集料方面取得的重大成果是再生集料开始在新建路面面层混合料中的