高等级公路水泥混凝土路面材料的回收与再生利用

高等级公路水泥混凝土路面材料的回收与再生利用

李雄强

中交通力建设股份有限公司佛山分公司广东佛山528000

摘要：结合国道G359线高明段的路面改造工程经验，阐述了高等级公路水泥混凝土再生工艺，再生集料的技术要求，再生混凝土的配合比设计等，水泥混凝土面层经过技术处理，完全能满足高等级道路对基层的规范要求。混凝土路面材料的回收与再生利用是一项技术可行、环保的处置方式。

关键词：水泥混凝土；路面材料回收；再生利用

1前言

水泥混凝土路面到达其设计使用年限或由其他原因导致的损坏，若重新修建，旧混凝土的废弃物若不合理充分利用将带来巨大的环境问题。随着国家越来越重视环境和生产力协调发展，对环境保护越来越重视。“绿水青山就是金山银山”的观念越来越深入人心，废弃物如何妥善处理无疑是一个重要的问题。若对旧水泥混凝土路面进行再生利用，既可以节省大量地材资源和建设投资，又可以避免对环境的污染，实现资源的循环利用和社会的可持续性发展。

发达国家水泥混凝土的再生利用起源于二战后建筑物的重建。在我国，旧水泥混凝土路面的再生利用研究工作起步较晚，目前尚没有在实际工程中大规模的应用。由于目前我国地材资源趋于紧缺，旧水泥混凝土路面的再生利用在我国更具有紧迫性和必要性。

广东省作为我国的经济大省，早期修建的众多水泥混凝土路面状况日趋恶化，急于维修或重建。本文结合国道G359线高明段的路面改造工程经验，阐述了高等级公路水混凝土再生工艺，再生集料的技术要求，再生混凝土的配合比设计等，水泥混凝土面层经过技术处理，完全能满足高等级道路对基层的规范要求。

2工程概况

国道G359线高明区段为一级公路，双向4车道，现状为水泥混凝土路面，建成通车至今，车辆超载严重，原有水泥混凝土路面损坏严重，有较长路段连续破碎。现状道路为重交通荷载，公路技术状况指数评定等级为中。

旧路现状结构为24cm厚5.0MPa水泥混凝土面层+水稳基层+垫层结构，对旧路病害进行了现场调查，分析断板率、脱空率、路基含水率等数据后，对病害面积较大的路段水泥面板采用进行集中破碎，经处理后作为C25素混凝土基层使用，达到再生利用及环保的效果，面层则仍采用5.0MPa水泥混凝土，最后加铺两层沥青罩面的路面改造设计。

3.集中破碎再生技术

3.1破碎工艺

旧水泥混凝土路面挖除应采用对基层强度和结构无严重影响的设备，收集旧水泥板后就近设置破碎厂，应由1台初级颚式破碎机、1台辊式破碎机和1个筛分厂组成。集中破碎机械应具备两级破碎功能，并配备除尘和钢筋剔除装置，钢筋的剔除率不应小于95%，初级破碎后的混凝土碎块粒径宜为70~150mm。

3.2粗集料性能

粗集料以新集料与旧路水泥混凝土板再生料的混合料为主，新料掺加比例推荐达到30%～50%，再生料具体指标要求见下表：

粗集料质量要求

粗集料级配要求应满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/TF20-2015）的有关规定，具体指标要求见下表：

C25素混凝土的粗集料则由新集料和再生粗集料掺配而成。

新集料应使用质地坚硬、耐久、洁净的碎石，其标准不应低于《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/TF30-2014）表3.3.1中Ⅱ级的要求。粗集料不得使用不分级的统料，应按最大公称粒径的不同采用2～4个粒级的集料进行掺配。其质量技术指标应符合下表要求：

水泥混凝土粗集料质量要求

再生粗集料不得用于裸露粗集料的水泥混凝土抗滑表层，且使用出现碱活性反应的混凝土为原料破碎生产的再生粗集料不得使用，其标准不应低于《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/TF30-2014）表3.3.2中Ⅲ级的要求，其质量技术指标应符合下表要求：

再生粗集料质量要求

粗集料与再生粗集料应按混凝土配合比的公称最大粒径分为2～4个单粒级的集料，并掺配使用，其合成级配和单粒级级配范围宜符合《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/TF30-2014）表3.3.3中的要求。

3.3细集料

细集料应使用质地坚硬、耐久、洁净的机制砂，不使用再生细集料。使用的集料不应低于《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/TF30-2014）表3.4.4中Ⅱ级的要求。机制砂应检验砂浆磨光值，其值宜大于35，不宜使用抗磨性较差的泥岩、页岩、板岩等水成岩类母岩品种生产机制砂，其级配范围宜符合《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/TF30-2014）表表3.4.5的要求。

机制砂的级配范围

细集料的使用尚应符合下列规定：

①细度模数差值超过0.3的砂应分别堆放，分别进行配合比设计。

②采用机制砂时，外加剂宜采用引气高效减水剂或聚羧酸高性能减水剂。

3.4混凝土配合比设计

混凝土配合比设计应包括目标配合比设计和施工配合比设计两个阶段。目标配合比设计应确定混凝土的水泥用量、集料用量、水灰（胶）比、外加剂摻量。施工配合比设计应通过拌合楼试拌确定拌合参数。经批准的配合比在施工过程中不得擅自调整。

①目标配合比设计

目标配合比设计应对混凝土性能进行全面检验，并规定施工配合比设计与目标配合比设计的允许偏差。目标配合比设计应按下列要求进行：

a）根据原材料、路面结构及施工工艺要求，通过计算或正交试验拟定混凝土配合比的控制参数。

b）按拟定配合比进行实验室试拌，实测各项性能指标，选择混凝土的弯拉强度、工作性、耐久性满足要求，且经济合理的配合比作为目标配合比。

c）根据拌合楼（机）试拌情况，对试拌配合比进行性能检验和调整，直至符合目标配合比。

②施工配合比设计

施工配合比应符合目标配合比的实测数据，并应按下列要求进行：

a）施工配合比中的水泥用量可根据拌合过程中的损耗情况，较目标配合比适当增加5~10kg/m3。

b）根据目标配合比计算各种原材料用量，按照实际生产要求进行试拌。

c）进行混凝土的弯拉强度、工作性和耐久性检验，确定是否满足要求。

d）总结实验数据，提出施工配合比，确定设备参数，明确施工中根据集料实际含水率调整拌合楼（机）上料参数和加水量的有关要求。

当原材料变化时，应重新进行目标配合比和施工配合比设计与检验。目标配合比设计中，进行混凝土试拌时，粗、细集料应处于饱和面干状态。

除以上规定外，水泥混凝土配合比设计应符合《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTGTF30-2014）第4.2条文的规定。

3.5再生水泥混凝土铺筑

3.5.1再生水泥混凝土施工前应铺筑试验路段。试验路段长度不应短于200m。

3.5.2试验路铺筑应达到下述目的：

（1）确定拌和楼的拌和参数、实际生产能力和配料精度。

（2）检验混凝土的施工性能、技术参数和实测强度。

（3）检验铺筑机械、工艺参数及与拌和能力匹配情况。

（4）检验施工组织方式、质量控制水平和人员配备。

3.5.3拌和楼应通过动、静态标定检验合格后方可试拌。试拌应确定下列内容：

（1）每座拌和楼机的生产能力、施工配合比的配料精度，以及全部拌和楼（机）的总产量。

（2）计算机拌和程序及粗细集料含水率的反馈控制系统满足要求。

（3）合理投料顺序和时间、纯拌和与总拌和时间。

（4）拌合物坍落度、VC值、含气量等工艺参数。

（5）检验混凝土试件弯拉强度是否满足要求。

3.5.4用于试验段的拌和楼（机）试拌合格后，方可进行试验路铺筑。

3.5.5试验路铺筑时，应确定下列内容：

（1）主要铺筑设备的工艺性能、质量指标和生产能力满足要求；辅助设备的配合合理、适用；模板架设固定方式或基准线设置方式能够保证高程和厚度控制要求。

（2）实测试验路混凝土的松铺系数、摊铺速度、振捣时间与频率、滚压遍数、碾压遍数、压实度、拉杆与传力杆置入精度、抗滑构造深度、摩擦系数、接缝顺直度等。

（3）验证施工各工艺环节操作要领，确定各关键岗位的作业指导书。

（4）检测施工组织形式和人员配置合理性。

（5）通信联络、生产调度指挥及应急管理系统满足施工组织要求。

（1）应提交试验路的检查结果及总结报告，报告中应包括试验路所采用的工艺参数、检验结果、存在的问题及改进措施，明确正式施工时采用的施工参数。

（2）水泥混凝土路面试验路应经过建设单位组织的对各项施工质量指标的复检和验收，合格后，经批准，方可投入正式铺筑施工。

（3）符合本指南各项质量技术要求的施工工艺、流程和参数应固化为标准化的施工工艺模式，并贯穿施工全过程。

（4）试验路质量检验评定不合格，或未能达到预期目标时，应重新铺筑试验路。不满足质量要求的试验路段应进行返工处理。

（5）再生水泥混凝土弯拉强度应采用标准小梁试件评定，采用钻芯取样圆柱体劈裂强度换算的弯拉强度验证。检测标准小梁弯拉强度后，宜用试件完好部分实测劈裂强度与抗压强度。

（6）再生水泥混凝土弯拉强度合格评判应符合下列规定：

①当标准小梁与钻芯平均弯拉强度合格值、最小值和统计变异系数均符合规定者，通过弯拉强度评定。

②当局部路面标准小梁弯拉强度不足时，应每公里每车道加密钻取3个以上芯样，实测劈裂强度，重新换算弯拉强度，钻芯统计弯拉强度满足要求者，通过弯拉强度评定。

③标准小梁与钻芯均不满足要求者，应返工重铺弯拉强度不符合要求的局部面板。

④板厚应采用边缘的平均厚度、板中钻芯平均厚度及其变异系数三项指标综合判定，钻芯平均厚度应满足《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG∕TF30-2014）表13.2.1的规定，板厚统计变异系数应符合《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40-2011）表3.0.2的规定。

⑤当无损检测或单侧边缘检测发现局部板块厚度平均值不满足《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG∕TF30-2014）表13.2.1的规定时，应在该板中间钻芯，判明板厚不足区段。当局部面板平均板厚偏差超过《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG∕TF30-2014）表13.2.1极值时，应返工重铺。

⑥当弯拉强度或板厚不足、返工凿除面板时，应避免扰动。损坏的上基层、夹层或封层应重新铺设。

⑦应检测再生水泥混凝土特殊路段的摩擦系数。局部抗滑性能不足的路段，可重新打磨细观纹理和硬刻抗滑沟槽，进行摩擦系数与抗滑构造的恢复。

3.6再生水泥混凝质量验收

基本要求：

（1）再生水泥混凝土施工应建立健全的施工质量保证体系，对施工全过程进行全面的质量控制。

（2）应按铺筑工艺与进度要求，配备足量质检仪器设备和人员；施工各工艺环节的各项质量标准应做到及时检测，根据检测结果对施工进行动态控制，保证施工各项质量指标合格、稳定。

（3）再生水泥混凝土施工过程中应采取有效措施、严防出现质量缺陷。铺筑过程中发现质量缺陷时，应加大检测频率。必要时应停工整顿，查找原因，提出处置对策，恢复到正常铺筑工况和良好质量状态再继续施工。

4、路面结构计算分析

国道G359线高明区杨和跨线桥至迳尾段沥青路面设计使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通量Ne=1.89×107辆，为重交通等级；水泥路面设计年限内一个车道的累积当量轴次Ne=1.41×107次/车道，为重交通等级。

一级公路旧路面病害处治后加铺沥青路面，变异系数按中级考虑，可靠度系数取值1.20，旧水泥面板弯拉强度标准值为4.45MPa（左幅）、4.36MPa（右幅），弯拉弹性模量为29000MPa，接缝应力折减系数取0.87，板长取5.0m，水泥混凝土板泊松比0.15，最大温度梯度89℃/m，最大轴重200kN，根据现场弯沉检测试验计算的基层当量回弹模量为384.1MPa路面结构力学分析计算结果为：

旧混凝土面层荷载疲劳应力：2.536MPa

旧混凝土面层温度疲劳应力：0.459MPa

考虑可靠度系数后旧混凝土面层综合疲劳应力：3.59MPa（小于或等于旧面层混凝土弯拉强度）

旧混凝土面层最大荷载应力：1.903MPa

旧混凝土面层最大温度应力：1.309MPa

考虑可靠度系数后旧混凝土面层最大综合应力：3.85MPa（小于或等于旧面层混凝土弯拉强度）

满足路面结构极限状态要求的沥青混凝土加铺层设计厚度：100mm

（均小于左右两幅旧面层混凝土弯拉强度）

计算结果表明，基于上述路段的路面结构设计方案其受力满足旧路面剩余设计基准期16年的使用要求。

5结论

现在规范对水泥混凝土面层的厚度规定有越来越厚的趋势，一些发达国家如美国，高速公路水泥板厚度基本达到了28cm以上，未来面临的关于混凝土路面材料废弃物如何妥善处理无疑是一个重要的问题。水泥混凝土面层经过技术处理，完全能满足高等级道路对基层的规范要求。对旧水泥混凝土路面进行再生利用，既可以节省大量地材资源和建设投资，又可以避免对环境的污染，实现资源的循环利用和社会的可持续性发展，切实贯彻“绿水青山就是金山银山”的理念。

参考文献：

（1）中华人民共和国行业标准《公路水泥混凝土路面再生利用技术细则》（JTG/TF31-2014）；

（2）中华人民共和国行业标准《公路水泥混凝土路面养护技术规范》（JTJ073.1-2001）；

（3）中华人民共和国行业标准《公路路面基层施工技术细则》（JTG/TF20-2015）；

（4）广东省交通运输行业地方标准《广东省普通公路养护工程路面典型结构应用技术指南》（GDJTG/TH01-2015）；

中交通力建设股份有限公司《国道G359线高明区禄堂至迳尾段（原S113线K69+416～K110+882）路面改造工程》施工图修编设计（2018）；