再生水泥稳定碎石基层工程应用研究
摘要
为实现半刚性基层无机回收料（RAI）的再生利用，采用水泥作胶结材料，利用厂拌冷再生技术将RAI用于水泥稳定碎石基层，依托某普通省道大修工程，进行了RAI的预处理、性能评价、再生水泥稳定碎石混合料（再生混合料）设计，比选了三种压实方法，实施了再生基层的施工。
结果表明，相较于天然碎石，长期服役后的RAI具有更高的吸水性、更低的抗压碎能力；选用振动、旋转压实方法确定了再生混合料的压实特性参数、水泥剂量及无侧限抗压强度，其压实能力高于重型击实（静压）法，可作为再生混合料性能增强的一种技术方案；再生混合料的拌合及养生是关键，可通过RAI预拌合、拌合时加强级配检验、摊铺时及时查补等措施提升再生基层均匀性，本工程实施的再生基层满足技术要求。
一、背景
无机结合料稳定类基层是长期以来我国沥青路面主要的基层结构形式，经长期服役后，高速公路及普通国省道的大中修、改扩建工程均面临基层材料的再生利用问题。
目前《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521—2019）将沥青路面回收料分为沥青混合料回收料（RAP）和无机回收料（RAI），其中RAI再生可考虑厂拌冷再生、就地冷再生技术。厂拌冷再生使用水泥/石灰无机结合料、泡沫沥青+无机结合料作为结合料，相比于就地冷再生，厂拌冷再生技术生产的再生水泥稳定碎石（再生混合料）质量可控制性强、再生混合料基层（再生基层）整体性能更优。但不同与天然碎石，RAI表面覆盖旧水泥砂浆，长期服役、回收工艺均可能造成RAI产生破碎或裂缝，其抗压碎能力低于天然碎石、吸水性较高，这与混凝土再生骨料相似。RAI的这种特性可能进一步造成再生混合料力学强度、路用性能与常规水泥稳定碎石混合料的差异，因此，RAI用于再生基层时面临着性能增强的技术问题。
本工程位于南方某省某普通省道二级路，路面宽度为10.5m，原沥青路面结构见图1a，原沥青路面经近十年运营后产生车辙、破损、坑洞等病害。工程于2020年8月进行大修，并考虑将RAP、RAI进行再生利用，以节省材料、避免浪费。大修设计路面结构方案见图1b，RAP采用厂拌热再生技术用作下面层，RAI采用水泥作胶结材料通过厂拌冷再生技术用于上基层。
二、试验材料
（一）基层回收料和石灰岩集料
RAI来源于本工程水泥稳定碎石上基层，外观见图2，RAI表面被旧水泥砂浆覆盖，且部分旧碎石颗粒黏连在一起。石灰岩集料共四档。筛除RAI中大于31.5mm部分，RAI和石灰岩集料的粒径分布见表1。进一步将RAI筛分为0-5、5-10、10-30 mm三档，依据《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）检测RAI、石灰岩集料的基本物理力学性能指标，见表2。表中数据表明，与石灰岩集料相比，RAI的表观密度较低，降低幅度约为6%，吸水率和压碎值均较高，提高幅度约为302%、59%。可见，RAI的吸水性强，抗压碎能力有所降低。
（二）配合比设计
考虑到本工程水泥稳定碎石拌合站仅有四个冷料仓，RAI实际工程中未采用筛分处理，仅作为一档添加，这可能会导致再生混合料生产时矿料级配波动较大的情况。
因此，在实际生产时，一方面采用挖掘机预拌合RAI、加强加入冷料仓前的均匀性，另一方面加强RAI级配检测、提升生产过程质量控制水平。
依据《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）以及项目所在地的施工经验确定再生混合料的矿料配合比，见表3，矿料级配曲线见图3，RAI占总矿料质量的百分率为40%。水泥采用海螺牌普通硅酸盐水泥425，水泥剂量由下节试验确定。
三、再生混合料性能增强
（一）性能增强方案比较
RAI与混凝土再生骨料存在相似性，参考再生骨料及其再生混合料的性能提升技术，可通过RAI性能增强、再生混合料设计优化及使用外掺剂、改善生产工艺等技术来提升再生混合料的整体性能。
RAI性能增强指去除其表面裹附砂浆或强化裹附砂浆，包含物理和化学方法，物理方法包括摩擦整形、加热研磨、湿法处理等，化学方法主要指采用稀盐酸浸泡去除旧砂浆；为增强再生骨料的嵌挤、降低破碎率，振动、旋转压实方法被用来设计再生混合料；聚酯纤维可通过增韧作用提升再生混合料性能；近年来，振动搅拌技术被用于提升水泥稳定碎石的整体力学强度。
比较各方案，RAI改性技术需采用物理设备或化学试剂，需较大经济、时间成本；使用外加剂、振动搅拌技术也将增加材料成本和设备投入；再生混合料设计方法上的优化成本投入小，是一种性价比较高的技术方案。
采用振动压实、旋转压实及重型击实（静压）试验三种方法，按照上节再生混合料配合比，进行室内成型试验，采用3.5%、4.5%、5.5%三组水泥剂量，确定再生混合料的压实特性参数（最佳含水率wopt、最大干密度ρmax）。振动压实和重型击实（静压）试验依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）进行，旋转压实试验方法参考文献。
（二）再生混合料压实特性
再生混合料的压实特性参数反映了其压实需要的含水率以及能达到的最密实状态，不同压实方法中作用在再生混合料上的力及其内部传递均有差异，以尽可能接近实际碾压情况为佳。wopt、ρmax的确定是再生混合料设计中的重要内容，ρmax可用来控制现场压实度， wopt过大可能造成再生混合料养生过程中自由水损失过大、干缩开裂情况加剧。因此，选用合理的室内成型方法是保证再生混合料设计结果的关键。击实试验中混合料在锤击力作用下逐渐达到嵌挤状态；振动成型过程中，一定频率和振幅的振动使再生混合料产生“液化”现象；旋转压实则在垂直压力和水平剪力的共同揉搓作用下，集料定向形成骨架，试件压密。
不同方法成型再生混合料的wopt、ρmax见表4。表中数据表明，振动、旋转压实确定的wopt、ρmax相近，其中wopt均低于重型击实，平均降低幅度为8.1%，ρmax则均较高，平均提高幅度为6.5%。可见，振动、旋转方法提供的压实能力高于击实方法，wopt包含了再生混合料压实所需的润滑水以及RAI吸附水，振动、旋转压实过程中矿料的移动方式保证了尽量少的润滑水，从而防止过高wopt、养生过程中水散失带来的干缩开裂。因此，振动、旋转压实更适用于再生混合料试件的成型。
（三）再生混合料力学强度
按照表4试验结果，分别以98%压实度、wopt，采用三种压实方法成型圆柱体试件，并依据JTG E51-2009进行试件标准条件养生、7d无侧限抗压强度Rd测试，试验结果见图4。图4中数据表明，随着水泥剂量增加，不同方法成型试件的Rd增大，振动与旋转成型试件的Rd分别较静压试件提高约40.5%、43.6%，两者相近。
JTG/T F20—2015 中对重交通条件下二级及二级以下公路基层Rd标准要求为3.0~5.0MPa，据此可知：按照静压成型试验结果，水泥剂量需达到5.5%才能满足要求；按照振动、旋转成型试验结果，3.5%水泥剂量时再生混合料Rd仅在3MPa左右，4.5%水泥剂量下Rd达到3.5MPa以上，可满足要求。可见，采用振动、旋转压实方法设计再生混合料，可减少一定水泥剂量。为进一步验证压实是否造成再生混合料中RAI、石灰岩集料破碎，对压实后试件轻敲碎，水洗后检验矿料破碎率，发现静压试件中矿料存在一定破碎，振动、旋转压实试件破碎情况则有明显改善。本工程以振动成型试验结果为参考，据此确定再生基层水泥剂量采用4.5%，工程用含水率为6.4%，即wopt+0.5%。
四、试验路铺筑
（一）施工准备
对进场材料抽检，保证材料质量。RAI剔除≥31.5mm的部分，采用挖掘机多次翻动拌合RAI，以保证级配均匀。摊铺前将下承层表面洒水润湿，保证无松散颗粒及杂物。
（二）混合料的拌和及运输
拌合、运输过程见图5。拌合站进料仓为4个，RAI使用1个进料仓。在拌制混合料之前，检查原材料的质量，并测定其含水量，确定各原材料分斗（或盘）称量及混合料加水量。出料口车辆前后移动分三次装料，避免再生混合料离析。再生混合料拌合至外观质量均匀，并无明显粗细料分离的现象。运输车取料，采用水冲洗测试再生混合料的矿料级配（≥2.36mm），结果见图6。表中数据表明，再生混合料两次抽检矿料级配与设计级配差异不大。可见，RAI虽未筛分，但其进入料仓前的拌合预处理措施会起到保证级配准确的作用。运输时采用遮蓬布减少再生混合料水分损失，运至现场时通过表面视觉判断水分损失是否过大。
（三）摊铺及碾压
采用徐工集团RP953型摊铺机摊铺再生混合料，松铺系数依据再生混合料最大干密度及目标压实度确定，摊铺、碾压工艺参考JTG/T F20，碾压机械包含1台徐工XP302胶轮压路机及1台三一重工YZ26E钢轮压路机，初压钢轮压路机静压2遍、复压钢轮振动碾压2遍+胶轮压路机碾压2遍、终压钢轮压路机碾压消除轮迹。摊铺机后面设专人消除粗细集料离析现象，铲除局部粗集料“窝”，并用新拌混合料填补。
（四）养生及开放交通
由于RAI孔隙多，再生混合料内部散水通道多于常规混合料，同时本工程在8月份施工，高温条件也会加速失水，为降低再生基层因失水过快、多大而发生过高干缩开裂的可能性，碾压完毕后即用土工布进行覆盖，并在当天即开始洒水养生，保持表面潮湿。在7d养生期间内封闭交通。
（五）检测
施工后第8天钻芯取样，见图9。除底部有少量颗粒掉落外，再生基层试样可较完整取出，且石灰岩集料、RAI均未发生明显破碎。养生期结束后，尽早铺筑沥青面层，面层弯沉检测满足设计要求。本工程服役1年至今，未产生开裂，整体良好。这也验证了振动、旋转压实法在再生混合料设计中的适应性。
五、结论
（1）取自某普通省道二级路上基层的RAI表面覆盖旧砂浆，颗粒间存在黏连，相比于石灰岩集料，RAI密度降低幅度为6%，吸水率、压碎值提高302%、59%。
（2）为增强再生混合料性能，采用设计优化方案，比较了击实（静压）、振动、旋转压实再生混合料的压实特性和力学强度。振动、旋转压实能力相近，相较于击实（静压），其确定的wopt平均降低约8.1%，ρmax提高约6.5%，Rd提高约42.1%，水泥剂量也有所降低。
（3）通过再生基层施工前增加RAI预拌合处理工序、拌合时加强合成矿料级配检验、摊铺时铲除局部粗集料窝等措施减少再生混合料离析，养生时加强保湿，本工程再生基层整体性能较好。
作者：麻旭荣 浙江交通资源投资有限公司
刘 栋 浙江顺畅高等级公路养护有限公司
罗正斌 江西省交通科学研究院
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