再生混凝土骨料（RCA）在路面工程中的环保与经济效益

报告人：石希俊，德克萨斯州立大学

为应对天然骨料短缺以及建筑和拆除废料处理所带来的挑战，再生混凝土骨料（RCA）作为原始骨料替代品在波特兰水泥混凝土（PCC）路面中的应用日益增多。本研究工作涉及对俄克拉荷马州现有的不同方面RCA-PCC路面进行性能评估，包括实验室确定的力学性能；混凝土的岩相学检查；使用落锤式弯沉仪（FWD）进行的现场评估；以及用于评估路面行为的损坏调查。对现场取芯样品的实验室测试证实，将RCA加入PCC中会导致弹性模量和抗拉强度的降低；发现回收的砂浆是裂缝通过的主要薄弱区域。表面状况调查数据与FWD结果分析相互印证，表明与对照JPCP（接缝普通混凝土路面）部分相比，含有RCA的JPCP部分表现出了较低的性能。但对于连续配筋混凝土路面（CRCP），这一趋势并不那么明确。RCA CRCP相对较好的性能源于其铺设在一个更强的沥青混凝土基层上。此外，CRCP固有的刚度特性为其提供了比接缝路面更好的保护基础免受侵蚀损害的能力。研究结果指出，对于采用RCA-PCC材料的JPCP而言，耐侵蚀的基础支撑和良好的荷载传递是关键的设计考量因素。而CRCP似乎更适合使用RCA-PCC。

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大家好，我叫习金树，大家可以叫我杰夫。我是德克萨斯州立大学的助理教授。很荣幸能在ACI大会上展示我们的工作。我今天的演讲主题是关于在俄克拉荷马州使用再生混凝土骨料的混凝土路面的长期评估。我想说明的是，这个演讲是基于我们为俄克拉荷马州交通部完成的项目，这个工作是我在德克萨斯A&M大学攻读博士学位时完成的。我的合著者是安娜·莫·卡帕泰博士，他是项目的首席研究员，也是我的博士论文导师。我的论文主席是德克萨斯A&M大学的丹·佐林格博士。好的，我们开始吧。

为什么回收混凝土路面？

这个主题是关于使用来自旧路面的再生混凝土骨料来建造新路面。那么，为什么我们要回收混凝土路面呢？通过回收混凝土路面，我们可以获得许多好处。首先是经济效益。我们都知道，在典型的混凝土路面施工中，骨料成本约占材料成本的20%到30%。而且，原始骨料的成本正在增加，原因包括原始骨料来源的稀缺、环境污染的担忧、区域规划问题，以及骨料供应地与预拌混凝土厂之间距离的增加。另一方面，我们的公路系统是在几十年前建立的，许多铁路已经出现严重损坏，需要维护和修复。如果我们不回收路面，建筑废料就需要被填埋。这里我展示一些统计数据，根据国家固体废物管理协会的资料，填埋场的倾倒费用在过去几十年中急剧增加。因此，通过回收混凝土路面，我们还可以获得环境效益。我们知道自然资源正在迅速减少，使用再生骨料可以减轻对自然骨料的进一步消耗，减少原始骨料的开采，从而节省能源，减少温室气体的排放。此外，填埋和堆放建筑废料对环境和公共安全构成威胁。因此，使用再生混凝土骨料可以帮助处理这些废料，减少对环境的积极影响。

各州对在混凝土路面中使用RCA的要求（部分示例）

然而，再生混凝土骨料在路面应用中的使用尚未被许多州广泛接受。根据最近的一项调查，我们在这里展示一些例子。德克萨斯州、科罗拉多州和阿拉巴马州允许在混凝土路面板中使用RCA。密歇根州允许在临时路面和一些低强度应用中使用。弗吉尼亚州不允许在钢筋混凝土中使用RCA，因为他们担心RCA中的氯化物含量。佛罗里达州仅将RCA用于基层或稳定路基。这些只是一些例子，可能还有许多其他例子我们尚未了解。

RCA混凝土的性能

我们知道，世界各地的许多研究人员和学者进行了大量的实验室测试，我们都知道将RCA加入混凝土中会显著改变混凝土的性能。根据我们的文献综述和实验室研究，我们总结了RCA对混凝土性能的影响。添加RCA后，对坍落度的影响实际上可能改善或降低，这主要取决于混合设计和RCA的质量。添加RCA后，新RCA混凝土中的氯化物含量可能会更高。此外，添加RCA会降低混凝土的耐磨性、抗拉强度、压缩强度、弹性模量、弯曲强度和抗碳化性。同时，干燥收缩、蠕变、氯化物渗透和热膨胀会因使用RCA而增加。

俄克拉荷马州交通部RCA混凝土路面研究

我们为俄克拉荷马州交通部所做的主要工作是检查俄克拉荷马州两个现有RCA混凝土路面的现场状况。与实验室研究不同，美国很少有关于RCA混凝土路面的实际研究，特别是我们的研究将重点关注RCA混凝土路面的长期性能。背景是，俄克拉荷马州交通部在20世纪80年代建造了几个包含100%粗RCA的混凝土路面段，我们有机会检查了俄克拉荷马市I-40上的一个JPCP段和I-35上的一个CRCP段。据我们所知，在我们的研究之前，这些路段从未进行过广泛的评估。由于这些路面是在20世纪80年代建造的，这为我们提供了观察美国RCA混凝土路面长期性能的独特机会。在这个表格中，您可以看到我们有两个路段。一个是位于I-40上的JPCP段，靠近俄克拉荷马市，长度约为7.5英里。原始的RCA混凝土路面建于1983年。我们有10英寸厚的板，含有100%粗RCA骨料，我们还有一个控制段在同一路面上。I-40的基层是S4080土壤，厚度为6英寸。我们还有位于I-35上的CRCP段，长度约6英里，建于1989年，板厚也是10英寸，我们有控制段和RCA混凝土路面可供比较。CRCP RCA混凝土路面的基层是4英寸的沥青混凝土。我们还查看了一些文献，并与附近的人交谈，了解了这两个现有混凝土路面的一些故事。对于I-40 JPCP段，20世纪80年代的动机是承包商无法找到附近的采石场供应原始骨料，因此他们决定使用来自旧路面的再生混凝土骨料。最终，他们节省了约63,000磅的原始骨料，并在当时节省了约480万美元。该项目于1983年3月10日开始，约8个月后完成。承包商能够生产出满意的A级混凝土，100%使用RCA替代。旧混凝土（即回收的RCA）已有20多年的使用寿命，主要问题是旧路面出现了严重的开裂问题。为了减轻开裂问题，承包商决定在新建造的RCA混凝土路面中使用较小尺寸的骨料。对于I-35，我们没有找到与I-40案例相比的很多信息，但我们知道提供RCA的旧混凝土建于20世纪60年代，新的RCA混凝土路面于1988年4月签约。俄克拉荷马州交通部实际上在1982年后的22年，即2000年初，有机会回到I-35 CRCP段，他们没有发现任何损坏。因此，在2017年夏天。

现场调查（2017年）

穆卡巴德博士、达林博士和我去了俄克拉荷马市进行路面检查。我们进行了目视检查，发现I-40（JPCP段）有大量的纵向裂缝。我们没有发现任何脱落问题，请记住，I-40是在20世纪80年代因脱落问题而重建的。对于I-35的CRCP路面，看起来非常好。我们还能够从现场钻取一些标本，确认I-40的基层是处理过的土壤，基层似乎很薄弱。而对于I-35，我们发现基层实际上是沥青混凝土，非常坚固。如图所示，我们能够提取一个标本，基层和板没有分离。

结构评估 - 理论

它们仍然附着在一起，然后我们进行了FWD（落锤式弯沉仪）测试。我们研究了混凝土路面结构的四个主要参数，并开发了一些理论来评估基于FWD结果的海洋使用情况。这四个参数是：等效厚度，考虑了空间和混凝土板以及两者之间的结合；基层摩擦系数，我们有理论来计算这些系数；差异能量，使用ME方程；以及荷载传递效率。有很多理论和方程，我今天不详细讲解。如果您感兴趣，可以在我们论文中找到这些方程，我会在演示结束时列出。对于结果，我们发现

结构评估结果

对于I-40 JPCP，RCA段的性能低于没有RCA的控制段。我们发现RCA段的等效厚度较低，基层摩擦系数较低，分布能量较高。对于CRCP，RCA段和控制段的性能非常相似，等效厚度和基层摩擦系数相似，但RCA的差异能量较高。较高的差异能量是有道理的，因为RCA混凝土板的模量较低，所以弯沉较大，从而有更高的弯沉能量。

损坏调查结果

我们还有机会获得俄克拉荷马州交通部提供的一些损坏调查结果。数据是在2016年7月10日收集的，大约在我们访问现场前一年。结果与我们的现场检查一致。对于RJPCP RCA段，其性能较低，国际粗糙度指数（IRI）较高，RCA的IRI高于控制段。对于RC混凝土，与控制段相比，其14值也较高。对于位于I-35的CRCP，RCA和控制段的性能非常相似，IRI值接近，控制段的补丁面积较高，但RCA段的泵送量较高。因此，我们认为它们在I-35上的CRCP段性能相似。我们还进行了机械

机械性能

对现场的花岗岩进行了实践。主要结论是RCA混凝土的弹性模量和抗拉强度较低。对于I-40上的RFA混凝土，其压缩强度较高，但对于I-35，与控制段相比，我们报告的值较低。这很有趣。我们还进行了一些岩相学研究。

岩相学研究

我们使用薄片来观察替代电机，您可以在图表上清楚地看到回收的电机。然后，我们在从现场取出的岩心中引入了一些裂缝，发现裂缝实际上穿过了粘土电机。因此，我们可以得出结论，刀片电机是该系统中的薄弱区域。

俄克拉荷马州混凝土路面的研究发现

从俄克拉荷马州混凝土路面中，我们发现了一些关键点。对于RCA混凝土，其弹性模量和抗拉强度降低，但压缩强度有所增加。对于回收的电机，我们发现它是主要的薄弱区域，裂缝很容易穿过。在现场研究中，我们发现JPCP段的RC段性能较低，但CRCP的性能与控制段相似。我们认为RCH RCP的性能较好是因为其基层较强，记得它是建在非常坚固的混凝土基层上，而另一个是建在不那么坚固的沥青处理土壤基层上。此外，我们认为CRCP的固有刚度可以更好地保护基层免受侵蚀。我还有几张幻灯片，但时间可能不够了。我们还进行了一些文献综述，发现美国有一些与RCA相关的现有研究。例如，FHWA在1994年和2006年进行了一些研究，评估了美国不同州的许多现有混凝土路面，其中一些是JRCP，一些是JPCP，甚至有CRCP，还有一些路段使用了细RCA和粗RCA替代。如果您感兴趣，可以在这里找到一些TTRRP论文。我们还有RCA CRCP的研究，例如，1995年，Textile在休斯顿重建了IH40，他们使用了100%的粗骨料RCA和100%的细骨料RCA来替代粗骨料和细骨料。五年后，德克萨斯理工大学的穆旺博士访问了现场并撰写了报告。主要发现是，承包商注意到RCA堆场的湿度控制非常关键，因为如果不控制RCA的含水量，RCA混凝土的稠度会非常差。他们能够使用正常的铺设操作来建造这些RCA混凝土路面。在区域调查中，没有发现任何损坏，横向裂缝间距分布与控制段相当，他们没有发现旧电机有显著的负面影响。此外，伊利诺伊大学的拉塞尔博士也对I-55上的现有CRCT混凝土进行了一些研究。在建造20年后，他们进行了一些现场研究，发现这些CRC PRC路段具有出色的承载能力和荷载传递效率。在损坏调查中，他们发现RCA路段上有一些长的纵向裂缝，他们认为这可能是由于钢筋引起的沉降裂缝。他们没有发现ASR问题，RCRC PRCA路段的Elboy系统状况良好。他们确实发现较短的转移裂缝，这主要是由于RCA混凝土的干燥收缩潜力较大，抗拉强度较低，以及RCA混凝土的断裂性能降低。对于速度阻力，他们发现是令人满意的，并且报告了RCA混凝土的骑行质量从失败到良好。抱歉打断您，我们可以总结一下吗？

结论和建议

是的，这是最后一行，因为我们还有第五位演讲者。哦，好的，好的，抱歉。好的，这是我的最后一张幻灯片。有一些结论，我们希望尽可能多地移除回收的模型，我们可以使用冲击硬币碰撞，我们希望控制库存轮胎，有些人建议清洗骨料可能有助于去除氯化物和细料。我们还需要评估旧混凝土的现有损坏。通常，我们可以在混凝土路面中允许100%的粗RCA，在一些州如德克萨斯州，我们允许30%的细RCA。对于所有能力，我们可以使用一些策略来改善工作性，我们还可以使用更多的水泥材料来改善应力。感谢俄克拉荷马州交通部、我的导师和同事，以及在这个项目中帮助我们的许多专家。谢谢，我正在听与这项研究相关的出版物。非常感谢。

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