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摘 要

為了揭示水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度特性，基于垂直振動(dòng)成型試件研究了水泥劑量、基面層回收料比例、新集料摻量、養(yǎng)生齡期等因素對水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明：水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度隨水泥劑量增大而增大；相同水泥劑量條件下，在基面層回收料中添加新集料與未添加新集料分別制備試件，將試件所測得劈裂強(qiáng)度進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)28d兩者劈裂強(qiáng)度比值達(dá)到最大，28d后兩者劈裂強(qiáng)度比值呈降低趨勢，摻加的基面層回收料不同，但劈裂強(qiáng)度比值的曲線增長趨勢相似；新集料摻量每提高20%，水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度可提高4%~26%；水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度隨養(yǎng)生齡期的增長而增大，尤其前28d增長較快，28d之后增長逐漸變小并逐漸趨于平緩，因此應(yīng)加強(qiáng)早期養(yǎng)生。建議當(dāng)基面層比例為0：1、1：1和7：3時(shí)，回收料最大利用率分別為57%、72%和85%瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。

關(guān)鍵詞 道路工程 | 振動(dòng)試驗(yàn)法 | 水泥冷再生混合料 | 劈裂強(qiáng)度

0引言

冷再生技術(shù)作為一種特殊的瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)，既能充分利用舊路面廢棄材料、節(jié)省筑路材料、解決廢棄材料環(huán)境污染等問題，又具有簡化施工工序、節(jié)約工期等優(yōu)點(diǎn)，已引起國內(nèi)外道路工作者的普遍關(guān)注[1-2]。國外Xiao等研究了不同材料組成及不同類型回收料對冷再生混合料性能的影響[3]；Kavussi等通過疲勞試驗(yàn)研究了冷再生混合料疲勞破壞模型[4]；Modarres等通過疲勞試驗(yàn)對再生混合料的疲勞特性進(jìn)行了研究[5]；Bienvenu在分析當(dāng)前冷再生回收料的使用情況后研究了冷再生混合料的設(shè)計(jì)方法[6]。中國蔣應(yīng)軍等研究了不同壓實(shí)方法對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響[7]；王麗等在對冷再生混合料的配比和力學(xué)性能進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探討了冷再生混合料的力學(xué)性能及其影響因素[8]；武建民等通過掃描電鏡觀察水泥穩(wěn)定二次再生路面材料的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)分析了再生路面材料性能[9]；王永兵等通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了振動(dòng)法成型水泥冷再生粒料的路用性能[10]。中國不同干線公路瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料均有差異，路面結(jié)構(gòu)損壞類型與程度也影響著銑刨深度，因此，銑刨料組成與性質(zhì)差異較大，導(dǎo)致水泥冷再生混合料力學(xué)特性變得復(fù)雜[11]。目前，回收基面層材料比例、新集料摻量、水泥劑量等因素對水泥冷再生混合料力學(xué)特性的影響缺乏系統(tǒng)研究，且采用文獻(xiàn)[12]中重型擊實(shí)法與靜壓成型法，而靜壓成型法成型試件與現(xiàn)場鉆芯試樣的工程特性相關(guān)性不足36%，成果也不能準(zhǔn)確反映冷再生材料的實(shí)際性能[13]。已有研究表明，垂直振動(dòng)試驗(yàn)法能較好地模擬實(shí)際工程中機(jī)械對路面的壓實(shí)效果，成型試件與路面芯樣物理力學(xué)性能相關(guān)性可高達(dá)93%[13]，試驗(yàn)結(jié)果具有代表性、可靠性和真實(shí)性[14]?；诖耍疚牟捎么怪闭駝?dòng)試驗(yàn)法深入系統(tǒng)地研究水泥劑量、基面層回收料比例、新集料摻量、養(yǎng)生齡期等因素對水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度的影響，具有工程實(shí)際意義。

1試驗(yàn)材料與方案

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1水泥

選用鄭州天瑞牌復(fù)合硅酸鹽水泥，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見下頁表1。

1.1.2新集料

新集料(VIRGINAGGREGATE，簡稱VAG)選取河南省許昌市禹州淺井鄉(xiāng)石料廠石灰?guī)r為原材料，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見下頁表2。

1.1.3路面回收集料

面層回收集料(Reclaimed Ashalt Pavement Material ，簡稱RAP)與基層回收集料(Reclaimed Cement Base Material，簡稱RCB)選取河南省S325省道許昌市境內(nèi)改建工程，原面層為7cm厚瀝青混凝土，原基層為18cm厚水泥穩(wěn)定碎石，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見下頁表3。

1.2試驗(yàn)方案

1.2.1基面層回收料比例

本文所使用的原路面為7cm厚瀝青混凝土面層和18cm厚水泥穩(wěn)定碎石基層，具體方案見下頁表4。

1.2.2新集料摻量

考慮水泥冷再生混合料的力學(xué)性能隨回收集料利用率的增加而降低，本文在回收集料中分別添加0、20%和40%的新集料，調(diào)整添加新集料后的混合料級配，以骨架密實(shí)級配為準(zhǔn)[15]。

1.2.3礦料級配

以骨架密實(shí)級配為準(zhǔn)確定10組水泥冷再生混合料試驗(yàn)級配，見下頁表5。

1.2.4水泥劑量

選取3.0%、4.0%這2個(gè)水泥劑量(Ps)進(jìn)行試驗(yàn)。

2振動(dòng)試驗(yàn)方法及物理力學(xué)性能

2.1振動(dòng)試驗(yàn)方法

采用垂直振動(dòng)成型方法成型試件。用垂直振動(dòng)擊實(shí)儀將不同含水量的水泥冷再生混合料振動(dòng)擊實(shí)100s，確定其最大干密度和最佳含水率[13]。

采用垂直振動(dòng)擊實(shí)儀將水泥冷再生混合料振動(dòng)擊實(shí)至98%壓實(shí)度和直徑15cm、高15cm的圓柱體試件[13，16]。

垂直振動(dòng)擊實(shí)儀要求工作頻率為30Hz、上車系統(tǒng)為1.20kN、下車系統(tǒng)為1.80kN、名義振幅為1.2mm[17-19]。

2.2最大干密度和最佳含水率

垂直振動(dòng)擊實(shí)確定表5中10組級配的最大干密度ρdmax和最佳含水率ω0，結(jié)果見下頁表6。

2.3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

振動(dòng)成型試件不同齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rc見表7。

水泥冷再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)生齡期增長的趨勢與水泥穩(wěn)定碎石基本相似，在早期0~28d階段強(qiáng)度增長速度較快，當(dāng)齡期超過28d后強(qiáng)度增長速率逐漸變小，并趨于平緩，在90d以后增長幅度非常緩慢。

3劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果及分析

振動(dòng)成型試件不同齡期的劈裂強(qiáng)度Ri見表8。

3.2劈裂強(qiáng)度影響因素

3.2.1水泥劑量的影響

根據(jù)表8中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不同基面層回收料比例、不同新集料摻量、不同養(yǎng)生齡期水泥冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度均隨水泥劑量的增加而增大。增加水泥劑量可顯著提升試件的劈裂強(qiáng)度，但過多的水泥劑量對抗裂性能不利。

3.2.2基面層回收料比例的影響

根據(jù)表8，摻入回收料試件的劈裂強(qiáng)度與未摻入回收料試件的劈裂強(qiáng)度比值曲線如下頁圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)基面層回收料比例分別為0：1、1：1和7：3時(shí)，齡期在28d前，兩者劈裂強(qiáng)度比值不斷上升；在28d劈裂強(qiáng)度比值達(dá)到最大，28d之后劈裂強(qiáng)度比值緩慢降低，但基面層回收料比例為7：3時(shí)的劈裂強(qiáng)度比值最大，基面層回收料比例為1：1時(shí)的劈裂強(qiáng)度比值次之，基面層回收料比例為0：1的劈裂強(qiáng)度比值最小，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于試件中摻加面層回收料和基層回收料的含量不同，摻加基層回收料后試件的劈裂強(qiáng)度更接近于由全新集料組成的試件的劈裂強(qiáng)度。

由圖1(a)可知，齡期為28d的基面層回收料比例由0：1上升到1：1時(shí)，劈裂強(qiáng)度提升了12.2%，摻加相同面層回收料時(shí)，再摻入基層回收料可大幅提高劈裂強(qiáng)度比值；基面層回收料比例由1：1上升到7：3時(shí)，劈裂強(qiáng)度提升了14.5%；基面層回收料比例為7：3時(shí)相較于0：1時(shí)的劈裂強(qiáng)度提高了28.6%。由圖1(b)可知，在齡期為28d，基面層回收料比例由0：1上升到1：1時(shí)，劈裂強(qiáng)度提升了16.7%；基面層回收料比例由1：1上升到7：3時(shí)，劈裂強(qiáng)度提升了4.8%；基面層回收料比例為7：3時(shí)相較于0：1時(shí)的劈裂強(qiáng)度提高了22.2%。由圖1(c)可知，在齡期為28d，基面層回收料比例由0：1上升到1：1時(shí)，劈裂強(qiáng)度提升了6.3%；基面層回收料比例由1：1上升到7：3時(shí)，劈裂強(qiáng)度提升了6.0%；基面層回收料比例為7：3時(shí)相較于0：1時(shí)的劈裂強(qiáng)度提高了12.7%。由以上可知，摻加新集料含量較低時(shí)，再摻入基層回收料可大幅提高水泥冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度；但當(dāng)新集料摻量較多時(shí)，再摻加基層回收料對提高水泥冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度效果逐漸減弱。同樣，在水泥劑量Ps為4.0%時(shí)也有類似的變化規(guī)律和現(xiàn)象。

3.2.3新集料摻量的影響

新集料摻量對水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度的影響見下頁表9。表中Ri(0)、Ri(20)、Ri(40)表示新集料摻量分別為0、20%和40%時(shí)的劈裂強(qiáng)度。

由表9可知，與不添加新集料相比，摻加新集料20%的水泥冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度可提高4%~29%，摻加新集料40%時(shí)可提高8%~44%。由此可知，新集料摻量每提高20%，劈裂強(qiáng)度提高4%~26%。為了能夠最大程度利用回收料，建議在滿足水泥冷再生混合料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的前提下，盡量降低新集料摻量。

3.2.4養(yǎng)生齡期的影響

不同基面層比例、新集料摻量和養(yǎng)生齡期對水泥冷再生混合料Ri(T)/Ri(∞)值的影響見下頁圖2。圖中Ri(T)/Ri(∞)表示養(yǎng)生齡期為T與無數(shù)天時(shí)兩者對應(yīng)的劈裂強(qiáng)度比值。

由圖2可知，水泥冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度比值隨齡期的增長而不斷增大，各條曲線有所不同，但其斜率隨齡期的增加而逐漸減小，且有著相似的變化規(guī)律。當(dāng)齡期到達(dá)7d，其增長幅度最大；當(dāng)齡期到達(dá)28d，其增長幅度逐漸變小當(dāng)齡期到達(dá)60d，其增長幅度已經(jīng)明顯減小，曲線趨向平緩，最終將無限接近于極限值。

3.2.5與抗壓強(qiáng)度之間關(guān)系

對比表7和表8可知：當(dāng)基面層比例分別為0：1、1：1、7：3時(shí)，水泥冷再生混合料的抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度比值范圍分別為9.1~10.2、9.1~10.2、8.9~11.2。冷再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度比值有著良好的線性關(guān)系：Rc＝9.78Ri，且不同試件劈裂強(qiáng)度隨齡期增加的情況與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果類似，這與已有研究結(jié)論相符[20]。

3.3劈裂強(qiáng)度增長模型

根據(jù)已有研究[21]，假設(shè)水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度增長方程為

根據(jù)式(1)分析表8中的數(shù)據(jù)，分析得到回歸系數(shù)見下頁表10。

由表10可知，判定系數(shù)R^2≥0.99，表明式(1)用于預(yù)測水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度增長規(guī)律具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

3.4新集料、基面層回收料最佳比例

水泥冷再生混合料95%保證率下，7d抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度與新集料摻量之間的關(guān)系見下頁圖3。

由圖3可知，水泥劑量和新集料摻量對水泥冷再生混合料強(qiáng)度影響最為顯著。增大水泥劑量盡管可以提高水泥冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度，但水泥劑量過大對路面的抗裂性能不利，且不經(jīng)濟(jì)；加入新集料能大幅改善水泥冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度，但影響經(jīng)濟(jì)性，且不能充分利用回收的廢舊集料。

已有研究提出水泥冷再生混合料強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[22]：水泥冷再生全面層回收料7d抗壓強(qiáng)度大于等于3.5MPa，7d劈裂強(qiáng)度大于等于0.35MPa；水泥冷再生基面層混合回收料7d抗壓強(qiáng)度大于等于4.0MPa，7d劈裂強(qiáng)度大于等于0.40MPa。結(jié)合該標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)基面層比例為0∶1，水泥劑量為3.0％時(shí)，至少需要添加43％的新集料；水泥劑量為4.0％時(shí)，至少需要添加30％的新集料。即回收集料最大利用率為57％～70％；當(dāng)基面層比例為1∶1，水泥劑量為3.0％時(shí)，至少需要添加28％的新集料；水泥劑量為4.0％時(shí)，無需添加新集料強(qiáng)度即可滿足要求。即回收集料最大利用率為72％~100％；當(dāng)基面層比例為7∶3，水泥劑量為3.0％時(shí)，至少需要添加15％的新集料；水泥劑量為4.0％時(shí)，無需添加新集料強(qiáng)度即可滿足要求。即回收集料最大利用率可達(dá)85％~100％。建議基面層回收料比例為0∶1、1∶1和7∶3時(shí)，回收集料利用率分別為57％、72％和85％。

4結(jié)語

(1)研究了摻與不摻新集料、基面層比例對水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：28d兩者劈裂強(qiáng)度比值達(dá)到最大；28d后兩者劈裂強(qiáng)度比值呈降低趨勢；基面層回收料比例增加，可提高其劈裂強(qiáng)度比值。

(2)研究了新集料摻量對水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：隨著新集料摻量增加，水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度隨之增大；新集料摻量增加20%，水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度提高4%~26%。

(3)基于水泥冷再生混合料劈裂強(qiáng)度特性、抗裂性能、回收料最大化利用等因素，建議當(dāng)基面層比例為0：1、1：1和7：3時(shí)，回收料最大利用率分別為57%、72%和85%。

(4)上述研究成果尚需通過實(shí)際工程應(yīng)用予以驗(yàn)證，并作進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。