水泥穩(wěn)定就地冷再生結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)優(yōu)化

尚同羊+馬慶偉+彌海晨

摘 要：通過對某國道舊路面狀況評價(jià)及交通量調(diào)查，確定水泥穩(wěn)定就地冷再生的再生厚度；并在配合比設(shè)計(jì)中添加不同規(guī)格的新料，分析其對混合料強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：當(dāng)舊瀝青路面材料骨料偏少時(shí)，摻加規(guī)格為10～20 mm的新料可以有效提高再生混合料的強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：就地冷再生；骨料；配合比；混合料強(qiáng)度

中圖分類號：U418.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

水泥穩(wěn)定就地冷再生技術(shù)，可以100%利用舊瀝青面層和基層舊料，不僅能提高路面的整體強(qiáng)度，還有利于節(jié)約能源和大量筑路材料，降低工程造價(jià)。因此，將舊瀝青路面水泥穩(wěn)定就地冷再生技術(shù)在公路改建和大中修建設(shè)中推廣應(yīng)用非常必要[1-2]。

本文依托陜西省某國道，對其舊路面狀況進(jìn)行評價(jià)，選取水泥穩(wěn)定就地冷再生作為舊瀝青路面修補(bǔ)方案，并著重對冷再生結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以期提高水泥穩(wěn)定就地冷再生的應(yīng)用效果。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)

本試驗(yàn)段位于陜西省某國道，通過對舊路面狀況評價(jià)、交通量調(diào)查及相關(guān)材料指標(biāo)測定，得到本試驗(yàn)段路面結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)依據(jù)，見表1。

1.2 舊路病害調(diào)查

因車輛超重超載，舊路面產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的損壞，主要表現(xiàn)為：表面層剝落、坑槽、網(wǎng)裂和局部沉陷等（圖1）；且由于老路局部路段線形較差，導(dǎo)致路表面積水比較嚴(yán)重（圖2）。通過對舊路彎沉的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)彎沉值為70～80（0.01 mm），說明舊路承載力不足。

通過對該路段交通量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，貨車在通行車輛中所占比重較大，超限超載現(xiàn)象嚴(yán)重，再加上重載車輛車流量持續(xù)增長，導(dǎo)致路面產(chǎn)生各種病害，交通事故頻發(fā)。

2 再生厚度的確定

2.1 路面再生結(jié)構(gòu)組合及參數(shù)

根據(jù)本地區(qū)的路用材料，結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)與典型結(jié)構(gòu)[3-4]，擬定路面再生結(jié)構(gòu)組合及參數(shù)見表2。

采用BISAR3.0軟件對上述路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行計(jì)算，其中采用雙圓均布豎向荷載作為作用荷載，荷載圓半徑為10.65 cm，輪胎壓力為0.7 MPa。

2.2 確定再生厚度

經(jīng)計(jì)算知，當(dāng)再生厚度H=15 cm時(shí)，設(shè)計(jì)彎沉LS=33.9（0.01 mm）；當(dāng)H=20 cm時(shí)，LS=29.9 （0.01 mm）；當(dāng)H=25 cm時(shí)，LS=26.5（0.01 mm）。由此擬定，滿足設(shè)計(jì)彎沉LS為30（0.01 mm）要求的再生層厚度為20 cm。

對再生厚度為20 cm時(shí)的各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力σm驗(yàn)算可知：上面層為-0.14 MPa（即該層底僅受壓、不受拉），下面層為0.037 MPa，再生層為0.27 MPa。該路面結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)彎沉與容許拉應(yīng)力的設(shè)計(jì)要求，因此確定再生厚度為20 cm。

3 配合比設(shè)計(jì)

3.1 換算公式

再生混合料中基層、面層以及新料所占比例既影響再生混合料的級配組成和強(qiáng)度，也直接決定再生厚度。本節(jié)利用換算公式確定新料的添加比例以及添加規(guī)格，其中單位面積內(nèi)不同材料的質(zhì)量換算公式如式（1）所示，不同材料的質(zhì)量比換算如式（2）所示。

（2）式中：Mi為每平方厘米面積內(nèi)不同材料在再生混合料中的質(zhì)量（g）；i表示面層、基層、新料和再生層不同的結(jié)構(gòu)層；Hi為不同結(jié)構(gòu)層的厚度（cm）；ρi為不同結(jié)構(gòu)層的混合料的毛體積密度（g·cm-3）；Pi為不同材料在再生混合料中的質(zhì)量比（%）；Mr為再生層在每平方厘米面積內(nèi)的質(zhì)量（g·cm-2）。

按照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的方法對本工程所用的面層銑刨料、基層銑刨料以及新料的毛體積相對密度進(jìn)行測定，并通過本路段相關(guān)試驗(yàn)資料及類似工程經(jīng)驗(yàn)擬定再生層的最大干密度，結(jié)果如表3所示。

3.2 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ E51—2009）中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，采用重型擊實(shí)確定混合料的最大干密度和最佳含水量。試件均按最大干密度和最佳含水量以試件容量控制，采用靜力壓實(shí)法制備。在養(yǎng)生室常溫濕氣養(yǎng)生7 d（飽水24 h）。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用Φ15×15 cm試件。將飽水24 h后的試件放到路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀的升降臺上，使試件的形變以1 mm·min-1的等速率增加，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.3 舊銑刨料的評價(jià)

本著節(jié)約資源、充分利用舊料的原則，在保證下承層不小于12 cm的前提下，擬將面層7 cm全部銑刨，基層銑刨13 cm，可見舊銑刨料的銑刨厚度為20 cm可滿足設(shè)計(jì)中對再生厚度的要求（如銑刨厚度不滿足再生厚度要求，則跳過此步驟直接進(jìn)行添加新料的配合比設(shè)計(jì)）。因此首先對舊銑刨料進(jìn)行級配合成，看其合成級配能否滿足再生級配要求。

圖3 銑刨瀝青面層和基層混合料合成級配 由表4和圖3可以看出，作為再生基層，銑刨舊料的合成級配中，19 mm篩孔超出規(guī)定的級配范圍上限，且合成級配中大于4.75 mm的集料含量為61.9%（合成級配總質(zhì)量百分率100%減去4.75 mm通過率38.1%之差），說明舊銑刨料中粗集料過少，應(yīng)采取添加新骨料的方式來增加骨料比例。

考慮到銑刨料中所含灰土比例較大，所以在確定水泥現(xiàn)場冷再生時(shí)也需要添加一部分骨料來優(yōu)化級配，以提高其強(qiáng)度。另一方面，由于現(xiàn)場通過再生機(jī)銑刨基層和面層時(shí)難免會(huì)破碎大顆粒的骨料，所以添加的新料粒徑不能太小。

基于上述對舊銑刨料的分析評價(jià)，在配合比設(shè)計(jì)中決定分別添加10～20 mm和10～30 mm的新料，對比分析不同規(guī)格的新料對混合料強(qiáng)度的影響，以確定添加新料的規(guī)格。

3.4 配合比設(shè)計(jì)

3.4.1 添加水泥+10～20 mm新料

出于節(jié)省新料的考慮，先擬定再生厚度增加至22 cm。經(jīng)式（1）、（2）計(jì)算可知，Pb=60%，Ps=38%，Pn=2%。此再生方案反映在級配組成上如表5所示。endprint

由表5可知，添加2%的10～20 mm新料后，再生料合成級配有所改善，但4.75 mm以上集料含量為62.7%，骨料含量偏少，說明還需要添加新骨料。

將再生厚度增加至24 cm，經(jīng)式（1）、（2）計(jì)算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反應(yīng)在級配組成上如表6所示。通過重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定水泥劑量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，測定其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。結(jié)果不滿足規(guī)定中“7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于2.5 MPa”的要求。因此，舊料經(jīng)銑刨破碎后粗料減少，添加10%的10～20 mm新料不足以改善級配，不能滿足強(qiáng)度要求。

3.4.2 添加水泥+石灰+10～20 mm新料

根據(jù)第一組試驗(yàn)情況，基于該段基層是二灰土基層的考慮，第二組試驗(yàn)通過添加石灰以提高再生混合料的強(qiáng)度，級配同第一組試驗(yàn)。

通過重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定各水泥和石灰劑量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，并測定其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果仍然不符合規(guī)定，說明本級配也不滿足要求。

3.4.3 添加水泥+10～30 mm新料

根據(jù)上述兩組試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)添加10～20 mm新料雖能提高再生混合料中的粗骨料比例，但再生混合料骨架效果不明顯，強(qiáng)度無法滿足規(guī)范要求。因此，第三組試驗(yàn)采用10～30 mm的新料來改善基層灰土，以便提高其強(qiáng)度，級配同第一組試驗(yàn)。

經(jīng)式（1）、（2）計(jì)算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反映在級配組成上如表7所示，合成級配曲線如圖4所示。

通過重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定各水泥劑量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，如表8所示。由圖4 舊路面混合料水泥冷再生合成級配表8可知，水泥用量為5%時(shí)，混合料效果最佳。并在此基礎(chǔ)上靜壓成型試件，測定其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.103 MPa，達(dá)到規(guī)定要求，說明添加10～30 mm新料后對骨料強(qiáng)度提高顯著。

根據(jù)式（1）可得，再生層Mr=Hrρ=24×2=48 g，再由式（2）推導(dǎo)得M10～30= P10～30×Mr=4.8 g，進(jìn)而得出H10～30 =M10～30/ρ10～30=4.8/1.523=3.15 cm≈3 cm。

4 結(jié) 語

通過試驗(yàn)得出以下結(jié)論。

（1） 針對舊瀝青路面材料骨料偏少的情況，通過摻加10%偏大粒徑的新骨料，可有效提高混合料的強(qiáng)度，并且可以有效利用舊路面材料。

（2） 根據(jù)室內(nèi)對比試驗(yàn)研究得出，在5%水泥用量下，面層∶基層∶10～30 mm添加新料=35∶55∶10時(shí)，再生混合料的合成級配較好，再生混合料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)定要求，且能最大程度地利用廢舊料，可應(yīng)用于工程實(shí)踐。

（3） 根據(jù)本路段路面結(jié)構(gòu)狀況，建議本路段的施工方案為：銑刨原路面的7 cm瀝青面層和13 cm基層，在原路面上松鋪3 cm厚的10～30 mm碎石新料，采用5%的水泥進(jìn)行水泥穩(wěn)定就地冷再生。該施工方案可供其他工程借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王 艷，倪富健，李再新.水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞性能[J].中國公路學(xué)報(bào)，2009，9（4）：10-14.

[2] 陳玉紅.水泥穩(wěn)定再生混合料的力學(xué)性能分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2012，29（10）：65-67.

[3] 眭封云.對水泥穩(wěn)定就地冷再生技術(shù)設(shè)計(jì)的探討[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，25（2）：70-73.

[4] 薛躍武，賈廣平.瀝青路面水泥就地冷再生施工技術(shù)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2012，29（1）：50-63.

[責(zé)任編輯：袁寶燕]endprint

由表5可知，添加2%的10～20 mm新料后，再生料合成級配有所改善，但4.75 mm以上集料含量為62.7%，骨料含量偏少，說明還需要添加新骨料。

將再生厚度增加至24 cm，經(jīng)式（1）、（2）計(jì)算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反應(yīng)在級配組成上如表6所示。通過重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定水泥劑量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，測定其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。結(jié)果不滿足規(guī)定中“7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于2.5 MPa”的要求。因此，舊料經(jīng)銑刨破碎后粗料減少，添加10%的10～20 mm新料不足以改善級配，不能滿足強(qiáng)度要求。

3.4.2 添加水泥+石灰+10～20 mm新料

根據(jù)第一組試驗(yàn)情況，基于該段基層是二灰土基層的考慮，第二組試驗(yàn)通過添加石灰以提高再生混合料的強(qiáng)度，級配同第一組試驗(yàn)。

通過重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定各水泥和石灰劑量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，并測定其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果仍然不符合規(guī)定，說明本級配也不滿足要求。

3.4.3 添加水泥+10～30 mm新料

根據(jù)上述兩組試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)添加10～20 mm新料雖能提高再生混合料中的粗骨料比例，但再生混合料骨架效果不明顯，強(qiáng)度無法滿足規(guī)范要求。因此，第三組試驗(yàn)采用10～30 mm的新料來改善基層灰土，以便提高其強(qiáng)度，級配同第一組試驗(yàn)。

經(jīng)式（1）、（2）計(jì)算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反映在級配組成上如表7所示，合成級配曲線如圖4所示。

通過重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定各水泥劑量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，如表8所示。由圖4 舊路面混合料水泥冷再生合成級配表8可知，水泥用量為5%時(shí)，混合料效果最佳。并在此基礎(chǔ)上靜壓成型試件，測定其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.103 MPa，達(dá)到規(guī)定要求，說明添加10～30 mm新料后對骨料強(qiáng)度提高顯著。

根據(jù)式（1）可得，再生層Mr=Hrρ=24×2=48 g，再由式（2）推導(dǎo)得M10～30= P10～30×Mr=4.8 g，進(jìn)而得出H10～30 =M10～30/ρ10～30=4.8/1.523=3.15 cm≈3 cm。

4 結(jié) 語

通過試驗(yàn)得出以下結(jié)論。

（1） 針對舊瀝青路面材料骨料偏少的情況，通過摻加10%偏大粒徑的新骨料，可有效提高混合料的強(qiáng)度，并且可以有效利用舊路面材料。

（2） 根據(jù)室內(nèi)對比試驗(yàn)研究得出，在5%水泥用量下，面層∶基層∶10～30 mm添加新料=35∶55∶10時(shí)，再生混合料的合成級配較好，再生混合料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)定要求，且能最大程度地利用廢舊料，可應(yīng)用于工程實(shí)踐。

（3） 根據(jù)本路段路面結(jié)構(gòu)狀況，建議本路段的施工方案為：銑刨原路面的7 cm瀝青面層和13 cm基層，在原路面上松鋪3 cm厚的10～30 mm碎石新料，采用5%的水泥進(jìn)行水泥穩(wěn)定就地冷再生。該施工方案可供其他工程借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 薛躍武，賈廣平.瀝青路面水泥就地冷再生施工技術(shù)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2012，29（1）：50-63.

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由表5可知，添加2%的10～20 mm新料后，再生料合成級配有所改善，但4.75 mm以上集料含量為62.7%，骨料含量偏少，說明還需要添加新骨料。

將再生厚度增加至24 cm，經(jīng)式（1）、（2）計(jì)算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反應(yīng)在級配組成上如表6所示。通過重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定水泥劑量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，測定其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。結(jié)果不滿足規(guī)定中“7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于2.5 MPa”的要求。因此，舊料經(jīng)銑刨破碎后粗料減少，添加10%的10～20 mm新料不足以改善級配，不能滿足強(qiáng)度要求。

3.4.2 添加水泥+石灰+10～20 mm新料

根據(jù)第一組試驗(yàn)情況，基于該段基層是二灰土基層的考慮，第二組試驗(yàn)通過添加石灰以提高再生混合料的強(qiáng)度，級配同第一組試驗(yàn)。

通過重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定各水泥和石灰劑量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，并測定其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果仍然不符合規(guī)定，說明本級配也不滿足要求。

3.4.3 添加水泥+10～30 mm新料

根據(jù)上述兩組試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)添加10～20 mm新料雖能提高再生混合料中的粗骨料比例，但再生混合料骨架效果不明顯，強(qiáng)度無法滿足規(guī)范要求。因此，第三組試驗(yàn)采用10～30 mm的新料來改善基層灰土，以便提高其強(qiáng)度，級配同第一組試驗(yàn)。

經(jīng)式（1）、（2）計(jì)算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反映在級配組成上如表7所示，合成級配曲線如圖4所示。

通過重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定各水泥劑量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，如表8所示。由圖4 舊路面混合料水泥冷再生合成級配表8可知，水泥用量為5%時(shí)，混合料效果最佳。并在此基礎(chǔ)上靜壓成型試件，測定其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.103 MPa，達(dá)到規(guī)定要求，說明添加10～30 mm新料后對骨料強(qiáng)度提高顯著。

根據(jù)式（1）可得，再生層Mr=Hrρ=24×2=48 g，再由式（2）推導(dǎo)得M10～30= P10～30×Mr=4.8 g，進(jìn)而得出H10～30 =M10～30/ρ10～30=4.8/1.523=3.15 cm≈3 cm。

4 結(jié) 語

通過試驗(yàn)得出以下結(jié)論。

（1） 針對舊瀝青路面材料骨料偏少的情況，通過摻加10%偏大粒徑的新骨料，可有效提高混合料的強(qiáng)度，并且可以有效利用舊路面材料。

（2） 根據(jù)室內(nèi)對比試驗(yàn)研究得出，在5%水泥用量下，面層∶基層∶10～30 mm添加新料=35∶55∶10時(shí)，再生混合料的合成級配較好，再生混合料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)定要求，且能最大程度地利用廢舊料，可應(yīng)用于工程實(shí)踐。

（3） 根據(jù)本路段路面結(jié)構(gòu)狀況，建議本路段的施工方案為：銑刨原路面的7 cm瀝青面層和13 cm基層，在原路面上松鋪3 cm厚的10～30 mm碎石新料，采用5%的水泥進(jìn)行水泥穩(wěn)定就地冷再生。該施工方案可供其他工程借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 陳玉紅.水泥穩(wěn)定再生混合料的力學(xué)性能分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2012，29（10）：65-67.

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[4] 薛躍武，賈廣平.瀝青路面水泥就地冷再生施工技術(shù)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2012，29（1）：50-63.

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