水泥就地冷再生基層的級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)

賈敬立，張淵龍，楊玉慶，趙大闖，王 緒，趙啟旸

（河南黃河河務(wù)局工程建設(shè)中心，河南鄭州450003）

1 引 言

臨黃堤頂?shù)缆凡粌H是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分和防汛搶險(xiǎn)的交通要道，也是發(fā)展沿黃地區(qū)經(jīng)濟(jì)不可或缺的組成部分。然而經(jīng)過多年運(yùn)行，堤頂路面破損嚴(yán)重，影響搶險(xiǎn)車輛通行，亟需進(jìn)行升級(jí)改造。本項(xiàng)目有以下主要特點(diǎn)：①施工里程長(zhǎng)，“十三五”期間河南段道路全長(zhǎng)469.33 km，其中基層改造段長(zhǎng)370.12 km；②運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，最早完工的路段已經(jīng)使用17 a，完工時(shí)間跨度大，從1999年、2000年、2003年到2005年；③原路面基層材料種類多，主要有石灰穩(wěn)定土、水泥石灰碎石土、水泥穩(wěn)定碎石等3種。

基于減少舊路開挖，循環(huán)利用舊路材料，減少舊路材料堆放，保護(hù)環(huán)境的原則，對(duì)基層翻修路段采用水泥就地冷再生20 cm（舊瀝青面層5 cm+舊基層10 cm+加鋪新集料5 cm）后加鋪5 cm熱拌瀝青混凝土的方案，該方案占本次改造總里程的78.86%。

由于現(xiàn)行《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）中無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定冷再生混合料級(jí)配范圍過寬，對(duì)設(shè)計(jì)者的指導(dǎo)意義較弱，實(shí)際施工中無法實(shí)現(xiàn)對(duì)施工質(zhì)量的有效控制[1]，因此本文采用N法、I法和K法對(duì)水泥就地冷再生基層級(jí)配進(jìn)行研究，然后利用貝雷法CA、FAc、FAf三參數(shù)進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化，結(jié)合混合料在擊實(shí)和現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)過程中的壓碎情況，對(duì)理論級(jí)配范圍進(jìn)行修正，得到了工程上適用的級(jí)配范圍，在黃河堤頂?shù)缆粪嵵荻闻f路基層為水泥穩(wěn)定碎石的瀝青路面進(jìn)行了實(shí)體驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)均較好地滿足規(guī)范要求，本文對(duì)這一成果進(jìn)行總結(jié)分析，以更好地指導(dǎo)黃河下游堤頂?shù)缆匪嗑偷乩湓偕┕ぁ?/p>

2 水泥就地冷再生混合料級(jí)配研究

2.1 標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配設(shè)計(jì)研究

水泥就地冷再生技術(shù)采用了原有路面銑刨材料，在設(shè)計(jì)時(shí)有別于傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定材料的級(jí)配設(shè)計(jì)，我國(guó)在再生技術(shù)方面也形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，具體級(jí)配范圍見表1。

表1 無機(jī)結(jié)合料冷再生混合料規(guī)范級(jí)配范圍

黃河堤頂?shù)缆钒慈?jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用表1中二級(jí)及二級(jí)以下公路的級(jí)配范圍，由于此級(jí)配上下限范圍太寬，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)目標(biāo)級(jí)配很容易達(dá)到，但對(duì)設(shè)計(jì)者的指導(dǎo)意義較弱，致使工程質(zhì)量難以保證，因此在標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)級(jí)配進(jìn)一步優(yōu)化就顯得特別重要。

2.2 級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

在填充理論嵌擠原則指導(dǎo)下，冷再生混合料良好的設(shè)計(jì)級(jí)配會(huì)使集料緊密孔隙率較小，大大提高相應(yīng)混合料摩阻力，有效保證基層再生路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2]。

2.2.1 N法、K法、I法和貝雷法對(duì)比分析

N法是由美國(guó)學(xué)者Fuller根據(jù)最大密度理論提出的，通過工程實(shí)踐不斷優(yōu)化，最終形成成熟的級(jí)配設(shè)計(jì)技術(shù)。

K法是由蘇聯(lián)學(xué)者伊邁萬(wàn)諾夫和奧浩欣提出，該礦料級(jí)配是采用顆粒分級(jí)質(zhì)量遞減系數(shù)k，粒徑按1/2遞減，最小粒徑dn=0.004 mm通過率為0來決定總級(jí)數(shù)n的一種級(jí)配設(shè)計(jì)技術(shù)[3]。

I法是由同濟(jì)大學(xué)林繡賢教授在K法和N法基礎(chǔ)上，提出直接采用質(zhì)量通過百分率遞減系數(shù)i為參數(shù)的礦料級(jí)配組成計(jì)算方法[4]。

貝雷法采用參數(shù)CA（粗集料比）評(píng)價(jià)礦料中粗集料的含量和分析孔隙特征、FAc（細(xì)集料中粗料部分和細(xì)料部分的比例）反映細(xì)集料中粗料部分與細(xì)料部分的嵌擠與填充情況、FAf（細(xì)集料中最細(xì)的部分與次細(xì)部分的比例）反映合成集料中最細(xì)一級(jí)的嵌擠情況，采用這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行級(jí)配檢驗(yàn)，是比較系統(tǒng)的級(jí)配合成設(shè)計(jì)方法，粗、細(xì)集料可以更好搭配，粗集料間相互嵌擠形成骨架，細(xì)集料進(jìn)行填充，可以獲得合適的礦料間隙率（VMA），混合料擁有較高耐久性[5]。N法、K法、I法和貝雷法對(duì)比見表2。

表2 N法、K法、I法和貝雷法對(duì)比

2.2.2 級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

在研究過程中借鑒已有研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，n、i、k的取值應(yīng)分別在 0.5、0.7、0.7 左右較為合適[6]，最后各系數(shù)分別以間隔0.05、0.02、0.05對(duì)N法、I法以及K法進(jìn)行混合料級(jí)配設(shè)計(jì)計(jì)算，并結(jié)合規(guī)范上下限將級(jí)配計(jì)算曲線匯總，如圖1～圖3所示。

圖1 N法設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

圖2 I法設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

圖3 K法設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

由圖1～圖3可知，采用N法、I法和K法計(jì)算級(jí)配均在規(guī)范規(guī)定上下限范圍內(nèi)，當(dāng)n=0.45、0.50、0.55，i=0.68、0.70、0.72，k=0.70、0.75、0.80 時(shí)對(duì)應(yīng)的級(jí)配均滿足要求。為檢驗(yàn)級(jí)配設(shè)計(jì)合理性，采用貝雷法3參數(shù)CA、FAc、FAf進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)銑刨料的粒徑，本項(xiàng)目混合料的最大粒徑取31.5 mm，公稱最大粒徑為26.5 mm，計(jì)算貝雷法參數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 貝雷法級(jí)配檢驗(yàn)結(jié)果

從已有的貝雷法檢驗(yàn)級(jí)配研究結(jié)果可知：①參數(shù)CA決定了粗集料顆粒的填充及對(duì)細(xì)集料顆粒的壓實(shí)，取值范圍為0.4～0.8；②參數(shù)FAc決定了細(xì)集料中較粗部分的填充，取值范圍為0.35～0.50；③參數(shù)FAf決定了細(xì)集料中較細(xì)部分的填充，取值范圍為0.35～0.50。通過對(duì)表3中貝雷法的參數(shù)值分析，采用n=0.50、0.55，i=0.68、0.70 和 k=0.70、0.75 時(shí)的級(jí)配較優(yōu)，表 4為經(jīng)過貝雷法檢驗(yàn)的合格級(jí)配。

表4 經(jīng)貝雷法檢驗(yàn)的合格級(jí)配

根據(jù)表4給出的級(jí)配范圍，選擇每級(jí)篩孔通過率的最大值和最小值，初步得到堤頂?shù)缆匪喾€(wěn)定冷再生混合料用做基層時(shí)的推薦理論級(jí)配范圍，見表5。

表5 堤頂?shù)缆匪喾€(wěn)定冷再生基層混合料的理論級(jí)配范圍

2.2.3 級(jí)配修正分析

冷再生混合料中的舊路銑刨料在擊實(shí)和壓實(shí)過程中易發(fā)生顆粒破碎現(xiàn)象，導(dǎo)致冷再生混合料的級(jí)配產(chǎn)生變化[7]。在采用冷再生技術(shù)施工時(shí)，若想得到表5中提出的理論級(jí)配，就要將容易發(fā)生破碎的集料質(zhì)量減少，將級(jí)配變化考慮在內(nèi)，對(duì)理論級(jí)配進(jìn)行修正，降低施工過程中冷再生混合料顆粒破碎對(duì)級(jí)配變化的影響。通過室內(nèi)擊實(shí)研究顆粒破碎對(duì)級(jí)配變化影響，對(duì)2.2.2節(jié)提出的理論級(jí)配范圍進(jìn)行修正。

室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)可以近似反映現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)時(shí)的情況，按表5提出的冷再生混合料理論級(jí)配范圍的中值取試樣5 kg，不加結(jié)合料，在最佳含水率狀態(tài)下進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，烘干、篩分后得到擊實(shí)前后的級(jí)配變化情況，具體見表6。

由表6可知，粒徑在 26.5～31.5 mm、19.0～26.5 mm和4.75～19.0 mm范圍的集料質(zhì)量減少了，說明擊實(shí)過程中主要是這幾檔集料發(fā)生了破碎，為了降低顆粒破碎對(duì)冷再生混合料級(jí)配變化的影響，可以將冷再生混合料的理論級(jí)配和擊實(shí)過程中的級(jí)配變化疊加，對(duì)理論級(jí)配進(jìn)行修正，得到工程上適用的級(jí)配范圍，結(jié)果見表7。

表6 理論級(jí)配范圍中值各個(gè)檔位的分計(jì)篩余量

表7 工程級(jí)配范圍

3 水泥就地冷再生配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)上述級(jí)配設(shè)計(jì)研究的優(yōu)化結(jié)果，在黃河堤頂?shù)缆粪嵵荻芜M(jìn)行水泥就地冷再生配合比設(shè)計(jì)，并鋪筑試驗(yàn)段對(duì)本研究的工程級(jí)配范圍進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 原材料

原材料有水穩(wěn)碎石基層路面銑刨料、10～30 mm碎石、石屑及緩凝普通水泥P.C 42.5，其中銑刨料為舊路面水泥穩(wěn)定碎石基層和瀝青面層的混合銑刨料，并對(duì)各原材料指標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表8～表11。

表8 銑刨料檢測(cè)項(xiàng)目與檢測(cè)結(jié)果

表9 粗集料技術(shù)性質(zhì)

表10 細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)

表11 水泥的技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果及技術(shù)要求

3.2 鄭州段再生段級(jí)配設(shè)計(jì)研究

3.2.1 鄭州段合成級(jí)配

在工程級(jí)配范圍內(nèi)，調(diào)整10～30 mm碎石、石屑和銑刨料的比例得到了粗、中、細(xì)3種不同的級(jí)配組成，如圖4所示。

圖4 鄭州段再生段級(jí)配設(shè)計(jì)礦料合成級(jí)配

3.2.2 最佳含水率、最大干密度的確定

3種級(jí)配混合料的水泥劑量分別取4.0%、4.5%、5.0%、5.5%，每種水泥劑量下取5個(gè)不同的含水率進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，可得到不同水泥劑量下3種級(jí)配的最佳含水率和最大干密度，結(jié)果見表12。

表12 不同水泥劑量下的最佳含水率及最大干密度

3.2.3 最佳水泥劑量確定

不同水泥劑量混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表13。

表13 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表13可以看出，在最佳含水率狀態(tài)下，粗、中、細(xì)3種級(jí)配的抗壓強(qiáng)度與水泥劑量成正比，粗級(jí)配和中級(jí)配在4.5%的水泥劑量下滿足設(shè)計(jì)要求，細(xì)級(jí)配混合料在水泥劑量為5.0%時(shí)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.4 配合比確定

根據(jù)前述擊實(shí)試驗(yàn)和7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定的粗、中、細(xì)3種級(jí)配的最大干密度、最佳含水率、最佳水泥劑量等關(guān)鍵參數(shù)，可以得到3種級(jí)配的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，具體見表14。

表14 水泥穩(wěn)定碎石基層路面水泥就地冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

4 鄭州段3種級(jí)配水泥就地冷再生路用性能研究

4.1 3組級(jí)配路用性能試驗(yàn)結(jié)果

為更加合理地確定水泥就地冷再生混合料的最佳級(jí)配，對(duì)不同級(jí)配的再生混合料路用性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，將路用性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果匯總，見表15。

表15 不同級(jí)配路用性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

通過檢測(cè)數(shù)據(jù)可見，3種級(jí)配混合料的強(qiáng)度和剛度指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。其中細(xì)級(jí)配強(qiáng)度指標(biāo)最優(yōu)，中級(jí)配剛度最大，滿足水泥穩(wěn)定類基層抗壓回彈模量在1 300～1 700 MPa的要求。

在干縮性能方面，細(xì)級(jí)配干縮系數(shù)最大，粗級(jí)配最小，同時(shí)在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)開始后的0～10 h內(nèi)，試件的干縮系數(shù)不斷增大，10 h后干縮系數(shù)逐漸減小，主要是因?yàn)槌跗诨旌狭虾看螅稚⑹俣瓤欤煽s應(yīng)變變大，當(dāng)含水率減小到一定程度后，水分散失速度變慢，試件干縮應(yīng)變變小，干縮系數(shù)逐漸減小；在溫縮性能方面，3種級(jí)配的平均溫縮系數(shù)均較小，具有較好的抗溫度收縮性能。

經(jīng)過6 000次沖刷，粗級(jí)配混合料的抗沖刷性能較優(yōu)，粗級(jí)配混合料的貝雷法參數(shù)CA為0.79，介于0.70～0.85之間，混合料結(jié)構(gòu)平衡，便于壓實(shí)，中級(jí)配次之。

4.2 最佳配合比的確定

根據(jù)各種級(jí)配混合料路用性能的對(duì)比分析研究，將性能最好的記為“3”，性能居中的記作“2”，性能最差的記為“1”，結(jié)果如圖5所示。

圖5 3組級(jí)配的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比

從5圖可以看出，粗級(jí)配混合料有5個(gè)“3”、2個(gè)“2”、2 個(gè)“1”，中級(jí)配混合料有 3 個(gè)“3”、6 個(gè)“2”，細(xì)級(jí)配混合料有 2個(gè)“3”、3 個(gè)“2”、4 個(gè)“1”。 為合理判斷石灰穩(wěn)定土基層路面水泥就地冷再生混合料的最佳配合比，先根據(jù)上述評(píng)價(jià)等級(jí)，分別賦予“3”“2”“1”3個(gè)等級(jí)為90分、60分和30分，計(jì)算粗、中、細(xì)3種級(jí)配得分為630分、630分和480分，由于施工過程中粗級(jí)配比中級(jí)配難以壓實(shí)，施工難度大，因此最終確定本項(xiàng)目采用中級(jí)配混合料，同時(shí)考慮就地冷再生技術(shù)屬于路拌法施工，水泥劑量增加1%，采用5.5%，配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表16。

表16 鄭州段水泥就地冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

5 鄭州段水泥就地冷再生試驗(yàn)段的結(jié)果分析

在黃河堤頂?shù)缆粪嵵荻蜬30+500—K30+700，進(jìn)行了200 m試驗(yàn)路段的鋪筑，嚴(yán)格控制施工過程，對(duì)再生混合料級(jí)配、水泥劑量、含水率、壓實(shí)度、7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果分別見表17和表18，各檢測(cè)指標(biāo)均較好地滿足設(shè)計(jì)要求。

表17 再生混合料篩分試驗(yàn)結(jié)果

表18 再生混合料現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié) 論

通過N法、I法和K法對(duì)水泥就地冷再生基層混合料的級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，并用貝雷法進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)合混合料在擊實(shí)和現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)過程中的壓碎情況，對(duì)理論級(jí)配范圍進(jìn)行修正，得到了工程上適用的級(jí)配范圍。在黃河堤頂?shù)缆粪嵵荻闻f路基層為水泥穩(wěn)定碎石的瀝青路面進(jìn)行了試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均較好地滿足規(guī)范要求，主要結(jié)論如下。

（1）通過貝雷法的3參數(shù)分析，采用 n=0.50、0.55，i=0.68、0.70 和 k=0.70、0.75 時(shí)的級(jí)配較優(yōu)，由此總結(jié)出水泥就地冷再生的理論級(jí)配范圍。

（2）結(jié)合混合料在擊實(shí)和現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)過程中的壓碎情況，對(duì)理論級(jí)配范圍進(jìn)行修正，得到了工程級(jí)配范圍。

（3）在工程級(jí)配范圍內(nèi)的粗、中、細(xì)3組級(jí)配，經(jīng)室內(nèi)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、剛度、干縮和溫縮系數(shù)等路用性能驗(yàn)證，得到最佳配比為中級(jí)配，即10～30 mm碎石、石屑、銑刨料比例為20%、6%、74%，水泥劑量為4.5%，最佳含水率為6.5%。考慮到就地冷再生路拌法施工的實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)將水泥劑量增加1%，即采用5.5%，最佳含水率為18.2%，最大干密度為2.169 g/cm3。

（4）黃河堤頂?shù)缆粪嵵荻卧囼?yàn)路段的再生混合料級(jí)配、水泥劑量、含水量、壓實(shí)度、7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)均較好地滿足規(guī)范要求。