公路水穩(wěn)冷再生基層材料組成設(shè)計(jì)與耐久性研究

馬勇

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830002）

1 引言

目前，隨著新疆兵團(tuán)公路通車(chē)?yán)锍痰募哟螅ń刂?018年年底，新疆兵團(tuán)公路總里程達(dá)到35 622km），兵團(tuán)公路建設(shè)由以往單一的建設(shè)階段逐漸發(fā)展到新建與改建、養(yǎng)護(hù)與維修并行的階段。早期修建的公路由于技術(shù)限制、超負(fù)荷工作、設(shè)計(jì)服務(wù)年限限制等原因，出現(xiàn)不同程度的破壞，需要進(jìn)行及時(shí)養(yǎng)護(hù)和改擴(kuò)建。水泥穩(wěn)定瀝青路面冷再生技術(shù)主要是在充分利用原有舊瀝青路面材料、基層材料的基礎(chǔ)上，重新添加新穩(wěn)定劑和骨料，然后將這些材料進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬笤俅沃苯愉佒谠访娼Y(jié)構(gòu)中的一種技術(shù)。冷再生技術(shù)可以將廢舊建筑材料再利用，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但同時(shí)也會(huì)影響新路面結(jié)構(gòu)基層材料的力學(xué)特性，本人通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)水穩(wěn)冷再生基層材料的組成設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行研究[1]。

2 水穩(wěn)冷再生材料強(qiáng)度形成機(jī)理

水穩(wěn)冷再生基層材料的強(qiáng)度形成主要與水泥的性質(zhì)有關(guān)，與廠拌、現(xiàn)場(chǎng)冷再生導(dǎo)致的施工工藝不同影響較小，其強(qiáng)度形成主要分為機(jī)械和化學(xué)作用。機(jī)械作用主要是指冷再生材料施工中的機(jī)械壓實(shí)作用，在壓實(shí)過(guò)程中大顆粒集料項(xiàng)目接觸擠壓形成強(qiáng)度骨架，細(xì)集料與水泥膠漿等形成接觸膠結(jié)力，為后期的水泥水化作用提供條件，機(jī)械壓實(shí)作用主要提供基層結(jié)構(gòu)的前期強(qiáng)度，為后期水泥結(jié)構(gòu)硬化提供結(jié)構(gòu)支撐?；瘜W(xué)作用是指水泥結(jié)構(gòu)在養(yǎng)護(hù)下形成結(jié)構(gòu)的固化黏聚力，尤其是水泥成分中的3Ca·Al2O3是形成水穩(wěn)基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最主要物質(zhì)結(jié)構(gòu)，微觀電鏡下可以顯示出在水泥水化中水泥膠體會(huì)形成三維的凝聚網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并與集料形成堅(jiān)實(shí)的整體結(jié)構(gòu)。

3 水穩(wěn)冷再生材料組成設(shè)計(jì)

本文以新疆兵團(tuán)第八師水泥、砂石廠材料進(jìn)行水穩(wěn)再生材料的組成設(shè)計(jì)，水泥品種為PC32.5的復(fù)合硅酸鹽水泥，試驗(yàn)指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)砂石廠集料類(lèi)型選擇 0～5mm、5～10mm、10～20mm 3檔新集料進(jìn)行通過(guò)率試驗(yàn)，確定出每個(gè)篩孔的通過(guò)率。從施工現(xiàn)場(chǎng)選取銑刨完畢的舊料進(jìn)行壓碎值、含水量等試驗(yàn)檢驗(yàn)后，水洗篩分確定舊料的級(jí)配類(lèi)型，如圖1所示為各檔新舊集料級(jí)配曲線[2]。研究證明，骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)具有良好的抗壓和抗劈裂性能，根據(jù)水穩(wěn)基層結(jié)構(gòu)狀態(tài)需求以及以往工程經(jīng)驗(yàn)，本研究中舊料的添加比例為80%、90%、100%，選用目標(biāo)級(jí)配中的骨架密實(shí)型級(jí)配范圍進(jìn)行約束，水泥劑量按規(guī)范建議值分別選用4%、5%、6%進(jìn)行組成設(shè)計(jì)，按照公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)方法進(jìn)行擊實(shí)成型。

圖1 各檔集料通過(guò)率曲線

在最佳含水量下利用靜壓法形成水穩(wěn)基層結(jié)構(gòu)的圓柱形試驗(yàn)，并在規(guī)范條件下養(yǎng)護(hù)后，進(jìn)行試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)中去除每組試驗(yàn)結(jié)果的離散點(diǎn)后取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯谒鄤┝肯嗤码S著舊料添加比例的增加，抗壓強(qiáng)度降低，水泥劑量越大試件的抗壓強(qiáng)度越高，試件的抗壓性能也就越好。同樣按照規(guī)范方法進(jìn)行試件的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果按照公式可計(jì)算每組設(shè)計(jì)組成的劈裂強(qiáng)度，其中，R為試件間接抗拉強(qiáng)度；d為試件直徑；θ為半壓條寬對(duì)應(yīng)的圓心角；a為壓條寬度；h為浸水高度；P為試件破壞時(shí)的壓力[3]，各組的計(jì)算結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，舊料添加比例越高，劈裂強(qiáng)度越?。辉谕壤f料下，水泥劑量越高，抗劈裂性能越好。這與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似，一方面加大的水泥劑量有利于水穩(wěn)材料后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)，參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)成分越多，強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)越高；另一方面舊料的增加會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，影響強(qiáng)度的大小。

表2 無(wú)側(cè)限抗壓與劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 水穩(wěn)冷再生基層耐久性研究

水穩(wěn)冷再生基層結(jié)構(gòu)作為路面結(jié)構(gòu)的持力層之一，在交通荷載的反復(fù)影響下容易產(chǎn)生疲勞損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性不足發(fā)生破壞，進(jìn)而影響到整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的破壞，因此，從抗疲勞性能出發(fā)進(jìn)行再生水穩(wěn)基層結(jié)構(gòu)的耐久性研究尤為重要。本文采用室內(nèi)加載的試驗(yàn)方法，利用UTM萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行材料的疲勞性能測(cè)試，根據(jù)上述力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)選用6%水泥+100%舊料、5%水泥+90%舊料、4%水泥+80%舊料3種級(jí)配組成進(jìn)行對(duì)比分析，采用應(yīng)力控制方式，根據(jù)試件劈裂強(qiáng)度確定出3種應(yīng)力水平為0.5、0.6、0.7，加載頻率為 10Hz，加載時(shí)間為0.016s，在室溫下進(jìn)行，破壞標(biāo)準(zhǔn)以勁度模量下降為初始模量的50%為準(zhǔn)，試驗(yàn)中每個(gè)應(yīng)力水平下進(jìn)行3個(gè)試件取平均值，按照公式lgNf=k-nσ對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單對(duì)數(shù)方程擬合，式中截距k值越大，表示材料抗疲勞性質(zhì)越好；n值越大，材料的疲勞敏感度越高[4]；舊料比例越大，數(shù)據(jù)的離散型越高，試件的抗疲勞性能越好；水泥劑量越低，材料的疲勞敏感性越高。因此，從耐久性考慮，需要適當(dāng)增加舊料比例和水泥劑量。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于水泥劑量及舊料摻加比例不同，進(jìn)行了水穩(wěn)基層冷再生材料的組成設(shè)計(jì)，通過(guò)力學(xué)測(cè)試分析了不同情況下試件的力學(xué)指標(biāo)，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了材料結(jié)構(gòu)的抗疲勞耐久性分析。結(jié)果顯示，水穩(wěn)冷再生材料具有良好的耐久性能，可以滿足公路大中修的基層材料使用要求。