水泥穩定就地冷再生結構與材料設計優化

尚同羊+馬慶偉+彌海晨

摘 要：通過對某國道舊路面狀況評價及交通量調查，確定水泥穩定就地冷再生的再生厚度；并在配合比設計中添加不同規格的新料，分析其對混合料強度的影響。結果表明：當舊瀝青路面材料骨料偏少時，摻加規格為10～20 mm的新料可以有效提高再生混合料的強度。

關鍵詞：就地冷再生；骨料；配合比；混合料強度

中圖分類號：U418.8 文獻標志碼：B

0 引 言

水泥穩定就地冷再生技術，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度，還有利于節約能源和大量筑路材料，降低工程造價。因此，將舊瀝青路面水泥穩定就地冷再生技術在公路改建和大中修建設中推廣應用非常必要[1-2]。

本文依托陜西省某國道，對其舊路面狀況進行評價，選取水泥穩定就地冷再生作為舊瀝青路面修補方案，并著重對冷再生結構與材料設計進行優化，以期提高水泥穩定就地冷再生的應用效果。

1 工程概況

1.1 結構設計依據

本試驗段位于陜西省某國道，通過對舊路面狀況評價、交通量調查及相關材料指標測定，得到本試驗段路面結構及設計依據，見表1。

1.2 舊路病害調查

因車輛超重超載，舊路面產生了比較嚴重的損壞，主要表現為：表面層剝落、坑槽、網裂和局部沉陷等（圖1）；且由于老路局部路段線形較差，導致路表面積水比較嚴重（圖2）。通過對舊路彎沉的調查，發現彎沉值為70～80（0.01 mm），說明舊路承載力不足。

通過對該路段交通量調查發現，貨車在通行車輛中所占比重較大，超限超載現象嚴重，再加上重載車輛車流量持續增長，導致路面產生各種病害，交通事故頻發。

2 再生厚度的確定

2.1 路面再生結構組合及參數

根據本地區的路用材料，結合已有工程經驗與典型結構[3-4]，擬定路面再生結構組合及參數見表2。

采用BISAR3.0軟件對上述路面結構層進行計算，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

經計算知，當再生厚度H=15 cm時，設計彎沉LS=33.9（0.01 mm）；當H=20 cm時，LS=29.9 （0.01 mm）；當H=25 cm時，LS=26.5（0.01 mm）。由此擬定，滿足設計彎沉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時的各結構層層底拉應力σm驗算可知：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。該路面結構滿足設計彎沉與容許拉應力的設計要求，因此確定再生厚度為20 cm。

3 配合比設計

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度，也直接決定再生厚度。本節利用換算公式確定新料的添加比例以及添加規格，其中單位面積內不同材料的質量換算公式如式（1）所示，不同材料的質量比換算如式（2）所示。

（2）式中：Mi為每平方厘米面積內不同材料在再生混合料中的質量（g）；i表示面層、基層、新料和再生層不同的結構層；Hi為不同結構層的厚度（cm）；ρi為不同結構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量比（%）；Mr為再生層在每平方厘米面積內的質量（g·cm-2）。

按照相關試驗規程規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行測定，并通過本路段相關試驗資料及類似工程經驗擬定再生層的最大干密度，結果如表3所示。

3.2 試驗條件

本次試驗按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTJ E51—2009）中有關規定進行，采用重型擊實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，采用靜力壓實法制備。在養生室常溫濕氣養生7 d（飽水24 h）。無側限抗壓強度試驗采用Φ15×15 cm試件。將飽水24 h后的試件放到路面材料強度試驗儀的升降臺上，使試件的形變以1 mm·min-1的等速率增加，進行抗壓強度試驗。

3.3 舊銑刨料的評價

本著節約資源、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可滿足設計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行添加新料的配合比設計）。因此首先對舊銑刨料進行級配合成，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，所以在確定水泥現場冷再生時也需要添加一部分骨料來優化級配，以提高其強度。另一方面，由于現場通過再生機銑刨基層和面層時難免會破碎大顆粒的骨料，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，在配合比設計中決定分別添加10～20 mm和10～30 mm的新料，對比分析不同規格的新料對混合料強度的影響，以確定添加新料的規格。

3.4 配合比設計

3.4.1 添加水泥+10～20 mm新料

出于節省新料的考慮，先擬定再生厚度增加至22 cm。經式（1）、（2）計算可知，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，經式（1）、（2）計算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反應在級配組成上如表6所示。通過重型擊實試驗，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無側限抗壓強度。結果不滿足規定中“7 d無側限抗壓強度不小于2.5 MPa”的要求。因此，舊料經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，不能滿足強度要求。

3.4.2 添加水泥+石灰+10～20 mm新料

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

通過重型擊實試驗，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無側限抗壓強度，結果仍然不符合規定，說明本級配也不滿足要求。

3.4.3 添加水泥+10～30 mm新料

根據上述兩組試驗結果，發現添加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，強度無法滿足規范要求。因此，第三組試驗采用10～30 mm的新料來改善基層灰土，以便提高其強度，級配同第一組試驗。

經式（1）、（2）計算可知，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。

通過重型擊實試驗，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，混合料效果最佳。并在此基礎上靜壓成型試件，測定其7 d無側限抗壓強度為3.103 MPa，達到規定要求，說明添加10～30 mm新料后對骨料強度提高顯著。

根據式（1）可得，再生層Mr=Hrρ=24×2=48 g，再由式（2）推導得M10～30= P10～30×Mr=4.8 g，進而得出H10～30 =M10～30/ρ10～30=4.8/1.523=3.15 cm≈3 cm。

4 結 語

通過試驗得出以下結論。

（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度，并且可以有效利用舊路面材料。

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

（3） 根據本路段路面結構狀況，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%的水泥進行水泥穩定就地冷再生。該施工方案可供其他工程借鑒。

參考文獻：

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

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

[3] 眭封云.對水泥穩定就地冷再生技術設計的探討[J].鹽城工學院學報：自然科學版，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[J].筑路機械與施工機械化，2012，29（1）：50-63.

[責任編輯：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，經式（1）、（2）計算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反應在級配組成上如表6所示。通過重型擊實試驗，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無側限抗壓強度。結果不滿足規定中“7 d無側限抗壓強度不小于2.5 MPa”的要求。因此，舊料經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，不能滿足強度要求。

3.4.2 添加水泥+石灰+10～20 mm新料

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

通過重型擊實試驗，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無側限抗壓強度，結果仍然不符合規定，說明本級配也不滿足要求。

3.4.3 添加水泥+10～30 mm新料

根據上述兩組試驗結果，發現添加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，強度無法滿足規范要求。因此，第三組試驗采用10～30 mm的新料來改善基層灰土，以便提高其強度，級配同第一組試驗。

經式（1）、（2）計算可知，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。

通過重型擊實試驗，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，混合料效果最佳。并在此基礎上靜壓成型試件，測定其7 d無側限抗壓強度為3.103 MPa，達到規定要求，說明添加10～30 mm新料后對骨料強度提高顯著。

根據式（1）可得，再生層Mr=Hrρ=24×2=48 g，再由式（2）推導得M10～30= P10～30×Mr=4.8 g，進而得出H10～30 =M10～30/ρ10～30=4.8/1.523=3.15 cm≈3 cm。

4 結 語

通過試驗得出以下結論。

（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度，并且可以有效利用舊路面材料。

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

（3） 根據本路段路面結構狀況，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%的水泥進行水泥穩定就地冷再生。該施工方案可供其他工程借鑒。

參考文獻：

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

[3] 眭封云.對水泥穩定就地冷再生技術設計的探討[J].鹽城工學院學報：自然科學版，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[J].筑路機械與施工機械化，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，經式（1）、（2）計算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反應在級配組成上如表6所示。通過重型擊實試驗，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無側限抗壓強度。結果不滿足規定中“7 d無側限抗壓強度不小于2.5 MPa”的要求。因此，舊料經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，不能滿足強度要求。

3.4.2 添加水泥+石灰+10～20 mm新料

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

通過重型擊實試驗，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無側限抗壓強度，結果仍然不符合規定，說明本級配也不滿足要求。

3.4.3 添加水泥+10～30 mm新料

根據上述兩組試驗結果，發現添加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，強度無法滿足規范要求。因此，第三組試驗采用10～30 mm的新料來改善基層灰土，以便提高其強度，級配同第一組試驗。

經式（1）、（2）計算可知，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。

通過重型擊實試驗，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，混合料效果最佳。并在此基礎上靜壓成型試件，測定其7 d無側限抗壓強度為3.103 MPa，達到規定要求，說明添加10～30 mm新料后對骨料強度提高顯著。

根據式（1）可得，再生層Mr=Hrρ=24×2=48 g，再由式（2）推導得M10～30= P10～30×Mr=4.8 g，進而得出H10～30 =M10～30/ρ10～30=4.8/1.523=3.15 cm≈3 cm。

4 結 語

通過試驗得出以下結論。

（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度，并且可以有效利用舊路面材料。

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

（3） 根據本路段路面結構狀況，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%的水泥進行水泥穩定就地冷再生。該施工方案可供其他工程借鑒。

參考文獻：

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

[3] 眭封云.對水泥穩定就地冷再生技術設計的探討[J].鹽城工學院學報：自然科學版，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[J].筑路機械與施工機械化，2012，29（1）：50-63.

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