垂直振動壓實水泥冷再生混合料的回彈模量特性

李國偉，陳 豫，薛金順，蔣應軍，劉延金

垂直振動壓實水泥冷再生混合料的回彈模量特性

李國偉1，陳 豫2，薛金順3，蔣應軍3，劉延金3

(1.河南省三門峽至淅川高速公路項目有限公司，河南三門峽 472000;2.金華市城區公路管理段，浙江金華 321000;3.長安大學公路學院，陜西西安 710064)

采用垂直振動試驗研究了養生齡期、基面層回收料比例、新集料摻量、水泥劑量等因素對水泥冷再生混合料(CCRM)室內抗壓回彈模量的影響。結果表明:CCRM的7 d模量約為極限模量的40%，28 d模量約為極限模量的80%，90 d模量約為極限模量的90%;隨著基面層回收料比例增加，CCRM模量有所增大，CCRM 90 d模量約為水泥穩定碎石的0．5～0．7倍;與不摻新集料的CCRM相比，摻20%新集料CCRM的極限模量提高3%～18%，摻40%新集料CCRM的極限模量提高13% ～29%;CCRM模量隨水泥劑量的增加而增大，但幅度不大。

道路工程;水泥冷再生混合料;垂直振動試驗法;回彈模量

0 引言

近幾年，水泥冷再生技術在瀝青路面養護中被廣泛應用，國內外道路工作者對此也開展了大量的研究工作，并取得了豐碩的成果［1］。國外，Issa等研究了影響水泥冷再生混合料(Cement Cold Recycling Mixtures，簡稱CCRM)強度的因素，指出水泥劑量、回收料摻量、養生時間等對CCRM的物理力學特性有著重要的影響［2-5］;Alex研究了室內成型CCRM試件與現場芯樣的力學性能，指出兩者對混合料的工程特性影響差別不大［6］;Michael通過對冷再生混合料的設計方法進行研究，指出滿足設計要求的最大回收料摻量為75%［7］。國內，陳向上等研究了CCRM的力學性能影響因素，揭示了回收料級配及添加劑對 CCRM的作用機理;曾石發等研究了CCRM疲勞特性的影響因素，指出CCRM在較低應力水平下疲勞性能較優，且其敏感性相對于普通半剛性基層材料較優［8-9］;苗乾等通過對比分析振動和靜壓2種成型方法對水泥穩定冷再生混合料試件抗壓強度的影響，指出采用振動成型法能提升水泥穩定冷再生混合料的性能，從而有助于路面承載能力以及穩定性的提升;劉濤等人分析了水泥冷再生混合料路用性能的影響因素，提出采用旋轉壓實方法來確定混合料的最佳含水量和最大干密度［10-11］;曾夢瀾等人通過研究冷再生瀝青路面的結構組合形式，提出應采用改建路面設計方法對冷再生瀝青路面厚度進行設計［12］。

目前對CCRM回彈模量的研究相對較少，而作為再生瀝青路面結構設計的重要參數之一，回彈模量對路面結構組合設計有著重要影響，因此，研究CCRM回彈模量的變化規律具有重要意義。其次，目前對冷再生混合料性能的研究大多采用靜壓法成型試件，而相關研究表明，室內靜壓法成型的試件與現場芯樣的相關性較差，這就使得靜壓法成型的試件無法揭示冷再生材料本質屬性及其內在規律，致使難以有效地指導冷再生材料優化設計，無法為路面設計提供準確參數［13］，而垂直振動試驗法成型的試件與路面芯樣的物理力學性能相關性可達90%［14］。因此，本文依托河南省S325省道許昌市境內改建工程，采用垂直振動試驗法，研究水泥劑量、基面層回收料比例、新集料摻量、養生齡期等因素對CCRM抗壓回彈模量的影響。

1 原材料與研究方案

1．1 原材料

水泥采用鄭州天瑞牌復合硅酸鹽水泥;新集料采用河南許昌淺井鄉生產的石灰巖碎石;路面回收集料為面層回收集料(Reclaimed Asphalt Pavement Material，簡稱RAP)與基層回收集料(Reclaimed Cement Base Material，簡稱 RCB)。

1．2 研究方案

(1)基面層回收料比例。S325省道許昌市境內改建工程原面層為7 cm厚瀝青混凝土(3 cm AC-13和4 cm AC-16)，原基層為18 cm厚水泥穩定碎石。根據原路面銑刨情況選取3種基面層材料比例進行研究，分別為瀝青面層全銑刨;基層部分、瀝青面層全部銑刨;基層全部、面層全部銑刨。對應室內基面層比例為0∶1、1∶1、7∶3。路面結構具體銑刨厚度見表1。

表1 路面結構銑刨厚度

(2)新集料摻量(VAG)。為了改善回收集料的級配，在回收集料中分別摻20%和40%的新集料，以研究新集料摻量對CCRM模量的影響。為方便敘述，不摻新集料的CCRM用100%CCRM表示，摻20%新集料的CCRM用80%CCRM表示，摻40%新集料的CCRM用60%CCRM表示。

(3)水泥劑量。水泥劑量(Ps)擬分別采用3%、4%。

(4)礦料級配。采用骨架密實級配［15］，擬定10組CCRM試驗級配，研究級配對CCRM模量的影響，結果見表2。

1．3 試驗方法

(1)振動試驗方法。垂直振動擊實儀工作時只產生垂直振動力而沒有水平力，振動參數配置為:工作頻率為30 Hz，激振力為7．6 kN，名義振幅為1．2 mm，上車重力為1．2 kN，下車重力為1．8 kN。

采用垂直振動擊實儀將不同含水量的CCRM振動擊實100 s，擊實后測試不同含水量CCRM的密度，繪制CCRM的干密度與含水量的曲線，確定最大干密度和最佳含水量［16-18］。

采用垂直振動擊實儀成型圓柱體試件，試件尺寸為15 cm×15 cm，壓實度達98%。

(2)抗壓回彈模量測試方法。CCRM室內抗壓回彈模量試驗采用頂面法。

2 室內試驗結果及分析

2．1 室內抗壓回彈模量

根據垂直振動擊實確定的最大干密度與最佳含水率成型試件，養生至規定齡期，測試CCRM試件不同齡期的抗壓回彈模量代表值，結果見表3。

表2 礦料級配

表3 CCRM室內抗壓回彈模量代表值

2．2 養生齡期的影響

2．2．1 回彈模量增長模型

假設CCRM抗壓回彈模量的增長方程滿足公式

式中:T為養生齡期(d);Ec為抗壓回彈模量(MPa);E0為初始抗壓回彈模量(MPa);E∞為極限抗壓回彈模量(MPa);ηc為回歸系數。

采用式(1)對CCRM回彈模量進行回歸，不同的回歸方程抗壓回彈模量增長模型見表4。

表4 CCRM抗壓回彈模量增長模型

由表4可知，采用式(1)擬合的CCRM抗壓回彈模量的相關系數較高，這說明該公式能較好地預測回彈模量的增長規律。

2．2．2 回彈模量增長曲線

圖1是根據表3、4中數據得到的Ec/E∞與齡期之間的關系。如圖1所示，隨著養生齡期的增加，CCRM的抗壓回彈模量增大，28 d以前回彈模量增長速率較快，28 d以后回彈模量增長速率逐漸趨于平緩，并趨于零。28 d的CCRM回彈模量約為極限模量的80%，90 d的CCRM回彈模量約為極限模量的90%。因此，為了保證CCRM具有足夠的強度與剛度，必須加強CCRM的養生，尤其是早期養生。

圖1 E c/E∞隨養生齡期變化規律曲線

2．3 RCB/RAP 的影響

CCRM與水泥穩定碎石抗壓回彈模量的比值和齡期之間的關系，如圖2所示。圖中P1B0/P0B0表示RCB∶RAP=0∶1的CCRM與水泥穩定碎石的抗壓回彈模量之比，其他類推。

圖2 抗壓回彈模量比值隨養生齡期變化規律曲線

由圖2可知，隨著養生齡期的增加，CCRM與水泥穩定碎石抗壓回彈模量的比值先增大，然后緩慢減小直至穩定。作為設計參數，運營期間的模量具有工程實際意義，也就是說，后期模量是值得關注的重點，而養生90 d的CCRM的模量達極限模量的90%。因此，應重點討論90 d齡期的模量。

水泥劑量為3%時，100%CCRM、80%CCRM、60%CCRM的90 d抗壓回彈模量約為水泥穩定碎石的0．53 ～0．67、0．55 ～0．65、0．59 ～ 0．72，其中RCB越大，比值越大;水泥劑量為4%時，100%CCRM、80%CCRM、60%CCRM 的90 d抗壓回彈模量約為水泥穩定碎石的 0．58 ～0．76，0．55 ～0.70、0．57～0．71。可知，RCB 對 CCRM 的抗壓回彈模量有著顯著影響。

2．4 新集料摻量的影響

新集料摻量對CCRM抗壓回彈模量的影響見表5。表中Ec20/Ec0表示80%CCRM與100%CCRM的抗壓回彈模量之比，其他類推。

表5 不同新集料摻量下的抗壓回彈模量

由表5可知:CCRM的極限模量隨著RCB增大而有所增大;與100%CCRM的極限模量相比，80%CCRM的極限模量提高了3% ～18%，60%CCRM的極限模量提高了13%～29%。

2．5 水泥劑量的影響

由表5可知，CCRM的極限模量均隨水泥劑量的增加而增大，但增大幅度不明顯。同時，過多的水泥劑量對CCRM基層的抗裂性能不利［15］。

3 結語

(1)研究了養生齡期對CCRM室內抗壓回彈模量的影響。結果表明，隨著養生齡期增加，CCRM抗壓回彈模量隨之增大，且28 d之前模量增長速率較快，28 d之后增長速率變緩，最后逐漸趨于零。28 d的CCRM回彈模量約為極限模量的80%，90 d的CCRM回彈模量約為極限模量的90%。建議加強CCRM的養生，尤其是早期養生。

(2)研究了基面層回收料比例對CCRM室內抗壓回彈模量的影響。結果表明，水泥劑量為3%時，100%CCRM、80%CCRM、60%CCRM 的 90 d抗壓回彈模量約為水泥穩定碎石的0．53～0．67、0.55～0．65、0．59 ～0．72，其中 RCB 摻量越大，比值越大;水泥劑量為4%時，100%CCRM、80%CCRM、60%CCRM的90 d抗壓回彈模量約為水泥穩定碎石的 0．58 ～0．76，0．55 ～0．70、0．57 ～0.71。可知，RCB摻量對CCRM的抗壓回彈模量影響顯著。

(3)研究了新集料摻量對CCRM室內抗壓回彈模量的影響。結果表明，CCRM的極限模量隨著RCB摻量增大而有所增大;與100%CCRM的極限模量相比，80%CCRM的極限模量提高了3% ～18%，60%CCRM的極限模量提高了13% ～29%。

(4)研究了水泥劑量等對CCRM室內抗壓回彈模量的影響。結果表明，CCRM的極限模量均隨著水泥劑量的增加而增大，但增大幅度不明顯。

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Modulus of Resilience of Cement Cold Recycling Mixtures Under Vertical Vibration Compaction

LI Guo-wei1，CHEN Yu2，XUE Jin-shun3，JIANG Ying-jun3，LIU Yan-jin3
(1．Henan Sanmenxia-Xichuan Expressway Co．，Ltd．，Sanmenxia 472000，Henan，China;2．Wucheng District Highway Management of Jinhua City，Jinhua 321000，Zhejiang，China;3．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China)

The effects of the factors such as the curing time，the proportion of reclaimed base course and surface course materials used in the mixture，the amount of virgin aggregate and the cement dosage on the compressive modulus of resilience of the cement cold recycling mixtures(CCRM)were studied by the vertical vibration test．The results show that after 7 d，28 d and 90 d of curing，the modulus of CCRM reaches 40%，80%and 90%of the ultimate modulus of resilience;with the increase of the proportion of the recycled material，the modulus of CCRM increases，and its 90 d modulus is about 0．5 ～0．7 times of the cement stabilized macadam;compared with CCRM without virgin aggregate，the ultimate modulus of CCRM mixed with 20%virgin aggregate increases by about 3% ～18%，and that of CCRM mixed with 40%virgin aggregate increases by 13%～29%;the modulus of CCRM increases in line with the increasing amount of cement in an unremarkable scale．

road engineering;cement cold recycling mixture;vertical vibration test method;modulus of resilience

U414．01

B

1000-033X(2017)10-0058-05

2017-04-14

河南省交通運輸科技項目(2014K49-1)

李國偉(1977-)，男，河南駐馬店人，工程師，主要從事道路、橋梁工程建設工作。

［責任編輯:杜敏浩］