公路水穩冷再生基層材料組成設計與耐久性研究

馬勇

（新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，烏魯木齊 830002）

1 引言

目前，隨著新疆兵團公路通車里程的加大（截至2018年年底，新疆兵團公路總里程達到35 622km），兵團公路建設由以往單一的建設階段逐漸發展到新建與改建、養護與維修并行的階段。早期修建的公路由于技術限制、超負荷工作、設計服務年限限制等原因，出現不同程度的破壞，需要進行及時養護和改擴建。水泥穩定瀝青路面冷再生技術主要是在充分利用原有舊瀝青路面材料、基層材料的基礎上，重新添加新穩定劑和骨料，然后將這些材料進行充分攪拌后再次直接鋪筑在原路面結構中的一種技術。冷再生技術可以將廢舊建筑材料再利用，具有較高的經濟效益和社會效益，但同時也會影響新路面結構基層材料的力學特性，本人通過室內試驗對水穩冷再生基層材料的組成設計以及結構的耐久性進行研究[1]。

2 水穩冷再生材料強度形成機理

水穩冷再生基層材料的強度形成主要與水泥的性質有關，與廠拌、現場冷再生導致的施工工藝不同影響較小，其強度形成主要分為機械和化學作用。機械作用主要是指冷再生材料施工中的機械壓實作用，在壓實過程中大顆粒集料項目接觸擠壓形成強度骨架，細集料與水泥膠漿等形成接觸膠結力，為后期的水泥水化作用提供條件，機械壓實作用主要提供基層結構的前期強度，為后期水泥結構硬化提供結構支撐。化學作用是指水泥結構在養護下形成結構的固化黏聚力，尤其是水泥成分中的3Ca·Al2O3是形成水穩基層結構強度的最主要物質結構，微觀電鏡下可以顯示出在水泥水化中水泥膠體會形成三維的凝聚網狀結構，并與集料形成堅實的整體結構。

3 水穩冷再生材料組成設計

本文以新疆兵團第八師水泥、砂石廠材料進行水穩再生材料的組成設計，水泥品種為PC32.5的復合硅酸鹽水泥，試驗指標如表1所示。

表1 水泥試驗指標

根據砂石廠集料類型選擇 0～5mm、5～10mm、10～20mm 3檔新集料進行通過率試驗，確定出每個篩孔的通過率。從施工現場選取銑刨完畢的舊料進行壓碎值、含水量等試驗檢驗后，水洗篩分確定舊料的級配類型，如圖1所示為各檔新舊集料級配曲線[2]。研究證明，骨架密實型結構具有良好的抗壓和抗劈裂性能，根據水穩基層結構狀態需求以及以往工程經驗，本研究中舊料的添加比例為80%、90%、100%，選用目標級配中的骨架密實型級配范圍進行約束，水泥劑量按規范建議值分別選用4%、5%、6%進行組成設計，按照公路工程無機結合料穩定材料試驗方法進行擊實成型。

圖1 各檔集料通過率曲線

在最佳含水量下利用靜壓法形成水穩基層結構的圓柱形試驗，并在規范條件下養護后，進行試件的無側限抗壓強度試驗，試驗中去除每組試驗結果的離散點后取平均值，試驗結果如表3所示。可以看出，在水泥劑量相同下隨著舊料添加比例的增加，抗壓強度降低，水泥劑量越大試件的抗壓強度越高，試件的抗壓性能也就越好。同樣按照規范方法進行試件的劈裂強度試驗，根據試驗結果按照公式可計算每組設計組成的劈裂強度，其中，R為試件間接抗拉強度；d為試件直徑；θ為半壓條寬對應的圓心角；a為壓條寬度；h為浸水高度；P為試件破壞時的壓力[3]，各組的計算結果如表2所示。可以看出，舊料添加比例越高，劈裂強度越小；在同比例舊料下，水泥劑量越高，抗劈裂性能越好。這與抗壓強度試驗結果類似，一方面加大的水泥劑量有利于水穩材料后期強度的增長，參與化學反應的物質成分越多，強度增長相對越高；另一方面舊料的增加會影響到結構的密實性，影響強度的大小。

表2 無側限抗壓與劈裂強度試驗結果

4 水穩冷再生基層耐久性研究

水穩冷再生基層結構作為路面結構的持力層之一，在交通荷載的反復影響下容易產生疲勞損傷，導致結構耐久性不足發生破壞，進而影響到整個路面結構的破壞，因此，從抗疲勞性能出發進行再生水穩基層結構的耐久性研究尤為重要。本文采用室內加載的試驗方法，利用UTM萬能試驗機，進行材料的疲勞性能測試，根據上述力學試驗結果，試驗選用6%水泥+100%舊料、5%水泥+90%舊料、4%水泥+80%舊料3種級配組成進行對比分析，采用應力控制方式，根據試件劈裂強度確定出3種應力水平為0.5、0.6、0.7，加載頻率為 10Hz，加載時間為0.016s，在室溫下進行，破壞標準以勁度模量下降為初始模量的50%為準，試驗中每個應力水平下進行3個試件取平均值，按照公式lgNf=k-nσ對試驗數據進行單對數方程擬合，式中截距k值越大，表示材料抗疲勞性質越好；n值越大，材料的疲勞敏感度越高[4]；舊料比例越大，數據的離散型越高，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，需要適當增加舊料比例和水泥劑量。

5 結語

本文基于水泥劑量及舊料摻加比例不同，進行了水穩基層冷再生材料的組成設計，通過力學測試分析了不同情況下試件的力學指標，利用萬能試驗機進行了材料結構的抗疲勞耐久性分析。結果顯示，水穩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。