堤頂道路冷再生混合料力學強度影響因素研究

樊 慧

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

近年來，隨著道路行業迅速發展，交通建設已成為經濟發展和綜合國力的體現，黃河下游兩岸堤防道路的建設規模和發展速度一直落后于一般的道路工程[1-2]。20世紀末時，堤防道路建設逐漸開始受到部分水利工作者的關注，在現如今經濟高速發展的時代背景下，國家對堤防工程建設重視程度逐步加大并投入了大量資金，開始致力于黃河下游兩岸堤防道路標準化建設進程。對于堤頂道路而言，在非汛期，它的性質與普通公路一樣，擔負著各類物資和客流的運輸服務；在汛期，堤頂道路又是防汛搶險的交通要道，作為黃河下游防洪工程體系的重要組成部分，是整個工程的重中之重，建設堅固可靠的堤頂道路尤為重要。此外，產生早期開裂、耐久性不足等問題是冷再生基層最主要的病害形式，在交通荷載和環境作用下會使病害加劇。造成路面早期破壞原因是多方面的，氣候環境、車輛重載以及施工工藝等都會造成裂縫等病害的產生。因此，提高堤頂道路冷再生混合料的力學強度對路面抗水害能力、耐久性有重要意義。對此，道路工作者針對堤頂道路冷再生混合料的性能開展了一些相關研究。萇軍英、王麗等[3-4]向舊路面銑刨料（包括廢舊的瀝青混合料和石灰土基層）中加入水泥進行再生利用，結果表明：再生混合料的力學與路用性能的提高，需要合理控制舊灰土摻量；李宗民[5]通過對含有灰土基層的銑刨料進行篩分，對含灰土的水泥冷再生混合料的各項性能進行研究，研究結果表明：在水泥劑量為6%情況下，冷再生混合料的力學強度較好；王廣磊[6]主要研究了堤頂道路材料的抗裂性能，并提出不同種類的基層材料，結合三點彎曲試驗進行不同基層材料的抗裂性能對比分析。

結合以往研究現狀與堤頂道路的實際狀況，針對目前堤頂道路基層冷再生混合料強度低等問題，論文對堤頂道路冷再生混合料的舊料摻量、水泥摻量、纖維類型及摻量的選擇展開了研究，以期解決冷再生基層混合料強度不足的問題。

1 研究方案

1.1 原材料

1.1.1 舊路面材料

試驗所用舊路面材料采用河南某堤頂道路面層和基層的銑刨料。級配篩分結果見表1。

表1 舊路面銑刨料粒料篩分結果

1.1.2 新集料

新集料均來自于河南某堤頂道路工程所用石灰巖，新集料的密度、磨耗值、壓碎值、吸水率等技術指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）的技術要求。

1.1.3 舊灰土

銑刨料中存在的灰土，對其進行曬干后過2.36 mm方孔篩，其物理化學特性指標如表2所示。

表2 灰土特性檢測結果

1.1.4 水泥

試驗用水泥型號為P.O42.5，山東東岳牌普通硅酸鹽水泥，水泥的抗壓強度、抗折強度、凝結時間等技術指標均滿足規范要求。

1.2 試驗方案

a）研究舊料摻量對冷再生基層材料力學強度的影響，試驗時變化舊料摻量分別為60%、70%、80%、90%。水泥外摻量為5%。研究舊料摻量對冷再生基層材料力學強度的影響時，級配如表3所示。

表3 RAP材料級配篩分結果

b）研究水泥對冷再生基層材料力學強度的影響。

研究水泥摻量變化對混合料馬歇爾穩定度和劈裂強度的影響，試驗時水泥采用外摻法，固定舊料摻量為60%，變化水泥摻量分別為4%、4.5%、5%、5.5%、6%。

c）研究纖維對冷再生基層材料力學強度的影響。

研究纖維類型及摻量變化對混合料馬歇爾穩定度和劈裂強度的影響。試驗時，纖維采用外摻法，固定舊集料摻量、水泥摻量分別為60%和5%，分別外摻4種纖維——聚酯纖維、礦物纖維、木質素纖維和玄武巖纖維，其摻量變化分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%，級配如表4所示。

表4 不同纖維摻量下混合料的級配

2 試驗結果及分析

2.1 舊料摻量對冷再生基層混合料強度的影響

舊料摻量對冷再生基層混合料力學強度的影響見表5。其中，P70/P60指70%與60%舊料摻量下冷再生混合料力學性能的比值，其他類似。

表5 不同類型乳化瀝青冷再生混合料強度對比

由表5可知，當水泥劑量一定時，冷再生混合料馬歇爾穩定度和劈裂強度隨著舊料摻量的增加而逐漸減小。以水泥劑量5%為例，當舊料摻量從60%增加到90%，馬歇爾穩定度從15.8 kN，降低到9.7 kN，降低幅度達39%，劈裂強度從0.89 MPa，降低到0.61 MPa，降低幅度達31%，說明舊料摻量對冷再生混合料的強度有顯著的負影響，需要嚴格控制舊料的比例。此外，隨著舊料的增多，強度降低幅度也不一致，對于各級配的冷再生混合料，舊料由60%增至80%時，強度降低幅度較小，舊料由80%增至90%時，強度降低幅度最大；同時，當舊料摻量為90%時，試件劈裂強度為0.61，雖然滿足規范要求，但對于交通量大的路段，很難保證達到所需的結構強度。

綜上所述，根據再生混合料強度試驗結果，最終選定強度滿足要求，且增長趨勢較好的70%～80%舊料摻量。

2.2 水泥對冷再生混合料強度的影響

不同水泥摻量冷再生基層混合料強度見表6。表中σM是指不同水泥劑量摻量冷再生基層混合料試件MS與不摻水泥冷再生基層混合料試件MS比值；σw是指不同水泥劑量摻量冷再生基層混合料試件劈裂強度RT與不摻水泥冷再生基層混合料試件劈裂強度RT比值，其他類似。

表6 不同水泥摻量冷再生混合料力學強度

由表6可知：冷再生基層混合料隨著水泥劑量的增加而增長。當水泥為4%～6%時能有效提升試件的劈裂強度，這是由于水泥發生水化作用使混合料整體硬化，從而產生足夠的黏結力，使材料劈裂強度增長迅速[7]。此外，當水泥劑量小于5%時，冷再生材料劈裂強度值普遍偏低，但增長幅度很快；當水泥劑量大于5%時，劈裂強度的增長速度逐漸降低，在水泥為5%時劈裂強度增長規律中明顯變緩，而對于4%水泥劑量時的劈裂強度值偏低。因此，為保證材料具有良好的抗拉能力，劈裂強度推薦的各級配水泥劑量建議值與彎拉強度結果一致，同樣要求水泥劑量不應小于5%。

綜上所述，考慮到經濟性以及水泥摻量過大容易導致冷再生基層混合料脆性增加等因素，建議冷再生基層混合料水泥摻量為5%。

2.3 纖維對冷再生混合料強度的影響

不同類型纖維及不同摻量下冷再生基層混合料力學強度見圖1。

圖1 強度隨纖維摻量變化規律

由圖1可知，與不摻纖維冷再生混合料相比：隨纖維摻量增加，纖維冷再生基層混合料的力學強度先增大后減小。這是因為當纖維摻量不大時，纖維在混合料中的分散性比較好，可起到加筋作用，使得冷再生混合料力學性能得以提高。當纖維摻量超過一定量后，隨纖維摻量增加，纖維分散性變差，會有一部分纖維結團成束，不但不能起到加筋和穩定作用，反而會成為冷再生混合料的力學薄弱點，使大顆粒集料被擠開，混合料的空隙率增大，黏聚力減小，力學強度也會隨之減小。聚酯纖維和礦物纖維為0.4%、木質素纖維和玄武巖纖維為0.3%，對應馬歇爾穩定度可分別提高8%、5%、7%和4%；聚酯纖維和木質素纖維為0.4%、礦物纖維和玄武巖纖維為0.3%，對應劈裂強度可分別提高9%、10%、5%和6%。

綜上所述，4種纖維最佳摻量分別為：聚酯纖維0.4%、礦物纖維0.4%、木質素纖維0.4%、玄武巖纖維0.3%。

3 結論

a）冷再生基層混合料力學強度隨著舊料摻量的增加而減小，以力學性能最優為原則，兼顧經濟性，建議舊料摻量為70%～80%之間。

b）摻水泥5%冷再生基層混合料的馬歇爾穩定度、劈裂強度分別至少提高了33%和21%。考慮到經濟性以及水泥摻量過大容易導致冷再生基層混合料脆性增加等因素，建議冷再生基層混合料水泥摻量為5%。

c）根據力學性能最優原則，確定出冷再生基層混合料4種纖維的最佳摻量：聚酯纖維0.4%、礦物纖維0.4%、木質素纖維0.4%、玄武巖纖維0.3%。