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        水泥穩(wěn)定再生基層混合料設(shè)計(jì)及性能研究

        2016-11-16 08:07:39長應(yīng)海
        城市道橋與防洪 2016年6期
        關(guān)鍵詞:瀝青路面基層設(shè)計(jì)

        長應(yīng)海

        (甘肅省臨夏公路管理局,甘肅 臨夏 731100)

        水泥穩(wěn)定再生基層混合料設(shè)計(jì)及性能研究

        長應(yīng)海

        (甘肅省臨夏公路管理局,甘肅 臨夏 731100)

        為實(shí)現(xiàn)瀝青路面材料再生循環(huán)利用,提高道路修筑質(zhì)量,對廢舊瀝青路面材料作為道路基層進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究。提出了原材料技術(shù)要求,參照半剛性基層路面設(shè)計(jì)方法,進(jìn)行了水泥穩(wěn)定再生基層混合料設(shè)計(jì),并對其路用性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:回收瀝青路面材料應(yīng)滿足一定技術(shù)要求才能用于水泥穩(wěn)定再生基層;應(yīng)嚴(yán)格按照配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行混合料設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定再生基層可應(yīng)用于道路修建。

        瀝青路面材料;水泥穩(wěn)定再生基層;配合比設(shè)計(jì);路用性能

        0 引言

        隨著公路交通的快速發(fā)展,國、省干線公路網(wǎng)逐步形成,新建公路的比重逐年減少,改建、大修工程比例不斷擴(kuò)大。目前我國僅干線公路大中修工程中,每年產(chǎn)生的瀝青路面廢舊材料高達(dá)1.6億t,水泥路面廢舊材料高達(dá)3 000萬t,但路面材料循環(huán)利用率尚不到30%[1]?!笆濉惫佛B(yǎng)護(hù)管理發(fā)展綱要要求廢舊路面循環(huán)利用率達(dá)到40%,國、省道廢舊路面循環(huán)利用率達(dá)到70%,故路面材料循環(huán)利用尤為必要[2]。

        目前,道路建設(shè)存在建設(shè)資金短缺、廢舊料堆放及污染等問題,如果采用冷再生技術(shù),將瀝青面層和基層舊料再生利用到道路建設(shè)中去,不僅可以節(jié)約大量筑路材料,充分利用舊路材料,還有利于節(jié)約能源,避免環(huán)境污染,降低工程造價(jià)。而且,高等級公路路面材料一般都選用了優(yōu)質(zhì)的玄武巖,把這種舊瀝青路面材料用在道路建設(shè)中能夠很好地提高路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[3]。

        水泥穩(wěn)定冷再生基層是采用舊瀝青路面面層或基層材料,摻加一定的水泥、新集料(需要時(shí)),水拌和后攤鋪并進(jìn)行碾壓養(yǎng)生后達(dá)到一定路用性能要求的一種路面基層或底基層結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用設(shè)計(jì)與施工緊密結(jié)合的半剛性基層設(shè)計(jì)理論,設(shè)計(jì)內(nèi)容包括舊路混合料分析、配合比設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)參數(shù)確定、厚度計(jì)算等,在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評價(jià)的基礎(chǔ)上提出設(shè)計(jì)方案。本文結(jié)合一級公路瀝青路面廢舊材料應(yīng)用于道路再生基層進(jìn)行研究,為廢舊材料循環(huán)利用提供科學(xué)依舊。

        1 試驗(yàn)原材料

        1.1回收瀝青路面材料(RAP)

        回收的RAP粒徑規(guī)格基本一致,沒有大的團(tuán)塊[4]。經(jīng)檢測RAP料和新集料各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足相關(guān)技術(shù)要求。圖1為回收瀝青路面材料(RAP)。

        圖1 回收瀝青路面材料(RAP)

        1.2填料及水

        普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥都可以用于路面基層施工,禁止使用因外界影響而變質(zhì)的水泥[5]。宜采用強(qiáng)度等級為32.5以上的水泥;水泥各齡期強(qiáng)度、安定性等應(yīng)達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)要求;要求水泥初凝時(shí)間3 h以上、終凝時(shí)間不小于6 h。

        混合料拌制應(yīng)采用可飲用水。

        2 配合比設(shè)計(jì)流程

        水泥穩(wěn)定再生基層配合比設(shè)計(jì)方法參照半剛性基層的配合比設(shè)計(jì)方法[6]。

        2.1確定新集料的添加比例及級配

        提取出RAP中的瀝青,對RAP集料進(jìn)行篩分,根據(jù)集料的篩分試驗(yàn)結(jié)果確定其級配。是否需要添加新料取決于用上述方法確定的舊集料的級配。

        大部分冷再生施工都不需要添加新集料,而且是否添加新集料也不僅僅取決于回收的舊料的級配,因?yàn)樵诶溷娕贂r(shí)細(xì)集料會(huì)被壓聚成帶棱角的粗集料,而且這些粗料不會(huì)被交通車輛碾碎。僅當(dāng)舊料中瀝青過多或希望提高混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí),可添加新集料。此外,許多路面使用的是當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的劣質(zhì)集料,若要使新路面強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求,必須增加新集料和破碎石料以提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

        2.2確定最佳含水量和最大干密度

        首先確定不同水泥添加量,選擇不同的外加水量拌和后擊實(shí),根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn),確定不同水泥用量時(shí)的最大干密度和最佳含水量,用以評價(jià)試件的壓實(shí)度并作為施工質(zhì)量控制的參數(shù)。

        根據(jù)最佳含水量和計(jì)算的干密度制備試件,進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí),作為平行試驗(yàn)的最少試件數(shù)量應(yīng)不小于表1規(guī)定的個(gè)數(shù)。如試驗(yàn)結(jié)果的偏差系數(shù)大于表1中規(guī)定的值,則應(yīng)重做試驗(yàn)。如不能降低偏差系數(shù),則應(yīng)增加試件數(shù)量。

        表1 水泥穩(wěn)定冷再生基層強(qiáng)度試驗(yàn)試件數(shù)量

        水泥穩(wěn)定再生基層的強(qiáng)度要求同于水泥穩(wěn)定碎石,見表2。

        表2 水泥穩(wěn)定再生基層強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

        3 配合比設(shè)計(jì)

        3.1集料級配確定

        RAP必須進(jìn)行粗細(xì)料的級配分析。在冷再生混合料設(shè)計(jì)中主要將回收顆粒作為“黑色碎石”(或集料)來對待。根據(jù)對銑刨料的篩分結(jié)果及級配要求,添加了一部分新集料,以3%水泥添加量為例,混合料級配見表3。

        表3 水泥穩(wěn)定再生混合料級配

        3.2擊實(shí)試驗(yàn)確定最佳用水量和最大干密度

        銑刨料∶新料∶水泥=75∶22∶3時(shí)的干密度與含水量關(guān)系見表4,關(guān)系曲線見圖2,水泥用量為3%時(shí)最佳含水量為6.5%,最大干密度為2.120 g/cm3。

        表4 水泥用量3%時(shí)再生基層含水量與干密度關(guān)系表

        圖2 水泥用量3%時(shí)再生基層含水量與干密度關(guān)系曲線

        銑刨料∶新料∶水泥=74∶22∶4時(shí)的干密度與含水量關(guān)系見表 5,關(guān)系曲線見圖3,水泥用量為4%時(shí)最佳含水量為6.8%,最大干密度為2.142 g/cm3。

        銑刨料∶新料∶水泥=73∶22∶5時(shí)的干密度與含水量關(guān)系見表6,關(guān)系曲線見圖4,水泥用量為5%時(shí)最佳含水量為7.0%,最大干密度為2.174 g/cm3。

        表5 水泥用量4%時(shí)再生基層含水量與干密度關(guān)系表

        圖3 水泥用量4%時(shí)再生基層含水量與干密度關(guān)系曲線

        表6 水泥用量5%時(shí)再生基層含水量與干密度關(guān)系表

        圖4 水泥用量5%時(shí)再生基層含水量與干密度關(guān)系曲線

        根據(jù)不同水泥摻量匯總其最佳含水量與最大干密度的關(guān)系見表7,關(guān)系曲線見圖5。

        表7 水泥穩(wěn)定再生基層最佳含水量與最大干密度匯總表

        圖5 水泥穩(wěn)定再生基層最佳含水量與最大干密度曲線

        4 水泥穩(wěn)定再生基層混合料路用性能試驗(yàn)研究

        4.1水泥摻量對混合料強(qiáng)度影響

        不同水泥劑量時(shí),水泥穩(wěn)定再生混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化情況如圖6所示。從圖6可以看出,隨著水泥摻量增加,再生混合料強(qiáng)度逐漸提高。并且在常用水泥用量范圍內(nèi)(4%左右),混合料的抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到農(nóng)村公路基層7 d抗壓強(qiáng)度的要求。

        圖6 不同水泥摻量的穩(wěn)定再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

        4.2齡期對混合料強(qiáng)度影響

        抗壓回彈模量和劈裂強(qiáng)度是進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)和力學(xué)計(jì)算的重要參數(shù),混合料抗水損性能也是試驗(yàn)需要考慮的重要因素,通過研究抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度、回彈模量間的變化規(guī)律,掌握參數(shù)之間的換算關(guān)系,從而縮短試驗(yàn)周期,獲得與現(xiàn)場一致的設(shè)計(jì)參數(shù)。為此,不同配比的混合料進(jìn)行各齡期抗壓強(qiáng)度、15℃劈裂強(qiáng)度、回彈模量、凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表8。

        表8 不同齡期水泥穩(wěn)定再生混合料強(qiáng)度

        通過分析表8數(shù)據(jù)可以得知,隨著齡期的增加,水泥穩(wěn)定再生混合料強(qiáng)度、模量和抗水損性能都逐漸增加,如果室內(nèi)試驗(yàn)采用7 d的數(shù)據(jù)結(jié)果,根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以推算出28 d、90 d的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及回彈模量。

        4.3溫度對混合料強(qiáng)度的影響

        含有舊瀝青的水泥穩(wěn)定再生混合料性能既不同于瀝青混合料,也不同于半剛性基層材料,而是一種兼有瀝青和水泥特征的復(fù)合有機(jī)水硬性材料。3.2節(jié)分析了齡期對混合料強(qiáng)度的影響,此節(jié)考慮到瀝青的溫度敏感性,為了掌握再生混合料的強(qiáng)度隨使用溫度的變化,分別對7 d齡期的水泥穩(wěn)定再生混合料在不同溫度(20℃、30℃、40℃、50℃和60℃)下進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出,隨著測試溫度的升高,水泥穩(wěn)定再生混合料強(qiáng)度將有不同程度的降低,說明水泥穩(wěn)定再生混合料中的瀝青發(fā)揮了作用,表現(xiàn)出柔性特征。

        圖7 不同試驗(yàn)溫度時(shí)混合料抗壓強(qiáng)度

        5 結(jié)語

        通過對水泥穩(wěn)定再生混合料室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)及路用性能的研究,得出如下主要結(jié)論:

        (1)水泥溫度再生混合料設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先確定舊料的性能,采用最大干密度和最佳含水量確定最佳水泥用量及水用量。

        (2)設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定再生基層材料路用性能滿足道路基層技術(shù)要求。隨著水泥摻量加大,水泥穩(wěn)定再生混合料的強(qiáng)度也隨之增大,采用4%的水泥摻量即可滿足相關(guān)技術(shù)要求。

        (3)隨著齡期的增加水泥穩(wěn)定再生料抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、模量、抗水損性能均有不同程度提高,可根據(jù)7 d齡期試件強(qiáng)度推算出混合料是否滿足設(shè)計(jì)要求。

        (4)隨著測試溫度的升高,水泥穩(wěn)定再生混合料的強(qiáng)度有所下降,再生混合料表現(xiàn)出剛?cè)岵?jì)的復(fù)合有機(jī)水硬性材料特征。

        [1]楊風(fēng)英,陳文鋒.水泥穩(wěn)定再生混合料路用性能試驗(yàn)研究[J].公路工程,2011(1):127-133.

        [2]楊君宇,孫秉華.水泥穩(wěn)定冷再生基層的實(shí)踐應(yīng)用[J].青海交通科技,2011(3):45-48.

        [3]趙亞蘭.水泥穩(wěn)定再生碎石路用性能研究[J].公路與汽運(yùn),2013(5):166-170.

        [4]張建暉,尹健,凌華.水泥穩(wěn)定再生骨料混合料力學(xué)性能研究[J].城市道橋與防洪,2009(8):194-197,260.

        [5]劉濤.水泥冷再生基層技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2011.

        [6]JTJ 034—2000,公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[S].

        U414

        A

        1009-7716(2016)06-0288-04

        2016-02-22

        長應(yīng)海(1969-),男,甘肅臨夏人,高級工程師,從事道路施工與管理工作。

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