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        水泥就地冷再生基層的級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2020-01-09 03:00:50賈敬立張淵龍楊玉慶趙大闖趙啟旸
        人民黃河 2019年12期
        關(guān)鍵詞:堤頂集料含水率

        賈敬立,張淵龍,楊玉慶,趙大闖,王 緒,趙啟旸

        (河南黃河河務(wù)局工程建設(shè)中心,河南鄭州450003)

        1 引 言

        臨黃堤頂?shù)缆凡粌H是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分和防汛搶險(xiǎn)的交通要道,也是發(fā)展沿黃地區(qū)經(jīng)濟(jì)不可或缺的組成部分。然而經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行,堤頂路面破損嚴(yán)重,影響搶險(xiǎn)車(chē)輛通行,亟需進(jìn)行升級(jí)改造。本項(xiàng)目有以下主要特點(diǎn):①施工里程長(zhǎng),“十三五”期間河南段道路全長(zhǎng)469.33 km,其中基層改造段長(zhǎng)370.12 km;②運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng),最早完工的路段已經(jīng)使用17 a,完工時(shí)間跨度大,從1999年、2000年、2003年到2005年;③原路面基層材料種類(lèi)多,主要有石灰穩(wěn)定土、水泥石灰碎石土、水泥穩(wěn)定碎石等3種。

        基于減少舊路開(kāi)挖,循環(huán)利用舊路材料,減少舊路材料堆放,保護(hù)環(huán)境的原則,對(duì)基層翻修路段采用水泥就地冷再生20 cm(舊瀝青面層5 cm+舊基層10 cm+加鋪新集料5 cm)后加鋪5 cm熱拌瀝青混凝土的方案,該方案占本次改造總里程的78.86%。

        由于現(xiàn)行《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41—2008)中無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定冷再生混合料級(jí)配范圍過(guò)寬,對(duì)設(shè)計(jì)者的指導(dǎo)意義較弱,實(shí)際施工中無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)施工質(zhì)量的有效控制[1],因此本文采用N法、I法和K法對(duì)水泥就地冷再生基層級(jí)配進(jìn)行研究,然后利用貝雷法CA、FAc、FAf三參數(shù)進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化,結(jié)合混合料在擊實(shí)和現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)過(guò)程中的壓碎情況,對(duì)理論級(jí)配范圍進(jìn)行修正,得到了工程上適用的級(jí)配范圍,在黃河堤頂?shù)缆粪嵵荻闻f路基層為水泥穩(wěn)定碎石的瀝青路面進(jìn)行了實(shí)體驗(yàn)證,各項(xiàng)指標(biāo)均較好地滿(mǎn)足規(guī)范要求,本文對(duì)這一成果進(jìn)行總結(jié)分析,以更好地指導(dǎo)黃河下游堤頂?shù)缆匪嗑偷乩湓偕┕ぁ?/p>

        2 水泥就地冷再生混合料級(jí)配研究

        2.1 標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配設(shè)計(jì)研究

        水泥就地冷再生技術(shù)采用了原有路面銑刨材料,在設(shè)計(jì)時(shí)有別于傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定材料的級(jí)配設(shè)計(jì),我國(guó)在再生技術(shù)方面也形成了一定的標(biāo)準(zhǔn),具體級(jí)配范圍見(jiàn)表1。

        表1 無(wú)機(jī)結(jié)合料冷再生混合料規(guī)范級(jí)配范圍

        黃河堤頂?shù)缆钒慈?jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),采用表1中二級(jí)及二級(jí)以下公路的級(jí)配范圍,由于此級(jí)配上下限范圍太寬,在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)目標(biāo)級(jí)配很容易達(dá)到,但對(duì)設(shè)計(jì)者的指導(dǎo)意義較弱,致使工程質(zhì)量難以保證,因此在標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上,對(duì)級(jí)配進(jìn)一步優(yōu)化就顯得特別重要。

        2.2 級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

        在填充理論嵌擠原則指導(dǎo)下,冷再生混合料良好的設(shè)計(jì)級(jí)配會(huì)使集料緊密孔隙率較小,大大提高相應(yīng)混合料摩阻力,有效保證基層再生路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2]。

        2.2.1 N法、K法、I法和貝雷法對(duì)比分析

        N法是由美國(guó)學(xué)者Fuller根據(jù)最大密度理論提出的,通過(guò)工程實(shí)踐不斷優(yōu)化,最終形成成熟的級(jí)配設(shè)計(jì)技術(shù)。

        K法是由蘇聯(lián)學(xué)者伊邁萬(wàn)諾夫和奧浩欣提出,該礦料級(jí)配是采用顆粒分級(jí)質(zhì)量遞減系數(shù)k,粒徑按1/2遞減,最小粒徑dn=0.004 mm通過(guò)率為0來(lái)決定總級(jí)數(shù)n的一種級(jí)配設(shè)計(jì)技術(shù)[3]。

        I法是由同濟(jì)大學(xué)林繡賢教授在K法和N法基礎(chǔ)上,提出直接采用質(zhì)量通過(guò)百分率遞減系數(shù)i為參數(shù)的礦料級(jí)配組成計(jì)算方法[4]。

        貝雷法采用參數(shù)CA(粗集料比)評(píng)價(jià)礦料中粗集料的含量和分析孔隙特征、FAc(細(xì)集料中粗料部分和細(xì)料部分的比例)反映細(xì)集料中粗料部分與細(xì)料部分的嵌擠與填充情況、FAf(細(xì)集料中最細(xì)的部分與次細(xì)部分的比例)反映合成集料中最細(xì)一級(jí)的嵌擠情況,采用這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行級(jí)配檢驗(yàn),是比較系統(tǒng)的級(jí)配合成設(shè)計(jì)方法,粗、細(xì)集料可以更好搭配,粗集料間相互嵌擠形成骨架,細(xì)集料進(jìn)行填充,可以獲得合適的礦料間隙率(VMA),混合料擁有較高耐久性[5]。N法、K法、I法和貝雷法對(duì)比見(jiàn)表2。

        表2 N法、K法、I法和貝雷法對(duì)比

        2.2.2 級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

        在研究過(guò)程中借鑒已有研究成果和工程經(jīng)驗(yàn),n、i、k的取值應(yīng)分別在 0.5、0.7、0.7 左右較為合適[6],最后各系數(shù)分別以間隔0.05、0.02、0.05對(duì)N法、I法以及K法進(jìn)行混合料級(jí)配設(shè)計(jì)計(jì)算,并結(jié)合規(guī)范上下限將級(jí)配計(jì)算曲線匯總,如圖1~圖3所示。

        圖1 N法設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

        圖2 I法設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

        圖3 K法設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

        由圖1~圖3可知,采用N法、I法和K法計(jì)算級(jí)配均在規(guī)范規(guī)定上下限范圍內(nèi),當(dāng)n=0.45、0.50、0.55,i=0.68、0.70、0.72,k=0.70、0.75、0.80 時(shí)對(duì)應(yīng)的級(jí)配均滿(mǎn)足要求。為檢驗(yàn)級(jí)配設(shè)計(jì)合理性,采用貝雷法3參數(shù)CA、FAc、FAf進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)銑刨料的粒徑,本項(xiàng)目混合料的最大粒徑取31.5 mm,公稱(chēng)最大粒徑為26.5 mm,計(jì)算貝雷法參數(shù),結(jié)果見(jiàn)表3。

        表3 貝雷法級(jí)配檢驗(yàn)結(jié)果

        從已有的貝雷法檢驗(yàn)級(jí)配研究結(jié)果可知:①參數(shù)CA決定了粗集料顆粒的填充及對(duì)細(xì)集料顆粒的壓實(shí),取值范圍為0.4~0.8;②參數(shù)FAc決定了細(xì)集料中較粗部分的填充,取值范圍為0.35~0.50;③參數(shù)FAf決定了細(xì)集料中較細(xì)部分的填充,取值范圍為0.35~0.50。通過(guò)對(duì)表3中貝雷法的參數(shù)值分析,采用n=0.50、0.55,i=0.68、0.70 和 k=0.70、0.75 時(shí)的級(jí)配較優(yōu),表 4為經(jīng)過(guò)貝雷法檢驗(yàn)的合格級(jí)配。

        表4 經(jīng)貝雷法檢驗(yàn)的合格級(jí)配

        根據(jù)表4給出的級(jí)配范圍,選擇每級(jí)篩孔通過(guò)率的最大值和最小值,初步得到堤頂?shù)缆匪喾€(wěn)定冷再生混合料用做基層時(shí)的推薦理論級(jí)配范圍,見(jiàn)表5。

        表5 堤頂?shù)缆匪喾€(wěn)定冷再生基層混合料的理論級(jí)配范圍

        2.2.3 級(jí)配修正分析

        冷再生混合料中的舊路銑刨料在擊實(shí)和壓實(shí)過(guò)程中易發(fā)生顆粒破碎現(xiàn)象,導(dǎo)致冷再生混合料的級(jí)配產(chǎn)生變化[7]。在采用冷再生技術(shù)施工時(shí),若想得到表5中提出的理論級(jí)配,就要將容易發(fā)生破碎的集料質(zhì)量減少,將級(jí)配變化考慮在內(nèi),對(duì)理論級(jí)配進(jìn)行修正,降低施工過(guò)程中冷再生混合料顆粒破碎對(duì)級(jí)配變化的影響。通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)研究顆粒破碎對(duì)級(jí)配變化影響,對(duì)2.2.2節(jié)提出的理論級(jí)配范圍進(jìn)行修正。

        室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)可以近似反映現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)時(shí)的情況,按表5提出的冷再生混合料理論級(jí)配范圍的中值取試樣5 kg,不加結(jié)合料,在最佳含水率狀態(tài)下進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn),烘干、篩分后得到擊實(shí)前后的級(jí)配變化情況,具體見(jiàn)表6。

        由表6可知,粒徑在 26.5~31.5 mm、19.0~26.5 mm和4.75~19.0 mm范圍的集料質(zhì)量減少了,說(shuō)明擊實(shí)過(guò)程中主要是這幾檔集料發(fā)生了破碎,為了降低顆粒破碎對(duì)冷再生混合料級(jí)配變化的影響,可以將冷再生混合料的理論級(jí)配和擊實(shí)過(guò)程中的級(jí)配變化疊加,對(duì)理論級(jí)配進(jìn)行修正,得到工程上適用的級(jí)配范圍,結(jié)果見(jiàn)表7。

        表6 理論級(jí)配范圍中值各個(gè)檔位的分計(jì)篩余量

        表7 工程級(jí)配范圍

        3 水泥就地冷再生配合比設(shè)計(jì)

        根據(jù)上述級(jí)配設(shè)計(jì)研究的優(yōu)化結(jié)果,在黃河堤頂?shù)缆粪嵵荻芜M(jìn)行水泥就地冷再生配合比設(shè)計(jì),并鋪筑試驗(yàn)段對(duì)本研究的工程級(jí)配范圍進(jìn)行驗(yàn)證。

        3.1 原材料

        原材料有水穩(wěn)碎石基層路面銑刨料、10~30 mm碎石、石屑及緩凝普通水泥P.C 42.5,其中銑刨料為舊路面水泥穩(wěn)定碎石基層和瀝青面層的混合銑刨料,并對(duì)各原材料指標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8~表11。

        表8 銑刨料檢測(cè)項(xiàng)目與檢測(cè)結(jié)果

        表9 粗集料技術(shù)性質(zhì)

        表10 細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)

        表11 水泥的技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果及技術(shù)要求

        3.2 鄭州段再生段級(jí)配設(shè)計(jì)研究

        3.2.1 鄭州段合成級(jí)配

        在工程級(jí)配范圍內(nèi),調(diào)整10~30 mm碎石、石屑和銑刨料的比例得到了粗、中、細(xì)3種不同的級(jí)配組成,如圖4所示。

        圖4 鄭州段再生段級(jí)配設(shè)計(jì)礦料合成級(jí)配

        3.2.2 最佳含水率、最大干密度的確定

        3種級(jí)配混合料的水泥劑量分別取4.0%、4.5%、5.0%、5.5%,每種水泥劑量下取5個(gè)不同的含水率進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn),可得到不同水泥劑量下3種級(jí)配的最佳含水率和最大干密度,結(jié)果見(jiàn)表12。

        表12 不同水泥劑量下的最佳含水率及最大干密度

        3.2.3 最佳水泥劑量確定

        不同水泥劑量混合料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13。

        表13 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

        由表13可以看出,在最佳含水率狀態(tài)下,粗、中、細(xì)3種級(jí)配的抗壓強(qiáng)度與水泥劑量成正比,粗級(jí)配和中級(jí)配在4.5%的水泥劑量下滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,細(xì)級(jí)配混合料在水泥劑量為5.0%時(shí),滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        3.2.4 配合比確定

        根據(jù)前述擊實(shí)試驗(yàn)和7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定的粗、中、細(xì)3種級(jí)配的最大干密度、最佳含水率、最佳水泥劑量等關(guān)鍵參數(shù),可以得到3種級(jí)配的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果,具體見(jiàn)表14。

        表14 水泥穩(wěn)定碎石基層路面水泥就地冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

        4 鄭州段3種級(jí)配水泥就地冷再生路用性能研究

        4.1 3組級(jí)配路用性能試驗(yàn)結(jié)果

        為更加合理地確定水泥就地冷再生混合料的最佳級(jí)配,對(duì)不同級(jí)配的再生混合料路用性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,將路用性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果匯總,見(jiàn)表15。

        表15 不同級(jí)配路用性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

        通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn),3種級(jí)配混合料的強(qiáng)度和剛度指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。其中細(xì)級(jí)配強(qiáng)度指標(biāo)最優(yōu),中級(jí)配剛度最大,滿(mǎn)足水泥穩(wěn)定類(lèi)基層抗壓回彈模量在1 300~1 700 MPa的要求。

        在干縮性能方面,細(xì)級(jí)配干縮系數(shù)最大,粗級(jí)配最小,同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),在試驗(yàn)開(kāi)始后的0~10 h內(nèi),試件的干縮系數(shù)不斷增大,10 h后干縮系數(shù)逐漸減小,主要是因?yàn)槌跗诨旌狭虾看?,水分散失速度快,干縮應(yīng)變變大,當(dāng)含水率減小到一定程度后,水分散失速度變慢,試件干縮應(yīng)變變小,干縮系數(shù)逐漸減??;在溫縮性能方面,3種級(jí)配的平均溫縮系數(shù)均較小,具有較好的抗溫度收縮性能。

        經(jīng)過(guò)6 000次沖刷,粗級(jí)配混合料的抗沖刷性能較優(yōu),粗級(jí)配混合料的貝雷法參數(shù)CA為0.79,介于0.70~0.85之間,混合料結(jié)構(gòu)平衡,便于壓實(shí),中級(jí)配次之。

        4.2 最佳配合比的確定

        根據(jù)各種級(jí)配混合料路用性能的對(duì)比分析研究,將性能最好的記為“3”,性能居中的記作“2”,性能最差的記為“1”,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 3組級(jí)配的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比

        從5圖可以看出,粗級(jí)配混合料有5個(gè)“3”、2個(gè)“2”、2 個(gè)“1”,中級(jí)配混合料有 3 個(gè)“3”、6 個(gè)“2”,細(xì)級(jí)配混合料有 2個(gè)“3”、3 個(gè)“2”、4 個(gè)“1”。 為合理判斷石灰穩(wěn)定土基層路面水泥就地冷再生混合料的最佳配合比,先根據(jù)上述評(píng)價(jià)等級(jí),分別賦予“3”“2”“1”3個(gè)等級(jí)為90分、60分和30分,計(jì)算粗、中、細(xì)3種級(jí)配得分為630分、630分和480分,由于施工過(guò)程中粗級(jí)配比中級(jí)配難以壓實(shí),施工難度大,因此最終確定本項(xiàng)目采用中級(jí)配混合料,同時(shí)考慮就地冷再生技術(shù)屬于路拌法施工,水泥劑量增加1%,采用5.5%,配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表16。

        表16 鄭州段水泥就地冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

        5 鄭州段水泥就地冷再生試驗(yàn)段的結(jié)果分析

        在黃河堤頂?shù)缆粪嵵荻蜬30+500—K30+700,進(jìn)行了200 m試驗(yàn)路段的鋪筑,嚴(yán)格控制施工過(guò)程,對(duì)再生混合料級(jí)配、水泥劑量、含水率、壓實(shí)度、7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果分別見(jiàn)表17和表18,各檢測(cè)指標(biāo)均較好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        表17 再生混合料篩分試驗(yàn)結(jié)果

        表18 再生混合料現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

        6 結(jié) 論

        通過(guò)N法、I法和K法對(duì)水泥就地冷再生基層混合料的級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化,并用貝雷法進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)合混合料在擊實(shí)和現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)過(guò)程中的壓碎情況,對(duì)理論級(jí)配范圍進(jìn)行修正,得到了工程上適用的級(jí)配范圍。在黃河堤頂?shù)缆粪嵵荻闻f路基層為水泥穩(wěn)定碎石的瀝青路面進(jìn)行了試驗(yàn),各項(xiàng)指標(biāo)均較好地滿(mǎn)足規(guī)范要求,主要結(jié)論如下。

        (1)通過(guò)貝雷法的3參數(shù)分析,采用 n=0.50、0.55,i=0.68、0.70 和 k=0.70、0.75 時(shí)的級(jí)配較優(yōu),由此總結(jié)出水泥就地冷再生的理論級(jí)配范圍。

        (2)結(jié)合混合料在擊實(shí)和現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)過(guò)程中的壓碎情況,對(duì)理論級(jí)配范圍進(jìn)行修正,得到了工程級(jí)配范圍。

        (3)在工程級(jí)配范圍內(nèi)的粗、中、細(xì)3組級(jí)配,經(jīng)室內(nèi)7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、剛度、干縮和溫縮系數(shù)等路用性能驗(yàn)證,得到最佳配比為中級(jí)配,即10~30 mm碎石、石屑、銑刨料比例為20%、6%、74%,水泥劑量為4.5%,最佳含水率為6.5%??紤]到就地冷再生路拌法施工的實(shí)際情況,現(xiàn)場(chǎng)將水泥劑量增加1%,即采用5.5%,最佳含水率為18.2%,最大干密度為2.169 g/cm3。

        (4)黃河堤頂?shù)缆粪嵵荻卧囼?yàn)路段的再生混合料級(jí)配、水泥劑量、含水量、壓實(shí)度、7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)均較好地滿(mǎn)足規(guī)范要求。

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