水泥穩(wěn)定全深式就地再生基層適應(yīng)性的探討

拾方治, 陳亞雄, 劉端陽, 李秀君

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093; 2.嘉興市高新交通技術(shù)測評研究院 嘉興 314001;3.浙江省嘉興市公路管理局 嘉興 314001)

水泥穩(wěn)定全深式就地再生基層適應(yīng)性的探討

拾方治1,2, 陳亞雄1, 劉端陽3, 李秀君1

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093; 2.嘉興市高新交通技術(shù)測評研究院 嘉興 314001;3.浙江省嘉興市公路管理局 嘉興 314001)

針對水泥穩(wěn)定全深式就地再生基層,設(shè)計(jì)4種舊瀝青面層與半剛性基層銑刨料摻配比例方案,通過室內(nèi)試驗(yàn)與工程現(xiàn)場試驗(yàn),對水泥穩(wěn)定全深式就地再生基層厚度與舊瀝青面層摻量的關(guān)系進(jìn)行了探討.研究結(jié)果表明:當(dāng)原路面基層頂面彎沉值大于100(0.01 mm),舊瀝青面層占再生基層質(zhì)量比例低于27%時(shí),全深式就地再生基層的厚度應(yīng)控制在18～25 cm;當(dāng)原路面基層頂面彎沉值在80～100(0.01 mm),舊瀝青面層占再生基層質(zhì)量比例在27%～50%時(shí),全深式就地再生基層的厚度應(yīng)控制在15～22 cm.根據(jù)舊瀝青面層摻量對水泥穩(wěn)定全深式就地再生基層的厚度進(jìn)行控制,保障再生基層質(zhì)量.

水泥穩(wěn)定; 全深式就地再生基層; 舊瀝青面層摻量; 適應(yīng)性; 再生層厚度

隨著我國公路交通的快速發(fā)展,目前,許多公路尤其數(shù)量眾多的低等級公路進(jìn)入大修改造期,這樣就會面臨瀝青面層和基層如何合理處理的問題.當(dāng)前我國相當(dāng)比例的公路由于瀝青面層較薄,加之超期服役,瀝青面層老化嚴(yán)重,將這些公路的瀝青面層和基層材料分開銑刨進(jìn)行再生利用,不僅增加銑刨成本和運(yùn)輸成本,而且由于路面損壞嚴(yán)重,很難將瀝青面層和基層徹底分開,瀝青面層單獨(dú)再生利用的難度較大.采用水泥穩(wěn)定的全深式路面就地再生基層技術(shù)將老化嚴(yán)重公路的瀝青面層和基層(或部分基層)一并銑刨后與水泥就地拌和加以再生利用,實(shí)現(xiàn)了非開挖式一次性施工,施工速度快,交通干擾小,節(jié)省了材料和運(yùn)費(fèi),成本較低,非常適合低等級公路的快速改造和養(yǎng)護(hù)維修,因此,這種方法已成為工程應(yīng)用研究的熱點(diǎn)課題.

水泥穩(wěn)定全深式就地再生基層的適應(yīng)性受到舊瀝青面層與半剛性基層質(zhì)量比、原路面承載力狀況、再生層厚度等多種因素[1-3]的影響,國內(nèi)外的研究大多偏重于再生材料的強(qiáng)度機(jī)理分析,缺少工程應(yīng)用的適應(yīng)性研究,尚無可以直接指導(dǎo)施工的參考標(biāo)準(zhǔn).本文針對原路面彎沉值(承載能力)和原路面面層與基層質(zhì)量比的不同,通過室內(nèi)試驗(yàn)控制舊瀝青面層摻量,室外試驗(yàn)控制舊瀝青面層與半剛性基層質(zhì)量比和再生厚度,研究不同影響因素之間的關(guān)系,提出合理的再生基層厚度范圍,從而為全深式就地再生基層的推廣應(yīng)用提供參考.

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 原材料性能分析

本文料源來自桐鄉(xiāng)市X811烏塍線瀝青路面,選取水泥穩(wěn)定碎石為基準(zhǔn)半剛性材料,試驗(yàn)設(shè)計(jì)4種舊瀝青面層與半剛性基層質(zhì)量比的再生混合料,質(zhì)量比分別為0∶100,27∶73,40∶60,50∶50,其合成級配組成符合《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41—2008)中1號級配的要求,具體篩分結(jié)果如表1所示.對舊瀝青面層與半剛性基層不同質(zhì)量比的再生集料進(jìn)行了壓碎值試驗(yàn),壓碎值結(jié)果如表2所示.舊瀝青面層經(jīng)抽提后計(jì)算得到油石質(zhì)量比為3.6%,水泥采用強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥,添加的水為飲用水.

從試驗(yàn)結(jié)果來看,隨著舊瀝清面層摻量的增加,19～2.36 mm粒徑的通過率逐漸減小,因?yàn)槊鎸硬牧辖?jīng)再生機(jī)銑刨后主要以包裹著瀝青的集料和舊瀝青顆粒存在,面層的瀝青混凝土材料有瀝青包裹不易破碎成粉料;而2.36 mm以下各篩孔通過率隨舊瀝青面層摻量的增加而減少,這部分細(xì)集料主要為破碎后的半剛性基層材料.

表1 再生混合料的合成級配

表2 再生集料的壓碎值

壓碎值試驗(yàn)結(jié)果也說明了這個原因,未完全老化的瀝青仍具有一定的粘結(jié)性.瀝青相當(dāng)于彈簧體包裹著集料,減緩了內(nèi)部集料在荷載作用下的壓力,導(dǎo)致瀝青混凝土在壓力機(jī)荷載作用下不易分離破碎;并且一部分被壓碎的集料與未完全老化的瀝青在壓力作用下又嵌擠在一起,形成了粘結(jié)料,構(gòu)成的粒徑大于碎石單獨(dú)存在的粒徑.因此,隨著舊瀝青面層摻量的增加,再生集料壓碎值減小.

1.2 最大干密度與最佳含水量

本文按5%(質(zhì)量摻量)的水泥劑量,根據(jù)公路工程無機(jī)結(jié)合料設(shè)計(jì)[4]的步驟進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),獲得含水量-干密度關(guān)系曲線,確定最佳含水量與最大干密度.試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表3 再生混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表3標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著舊瀝青面層摻量的增加,混合料的最佳含水量和最大干密度均逐漸減小.這主要是因?yàn)闉r青對集料的裹覆阻礙了集料對水分的吸收,游離在集料之間的水分增多,混合料吸收的水分減少,導(dǎo)致混合料的最佳含水量呈現(xiàn)降低趨勢;相同體積混合料裹覆瀝青集料的含量越高質(zhì)量越小,最大干密度也隨之減小.因此,再生基層施工中瀝青層較厚時(shí),施工用水量應(yīng)該予以降低,在全基層銑刨料基礎(chǔ)上,舊瀝青面層與半剛性基層質(zhì)量比增加10%,混合料的用水量應(yīng)減少0.5%左右.

1.3 強(qiáng)度與模量

根據(jù)擊實(shí)結(jié)果確定最佳含水量和最大干密度,水泥劑量(質(zhì)量摻量)為5%,通過靜壓法成型150 mm×150 mm的圓柱體試件.養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃,相對濕度為96%,經(jīng)過不同齡期(0～28 d)的養(yǎng)護(hù)后,室內(nèi)試驗(yàn)溫度為20 ℃,測試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量,試驗(yàn)結(jié)果如圖1～4所示.

圖1 舊瀝青面層摻量對抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1～2可知,隨著舊瀝青面層摻量的增加,再生混合料的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度逐漸降低.這主要是由于未完全老化的舊瀝青阻礙了集料之間的水泥水化反應(yīng)[5-7],瀝青與集料在常溫條件下不能產(chǎn)生膠結(jié)作用,因此降低了混合料的致密性,對水泥穩(wěn)定再生料的強(qiáng)度形成產(chǎn)生較大影響.其次,原瀝青面層中瀝青材料由大功率再生設(shè)備銑刨破碎后,剝落的瀝青顆粒和裹覆瀝青的集料與相同粒徑的舊半剛性基層中的石料相比,其顆粒組成不同,一定荷載條件下,使舊瀝青與舊集料之間的交界面發(fā)生破壞,降低了混合料的強(qiáng)度.從強(qiáng)度的降低幅度來看,舊瀝青面層摻量由27%增加到40%時(shí),抗壓強(qiáng)度降低幅度最大,劈裂強(qiáng)度基本保持線性降低,這說明舊瀝青面層摻量超過27%時(shí),對再生混合料的抗壓強(qiáng)度影響較大.

圖2 舊瀝青面層摻量對劈裂強(qiáng)度的影響

圖3 試件養(yǎng)護(hù)齡期對抗壓強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長,不同舊瀝青面層與半剛性基層質(zhì)量比的再生混合料強(qiáng)度增長規(guī)律基本一致.3～7 d的強(qiáng)度增長幅度較大,7～28 d的強(qiáng)度增長幅度較小,這與水泥強(qiáng)度形成的時(shí)期有關(guān).隨著水泥水化等反應(yīng)的進(jìn)行,膠結(jié)料不斷生成,再生集料顆粒之間聯(lián)結(jié)性能和結(jié)構(gòu)致密性逐漸加強(qiáng),7 d以內(nèi)是水泥穩(wěn)定再生混合料強(qiáng)度形成的主要時(shí)期.

從圖4可以看出,養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和28 d,舊瀝青面層摻量增加,再生混合料的回彈模量呈降低趨勢.舊瀝青面層含量低于40%時(shí),再生集料的回彈模量有所降低,但材料的柔性增大,有助于提高水泥穩(wěn)定再生基層的收縮變形能力[8-9].舊瀝青面層摻量高于40%時(shí),回彈模量降低幅度較大,水穩(wěn)再生基層抗壓變形能力較差.

圖4 舊瀝青面層摻量對回彈模量的影響

2 工程應(yīng)用

2.1 再生方案

再生混合料的室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)滿足路用性能后,本文在浙江省桐鄉(xiāng)市X811烏塍線大中修工程中選取若干試驗(yàn)路段,對舊瀝青混凝土4種摻量方案進(jìn)行了施工驗(yàn)證.原路面主要存在塊狀裂縫、龜裂、坑槽和松散等病害,路面結(jié)構(gòu)為5～13 cm瀝青面層+18～25 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+宕渣層,各標(biāo)段內(nèi)的結(jié)構(gòu)層厚度不一致.試驗(yàn)段內(nèi)通過控制舊瀝青面層摻量分別對應(yīng)鋪筑不同厚度的再生基層,舊瀝青面層與半剛性基層質(zhì)量比與室內(nèi)試驗(yàn)質(zhì)量比保持一致,分別為0∶100,27∶73,40∶60,50∶50,再生基層厚度分別控制在25,22,18,15 cm.采用純基層就地再生的方案,首先將原路面瀝青面層全部銑刨掉,再對基層分別進(jìn)行不同厚度的就地再生;采用含瀝青層就地再生的方案,將瀝青面層與不同厚度的基層進(jìn)行不同厚度的就地再生,每種摻配方案試驗(yàn)路段為50 m.在再生基層完成后加鋪瀝青面層,舊路面結(jié)構(gòu)和再生后新路面結(jié)構(gòu)如圖5所示.再生試驗(yàn)路段施工設(shè)備采用維特根WR2500S就地冷再生機(jī)1臺,自行式平地機(jī)1臺,單鋼輪振動壓路機(jī)1臺(凈重25 t),膠輪壓路機(jī)1臺(凈重22 t),灑水車2臺.

2.2 壓實(shí)度

施工日內(nèi)對不同方案的再生基層試驗(yàn)段進(jìn)行壓實(shí)度檢測,本文按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40—2007)中灌砂法進(jìn)行試驗(yàn),壓實(shí)度值為現(xiàn)場壓實(shí)后的再生基層干密度與坑內(nèi)混合料標(biāo)準(zhǔn)最大干密度之比,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

從壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果來看,隨著舊瀝青面層摻量的增加,再生混合料的壓實(shí)度逐漸減小.當(dāng)舊瀝青面層摻量低于40%、再生層厚度在25 cm以內(nèi)時(shí),再生層厚度對再生基層壓實(shí)度基本無影響;當(dāng)舊瀝青面層摻量在40%～50%,再生層厚度對壓實(shí)度影響較大,舊瀝青面層摻量為50%,再生層厚度為25 cm條件下的壓實(shí)度已小于97%(三級公路再生基層壓實(shí)度設(shè)計(jì)要求).

圖5 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

舊瀝青面層與半剛性基層質(zhì)量比不同厚度(cm)再生層的壓實(shí)度/%252218150∶10099.698.898.799.427∶7398.398.598.598.940∶6097.697.998.598.650∶5096.597.398.497.7

2.3 彎沉值

本文為評價(jià)基層最適宜的再生厚度,在再生基層施工前和完成養(yǎng)護(hù)7 d后,根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTGF80/1—2004),對不同方案試驗(yàn)路的基層頂面采用貝克曼梁法進(jìn)行彎沉試驗(yàn),測試車采用后軸10 t雙側(cè)4輪標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100的自卸貨車,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 再生基層頂面彎沉試驗(yàn)結(jié)果

從彎沉試驗(yàn)結(jié)果來看,經(jīng)過水泥穩(wěn)定全深式就地再生后,使用全基層銑刨料再生厚度為15 cm的原路面彎沉降低幅度最大,降低了58%,再生層厚度為25 cm的原路面彎沉降低了近47%;舊瀝青面層摻量為50%,再生厚度為15 cm的原路面彎沉降低了近37%,再生層厚度為25 cm的原路面彎沉降低了20%.因此,再生混合料中舊瀝青面層的摻量越小,再生基層路面的彎沉降低效果越顯著.

2.4 取芯

對養(yǎng)護(hù)7 d后的試驗(yàn)段進(jìn)行鉆孔取芯,取芯機(jī)采用HZ-20A型鉆孔取芯機(jī).取芯發(fā)現(xiàn),當(dāng)舊瀝青面層摻量大于40%,再生層厚度超過22 cm,取出的芯樣底部松散,高度普遍達(dá)不到設(shè)計(jì)要求.再生層設(shè)計(jì)厚度25 cm,舊瀝青面層與半剛性基層質(zhì)量比為50∶50,取出的芯樣厚度僅22 cm(見圖7).這是因?yàn)槭┕すに嚺c壓路機(jī)設(shè)備一致的情況下,舊瀝青面層摻量過高導(dǎo)致集料之間嵌擠能力不足,未完全老化的柔性瀝青與半剛性基層在水泥作為穩(wěn)定劑的條件下,由瀝青包裹的面層材料與基層材料之間僅依靠結(jié)構(gòu)的填充形成骨架結(jié)構(gòu)[10-13],水泥難以形成強(qiáng)有力的粘結(jié).當(dāng)舊瀝青面層摻量小于40%,再生層厚度超過22 cm時(shí),取出的再生基層芯樣均較完整.再生層設(shè)計(jì)厚度25 cm,舊瀝青面層與半剛性基層質(zhì)量比為27∶73,取出的芯樣厚度達(dá)到25 cm(見圖8).這是因?yàn)閴郝窓C(jī)碾壓厚度較薄,且瀝青混凝土含量較低,瀝青混凝土在再生混合料結(jié)構(gòu)中處于半剛性基層材料的空隙中,瀝青混凝土四周形成了水泥穩(wěn)定碎石的牢固骨架結(jié)構(gòu),所以再生后保持著較高的強(qiáng)度.

圖7 取芯厚度22 cm

圖8 取芯厚度25 cm

3 適應(yīng)性分析

全深式就地再生基層施工中,應(yīng)根據(jù)原路面基層的彎沉值和舊瀝青面層與半剛性基層的質(zhì)量比,調(diào)整再生基層厚度.通過對舊路面面層或和基層一起就地銑刨拌合形成強(qiáng)度均勻的再生基層,從而增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)的承載力.

當(dāng)原路面基層頂面彎沉值大于100(0.01 mm),在路面損壞較為嚴(yán)重的路段,可將瀝青面層和基層全部進(jìn)行全深式就地再生,舊瀝青面層占再生基層質(zhì)量比應(yīng)控制在27%以內(nèi);或者將瀝青面層銑刨掉,對基層進(jìn)行就地再生,作為新路面的基層,再生后壓實(shí)度能夠滿足大于97%的要求,再生后的基層頂面彎沉值可控制在60(0.01 mm)以內(nèi),全部基層材料再生彎沉值可控制在45(0.01 mm)以內(nèi).因此,全深式就地再生基層的厚度應(yīng)控制在18～25 cm.當(dāng)原路面基層頂面彎沉值在80～100(0.01 mm),路面損壞一般的路段,可將瀝青面層和全部或部分上基層進(jìn)行全深式就地再生.舊瀝青面層占再生基層質(zhì)量比宜控制在27%～50%,再生后作為新路面的基層或底基層,再生后基層頂面彎沉值可控制在60～75(0.01 mm).因此,全深式就地再生基層的厚度應(yīng)控制在15～22 cm.

4 結(jié) 論

本文結(jié)合X811干線公路養(yǎng)護(hù)大中修工程,對舊瀝青混凝土的摻量與全深式就地再生基層適應(yīng)性的關(guān)系進(jìn)行了研究,研究的主要結(jié)論如下:

a. 隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,舊瀝青面層與半剛性基層不同質(zhì)量比的再生混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、回彈模量增長規(guī)律基本一致,再生混合料中舊瀝青面層摻量越低、養(yǎng)護(hù)期越長,再生混合料的強(qiáng)度和模量越高.全深式就地再生基層施工中應(yīng)保證再生路段養(yǎng)護(hù)期至少在7 d以上.

b. 隨著舊瀝青面層摻量的增加,混合料的最佳含水量和最大干密度逐漸減小,主要是因?yàn)闉r青對集料的包裹,阻礙了集料對水分的吸收,導(dǎo)致混合料吸收的水分減少,游離在集料之間的水分增多.因此,含瀝青層的再生基層施工時(shí),在全基層銑刨料基礎(chǔ)上,舊瀝青面層與半剛性基層質(zhì)量比增加10%,混合料的用水量應(yīng)減少0.5%左右.

c. 再生混合料的壓實(shí)度隨舊瀝青面層摻量的增加而減小,當(dāng)舊瀝青面層摻量在27%～50%時(shí),壓實(shí)度隨再生層厚度的增加而減小,舊瀝青面層摻量越高,壓實(shí)度降低幅度越大.

d. 在原路面基層頂面彎沉值較大的條件下,舊瀝青面層的摻量越高,全深式就地再生基層控制的厚度越低.相反,在原路面基層頂面彎沉值較小的條件下,舊瀝青面層摻量可適量增加,再生基層厚度可予以提高.

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(編輯:丁紅藝)

Adaptability of Cement Stabilized Full-Depth in Situ Regeneration Base

SHI Fangzhi1,2,CHEN Yaxiong1,LIU Duanyang3,LI Xiujun1

(1.SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.JiaxingHi-techCommunicationEvaluationInstitute,Jiaxing314001,China;3.HighwayAdministrationBureauofJiaxingCityinZhejiangProvince,Jiaxing314001,China)

Four kinds of programs for mixing the old asphalt layer and semi-rigid base milling material were designed for the cement stabilized full-depth in a situ regeneration base.Through indoor and engineering field tests,the relationships between the thickness of the cement stabilized full-depth in the situ regeneration base and the content of old asphalt layer were discussed.The results show that when the deflection of the original pavement base is greater than 100(0.01 mm) and the mass ratio of the old asphalt layer over the regeneration base is less than 27%,the thickness of full-depth in the situ regeneration base should be controlled between 18 cm and 25 cm.While the deflection of the original pavement base varies from 80(0.01 mm) to 100(0.01 mm) and the mass ratio of the old asphalt layer over the regeneration base is between 27% and 50%,the thickness of full-depth in the situ regeneration base should be controlled between 15 cm and 22 cm.According to the content of the old asphalt layer,the thickness of the cement stabilized full-depth in the situ regeneration base can be controlled and the regeneration base quality can be ensured.

cementstabilized;full-depthinsituregenerationbase;contentofoldasphaltlayer;adaptability;thicknessofregenerationlayer

1007-6735(2017)02-0188-06

10.13255/j.cnki.jusst.2017.02.016

2016-11-07

浙江省公路管理局科技計(jì)劃(2016-8-12)

拾方治(1977-),男,高級工程師.研究方向:道路工程管理.E-mail:18472689@qq.com

U 416.217

A