垂直振動(dòng)壓實(shí)水泥冷再生混合料的回彈模量特性

李國偉，陳 豫，薛金順，蔣應(yīng)軍，劉延金

垂直振動(dòng)壓實(shí)水泥冷再生混合料的回彈模量特性

李國偉1，陳 豫2，薛金順3，蔣應(yīng)軍3，劉延金3

(1.河南省三門峽至淅川高速公路項(xiàng)目有限公司，河南三門峽 472000;2.金華市城區(qū)公路管理段，浙江金華 321000;3.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064)

采用垂直振動(dòng)試驗(yàn)研究了養(yǎng)生齡期、基面層回收料比例、新集料摻量、水泥劑量等因素對(duì)水泥冷再生混合料(CCRM)室內(nèi)抗壓回彈模量的影響。結(jié)果表明:CCRM的7 d模量約為極限模量的40%，28 d模量約為極限模量的80%，90 d模量約為極限模量的90%;隨著基面層回收料比例增加，CCRM模量有所增大，CCRM 90 d模量約為水泥穩(wěn)定碎石的0．5～0．7倍;與不摻新集料的CCRM相比，摻20%新集料CCRM的極限模量提高3%～18%，摻40%新集料CCRM的極限模量提高13% ～29%;CCRM模量隨水泥劑量的增加而增大，但幅度不大。

道路工程;水泥冷再生混合料;垂直振動(dòng)試驗(yàn)法;回彈模量

0 引言

近幾年，水泥冷再生技術(shù)在瀝青路面養(yǎng)護(hù)中被廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外道路工作者對(duì)此也開展了大量的研究工作，并取得了豐碩的成果［1］。國外，Issa等研究了影響水泥冷再生混合料(Cement Cold Recycling Mixtures，簡稱CCRM)強(qiáng)度的因素，指出水泥劑量、回收料摻量、養(yǎng)生時(shí)間等對(duì)CCRM的物理力學(xué)特性有著重要的影響［2-5］;Alex研究了室內(nèi)成型CCRM試件與現(xiàn)場芯樣的力學(xué)性能，指出兩者對(duì)混合料的工程特性影響差別不大［6］;Michael通過對(duì)冷再生混合料的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，指出滿足設(shè)計(jì)要求的最大回收料摻量為75%［7］。國內(nèi)，陳向上等研究了CCRM的力學(xué)性能影響因素，揭示了回收料級(jí)配及添加劑對(duì) CCRM的作用機(jī)理;曾石發(fā)等研究了CCRM疲勞特性的影響因素，指出CCRM在較低應(yīng)力水平下疲勞性能較優(yōu)，且其敏感性相對(duì)于普通半剛性基層材料較優(yōu)［8-9］;苗乾等通過對(duì)比分析振動(dòng)和靜壓2種成型方法對(duì)水泥穩(wěn)定冷再生混合料試件抗壓強(qiáng)度的影響，指出采用振動(dòng)成型法能提升水泥穩(wěn)定冷再生混合料的性能，從而有助于路面承載能力以及穩(wěn)定性的提升;劉濤等人分析了水泥冷再生混合料路用性能的影響因素，提出采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法來確定混合料的最佳含水量和最大干密度［10-11］;曾夢瀾等人通過研究冷再生瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合形式，提出應(yīng)采用改建路面設(shè)計(jì)方法對(duì)冷再生瀝青路面厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)［12］。

目前對(duì)CCRM回彈模量的研究相對(duì)較少，而作為再生瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，回彈模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)有著重要影響，因此，研究CCRM回彈模量的變化規(guī)律具有重要意義。其次，目前對(duì)冷再生混合料性能的研究大多采用靜壓法成型試件，而相關(guān)研究表明，室內(nèi)靜壓法成型的試件與現(xiàn)場芯樣的相關(guān)性較差，這就使得靜壓法成型的試件無法揭示冷再生材料本質(zhì)屬性及其內(nèi)在規(guī)律，致使難以有效地指導(dǎo)冷再生材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，無法為路面設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確參數(shù)［13］，而垂直振動(dòng)試驗(yàn)法成型的試件與路面芯樣的物理力學(xué)性能相關(guān)性可達(dá)90%［14］。因此，本文依托河南省S325省道許昌市境內(nèi)改建工程，采用垂直振動(dòng)試驗(yàn)法，研究水泥劑量、基面層回收料比例、新集料摻量、養(yǎng)生齡期等因素對(duì)CCRM抗壓回彈模量的影響。

1 原材料與研究方案

1．1 原材料

水泥采用鄭州天瑞牌復(fù)合硅酸鹽水泥;新集料采用河南許昌淺井鄉(xiāng)生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石;路面回收集料為面層回收集料(Reclaimed Asphalt Pavement Material，簡稱RAP)與基層回收集料(Reclaimed Cement Base Material，簡稱 RCB)。

1．2 研究方案

(1)基面層回收料比例。S325省道許昌市境內(nèi)改建工程原面層為7 cm厚瀝青混凝土(3 cm AC-13和4 cm AC-16)，原基層為18 cm厚水泥穩(wěn)定碎石。根據(jù)原路面銑刨情況選取3種基面層材料比例進(jìn)行研究，分別為瀝青面層全銑刨;基層部分、瀝青面層全部銑刨;基層全部、面層全部銑刨。對(duì)應(yīng)室內(nèi)基面層比例為0∶1、1∶1、7∶3。路面結(jié)構(gòu)具體銑刨厚度見表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)銑刨厚度

(2)新集料摻量(VAG)。為了改善回收集料的級(jí)配，在回收集料中分別摻20%和40%的新集料，以研究新集料摻量對(duì)CCRM模量的影響。為方便敘述，不摻新集料的CCRM用100%CCRM表示，摻20%新集料的CCRM用80%CCRM表示，摻40%新集料的CCRM用60%CCRM表示。

(3)水泥劑量。水泥劑量(Ps)擬分別采用3%、4%。

(4)礦料級(jí)配。采用骨架密實(shí)級(jí)配［15］，擬定10組CCRM試驗(yàn)級(jí)配，研究級(jí)配對(duì)CCRM模量的影響，結(jié)果見表2。

1．3 試驗(yàn)方法

(1)振動(dòng)試驗(yàn)方法。垂直振動(dòng)擊實(shí)儀工作時(shí)只產(chǎn)生垂直振動(dòng)力而沒有水平力，振動(dòng)參數(shù)配置為:工作頻率為30 Hz，激振力為7．6 kN，名義振幅為1．2 mm，上車重力為1．2 kN，下車重力為1．8 kN。

采用垂直振動(dòng)擊實(shí)儀將不同含水量的CCRM振動(dòng)擊實(shí)100 s，擊實(shí)后測試不同含水量CCRM的密度，繪制CCRM的干密度與含水量的曲線，確定最大干密度和最佳含水量［16-18］。

采用垂直振動(dòng)擊實(shí)儀成型圓柱體試件，試件尺寸為15 cm×15 cm，壓實(shí)度達(dá)98%。

(2)抗壓回彈模量測試方法。CCRM室內(nèi)抗壓回彈模量試驗(yàn)采用頂面法。

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 室內(nèi)抗壓回彈模量

根據(jù)垂直振動(dòng)擊實(shí)確定的最大干密度與最佳含水率成型試件，養(yǎng)生至規(guī)定齡期，測試CCRM試件不同齡期的抗壓回彈模量代表值，結(jié)果見表3。

表2 礦料級(jí)配

表3 CCRM室內(nèi)抗壓回彈模量代表值

2．2 養(yǎng)生齡期的影響

2．2．1 回彈模量增長模型

假設(shè)CCRM抗壓回彈模量的增長方程滿足公式

式中:T為養(yǎng)生齡期(d);Ec為抗壓回彈模量(MPa);E0為初始抗壓回彈模量(MPa);E∞為極限抗壓回彈模量(MPa);ηc為回歸系數(shù)。

采用式(1)對(duì)CCRM回彈模量進(jìn)行回歸，不同的回歸方程抗壓回彈模量增長模型見表4。

表4 CCRM抗壓回彈模量增長模型

由表4可知，采用式(1)擬合的CCRM抗壓回彈模量的相關(guān)系數(shù)較高，這說明該公式能較好地預(yù)測回彈模量的增長規(guī)律。

2．2．2 回彈模量增長曲線

圖1是根據(jù)表3、4中數(shù)據(jù)得到的Ec/E∞與齡期之間的關(guān)系。如圖1所示，隨著養(yǎng)生齡期的增加，CCRM的抗壓回彈模量增大，28 d以前回彈模量增長速率較快，28 d以后回彈模量增長速率逐漸趨于平緩，并趨于零。28 d的CCRM回彈模量約為極限模量的80%，90 d的CCRM回彈模量約為極限模量的90%。因此，為了保證CCRM具有足夠的強(qiáng)度與剛度，必須加強(qiáng)CCRM的養(yǎng)生，尤其是早期養(yǎng)生。

圖1 E c/E∞隨養(yǎng)生齡期變化規(guī)律曲線

2．3 RCB/RAP 的影響

CCRM與水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量的比值和齡期之間的關(guān)系，如圖2所示。圖中P1B0/P0B0表示RCB∶RAP=0∶1的CCRM與水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量之比，其他類推。

圖2 抗壓回彈模量比值隨養(yǎng)生齡期變化規(guī)律曲線

由圖2可知，隨著養(yǎng)生齡期的增加，CCRM與水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量的比值先增大，然后緩慢減小直至穩(wěn)定。作為設(shè)計(jì)參數(shù)，運(yùn)營期間的模量具有工程實(shí)際意義，也就是說，后期模量是值得關(guān)注的重點(diǎn)，而養(yǎng)生90 d的CCRM的模量達(dá)極限模量的90%。因此，應(yīng)重點(diǎn)討論90 d齡期的模量。

水泥劑量為3%時(shí)，100%CCRM、80%CCRM、60%CCRM的90 d抗壓回彈模量約為水泥穩(wěn)定碎石的0．53 ～0．67、0．55 ～0．65、0．59 ～ 0．72，其中RCB越大，比值越大;水泥劑量為4%時(shí)，100%CCRM、80%CCRM、60%CCRM 的90 d抗壓回彈模量約為水泥穩(wěn)定碎石的 0．58 ～0．76，0．55 ～0.70、0．57～0．71。可知，RCB 對(duì) CCRM 的抗壓回彈模量有著顯著影響。

2．4 新集料摻量的影響

新集料摻量對(duì)CCRM抗壓回彈模量的影響見表5。表中Ec20/Ec0表示80%CCRM與100%CCRM的抗壓回彈模量之比，其他類推。

表5 不同新集料摻量下的抗壓回彈模量

由表5可知:CCRM的極限模量隨著RCB增大而有所增大;與100%CCRM的極限模量相比，80%CCRM的極限模量提高了3% ～18%，60%CCRM的極限模量提高了13%～29%。

2．5 水泥劑量的影響

由表5可知，CCRM的極限模量均隨水泥劑量的增加而增大，但增大幅度不明顯。同時(shí)，過多的水泥劑量對(duì)CCRM基層的抗裂性能不利［15］。

3 結(jié)語

(1)研究了養(yǎng)生齡期對(duì)CCRM室內(nèi)抗壓回彈模量的影響。結(jié)果表明，隨著養(yǎng)生齡期增加，CCRM抗壓回彈模量隨之增大，且28 d之前模量增長速率較快，28 d之后增長速率變緩，最后逐漸趨于零。28 d的CCRM回彈模量約為極限模量的80%，90 d的CCRM回彈模量約為極限模量的90%。建議加強(qiáng)CCRM的養(yǎng)生，尤其是早期養(yǎng)生。

(2)研究了基面層回收料比例對(duì)CCRM室內(nèi)抗壓回彈模量的影響。結(jié)果表明，水泥劑量為3%時(shí)，100%CCRM、80%CCRM、60%CCRM 的 90 d抗壓回彈模量約為水泥穩(wěn)定碎石的0．53～0．67、0.55～0．65、0．59 ～0．72，其中 RCB 摻量越大，比值越大;水泥劑量為4%時(shí)，100%CCRM、80%CCRM、60%CCRM的90 d抗壓回彈模量約為水泥穩(wěn)定碎石的 0．58 ～0．76，0．55 ～0．70、0．57 ～0.71?？芍?，RCB摻量對(duì)CCRM的抗壓回彈模量影響顯著。

(3)研究了新集料摻量對(duì)CCRM室內(nèi)抗壓回彈模量的影響。結(jié)果表明，CCRM的極限模量隨著RCB摻量增大而有所增大;與100%CCRM的極限模量相比，80%CCRM的極限模量提高了3% ～18%，60%CCRM的極限模量提高了13% ～29%。

(4)研究了水泥劑量等對(duì)CCRM室內(nèi)抗壓回彈模量的影響。結(jié)果表明，CCRM的極限模量均隨著水泥劑量的增加而增大，但增大幅度不明顯。

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Modulus of Resilience of Cement Cold Recycling Mixtures Under Vertical Vibration Compaction

LI Guo-wei1，CHEN Yu2，XUE Jin-shun3，JIANG Ying-jun3，LIU Yan-jin3
(1．Henan Sanmenxia-Xichuan Expressway Co．，Ltd．，Sanmenxia 472000，Henan，China;2．Wucheng District Highway Management of Jinhua City，Jinhua 321000，Zhejiang，China;3．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China)

The effects of the factors such as the curing time，the proportion of reclaimed base course and surface course materials used in the mixture，the amount of virgin aggregate and the cement dosage on the compressive modulus of resilience of the cement cold recycling mixtures(CCRM)were studied by the vertical vibration test．The results show that after 7 d，28 d and 90 d of curing，the modulus of CCRM reaches 40%，80%and 90%of the ultimate modulus of resilience;with the increase of the proportion of the recycled material，the modulus of CCRM increases，and its 90 d modulus is about 0．5 ～0．7 times of the cement stabilized macadam;compared with CCRM without virgin aggregate，the ultimate modulus of CCRM mixed with 20%virgin aggregate increases by about 3% ～18%，and that of CCRM mixed with 40%virgin aggregate increases by 13%～29%;the modulus of CCRM increases in line with the increasing amount of cement in an unremarkable scale．

road engineering;cement cold recycling mixture;vertical vibration test method;modulus of resilience

U414．01

B

1000-033X(2017)10-0058-05

2017-04-14

河南省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目(2014K49-1)

李國偉(1977-)，男，河南駐馬店人，工程師，主要從事道路、橋梁工程建設(shè)工作。

［責(zé)任編輯:杜敏浩］