水穩(wěn)碎石基層材料循環(huán)冷再生性能提升試驗(yàn)

龐 皓，王 民，周啟偉，梅迎軍

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336；3.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

隨著中國公路建設(shè)的快速發(fā)展，早期建造的高速公路、城市道路等已出現(xiàn)一系列路基、路面病害，如車轍、沉陷、坑槽等[1-5]；為此，對舊路進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修已成為中國公路行業(yè)的必然趨勢。冷再生技術(shù)對于路面養(yǎng)護(hù)而言，其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)不僅與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略以及低碳理念相契合，而且有著顯著的經(jīng)濟(jì)及社會效益[6-10]，正逐漸成為行業(yè)人員重點(diǎn)研究的對象。

目前，國外對于再生技術(shù)的研究主要集中在瀝青混合料的再生技術(shù)研究：如美國瀝青協(xié)會出版了《瀝青路面再生技術(shù)手冊》；Stimilli等[11]采用高百分比再生瀝青進(jìn)行冷再生試驗(yàn)，并對混合料性能進(jìn)行了探討；Lee等[12]對冷再生瀝青混合料的配合比設(shè)計方法及性能預(yù)測進(jìn)行了研究。自冷再生技術(shù)引入國內(nèi)以來，一些專家、學(xué)者也對其性能等方面進(jìn)行了許多相關(guān)研究：長安大學(xué)的王宏等[13]通過試驗(yàn)研究了乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性；長安大學(xué)的郭寅川等[14]對復(fù)合式冷再生基層的路用性能影響因素進(jìn)行了研究；大連理工大學(xué)的張海[15]對水泥穩(wěn)定冷再生基層的疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。現(xiàn)有研究顯示，國內(nèi)對于半剛性基層舊料再生利用的相關(guān)研究，大多只是進(jìn)行試驗(yàn)路的鋪設(shè)及基層冷再生后各種路用性能的試驗(yàn)，而對于半剛性基層舊料多次循環(huán)再生利用的研究還有待進(jìn)一步完善。

本文針對水穩(wěn)碎石基層多次循環(huán)冷再生利用時出現(xiàn)的強(qiáng)度過快增長、干縮時間延長等問題，基于冷再生機(jī)理提出減少水泥摻量及摻入外摻材料的解決措施，使水穩(wěn)碎石基層循環(huán)冷再生技術(shù)能夠更有效地應(yīng)用于實(shí)際工程。

1 冷再生機(jī)理分析

1.1 強(qiáng)度形成機(jī)理

隨著冷再生循環(huán)次數(shù)的增加，水穩(wěn)碎石基層混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也會相繼增大，且增長速率會隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加，這2種增長趨勢會使混合料因強(qiáng)度過大而變脆。對水穩(wěn)碎石基層混合料來說，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的形成主要依靠水泥的水化作用、離子交換作用及碳酸化作用，影響因素主要有含水量、壓實(shí)度、水泥劑量等；其中水泥的含量對抗壓強(qiáng)度的形成至關(guān)重要，其摻量越多則強(qiáng)度越大，增長的速率也就越快，故采取減少水泥摻量的方法，可緩和混合料多次循環(huán)冷再生過程中強(qiáng)度增長過大且增速過快的問題。

1.2 干縮機(jī)理

干燥收縮是水穩(wěn)碎石基層混合料因內(nèi)部含水量變化而引起的體積收縮現(xiàn)象，基本原理是水分蒸發(fā)引發(fā)毛細(xì)管張力作用、吸附水及分子間作用、礦物晶體或凝膠體的層間水作用及炭化脫水作用，導(dǎo)致宏觀體積變化。其干縮性能主要受水泥摻量、含水量、集料等因素控制，而水泥的高摻量容易造成水穩(wěn)碎石基層混合料的干縮較大，故降低水泥的摻量可以減小混合料的干縮；另外，膨脹劑的作用可與水穩(wěn)碎石基層混合料收縮性互補(bǔ)，對于混合料的干縮有很好的改善作用。因此，減少水泥用量及外摻膨脹劑是改善水穩(wěn)碎石基層混合料干縮的有效途徑。

1.3 抗沖刷機(jī)理

對水穩(wěn)碎石基層來說，當(dāng)?shù)乇硭疁粼诿鎸优c基層之間時，行車荷載的作用會使基層材料受到相當(dāng)大的動水壓力以及沖刷破壞。沖刷初期的沖刷量較大，但其增長趨勢會隨著時間的推移而減緩。究其原因在于：粗顆粒表面吸附著較多的細(xì)顆粒，這些細(xì)顆粒之間由于表面覆蓋著水泥而具有一定的黏結(jié)力，但在荷載和動水沖刷作用下仍然會被沖掉；隨著沖刷進(jìn)行到一定程度，細(xì)顆粒逐漸剝落，水穩(wěn)基層集料此時主要依靠粗顆粒間形成的骨架來承受外界作用力，處于粗顆粒間隙的細(xì)顆粒則受到保護(hù)免于過度沖刷，此時沖刷量減少，但沖刷作用不會停止[16-19]。考慮到聚丙烯纖維能有效增強(qiáng)混合料中各集料之間的黏結(jié)力，增強(qiáng)混合料的整體連接性，故采用外摻聚丙烯纖維的方法可減緩在多次循環(huán)冷再生過程中抗水損性能降低且降低速率過快的問題。

2 原材料及配合比設(shè)計

2.1 原材料

集料采用石灰?guī)r石料，壓碎值為19.1%，滿足規(guī)范不大于30%的技術(shù)要求；膨脹劑為硫鋁酸鈣型，不含鈉鹽，不發(fā)生堿骨料反應(yīng)；單絲聚丙烯纖維當(dāng)量直徑為18～48 μm，規(guī)格為30 mm；試驗(yàn)用水為自來水；32.5#普通硅酸鹽水泥的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2.2 配合比設(shè)計

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對半剛性基層材料的循環(huán)冷再生過程進(jìn)行室內(nèi)模擬。試驗(yàn)結(jié)果表明，水穩(wěn)碎石基層材料循環(huán)冷再生2次后，其骨料抵抗壓碎的能力已不能滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)的要求，故試驗(yàn)循環(huán)冷再生次數(shù)定為2次，試驗(yàn)計算出混合料多次冷再生的級配，如表1所示。

2.3 試驗(yàn)方案

采取減少水泥含量(由5%調(diào)整為4.5%)以及摻加外摻材料(膨脹劑、聚丙烯纖維)來進(jìn)行混合料性能的提升?？紤]到水泥、纖維與膨脹劑3種材料對混合料的貢獻(xiàn)各不相同，決定采用正交試驗(yàn)設(shè)計找出3種材料各自影響的主次關(guān)系。分析結(jié)果表明，對于水穩(wěn)碎石基層混合料來說，影響其強(qiáng)度的最主要因素是水泥摻量的變化，而膨脹劑與纖維的加入，不僅不會給原有水穩(wěn)基層混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度帶來負(fù)面影響，而且能夠顯著改善混合料的收縮性能。

以下針對纖維與膨脹劑進(jìn)行最佳摻量的研究。對于纖維，選擇0.3‰、0.4‰、0.5‰、0.6‰、0.7‰五種不同的摻配比例；對于膨脹劑，選擇1‰、2‰、3‰、4‰、5‰五種不同的摻配比例。由于纖維與膨脹劑對于干縮系數(shù)的改善作用隨其摻量的增多而增強(qiáng)，因此很難去選擇一個適宜的最佳摻量；本文通過添加不同比例的膨脹劑與纖維，以7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)來進(jìn)行對比與評價，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，纖維和膨脹劑的摻入對混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定的改善作用，但這種改善作用是有限的。纖維在摻量增加至0.5‰之前，抗壓強(qiáng)度是呈增長趨勢的，但是在0.5‰之后，摻量的繼續(xù)增加對于強(qiáng)度的貢獻(xiàn)基本沒有發(fā)生改變；對于膨脹劑來說出現(xiàn)了相同的趨勢，在其摻量達(dá)到3‰之后，對于混合料的抗壓強(qiáng)度幾乎沒有明顯的改善作用。由此可以確定，本次試驗(yàn)所采取的最佳摻配比例為：膨脹劑3‰，聚丙烯纖維0.5‰。

3 路用性能研究

3.1 力學(xué)特性

對于水穩(wěn)碎石基層混合料，選擇7 d及28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為力學(xué)性能評價指標(biāo)，通過對各個循環(huán)冷再生周期內(nèi)的混合料進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到采取可持續(xù)性改善措施前后混合料的強(qiáng)度值及衰變比指標(biāo)，如表3所示。

由表3可以看出，采取改善措施后，各個循環(huán)冷再生周期內(nèi)混合料的強(qiáng)度值均比改善前有所降低，這可以使混合料的脆性穩(wěn)定在一個較為合適的區(qū)間，從而有效避免由于強(qiáng)度過大引起的混合料收縮增大及抗沖刷性能變差等現(xiàn)象，有利于混合料的實(shí)際應(yīng)用。從強(qiáng)度的衰變比來看，改善之后各個循環(huán)冷再生周期相比改善前都有明顯的降低趨勢，說明混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長減緩，這種變化有效減少了由于強(qiáng)度增長過快帶來的混合料脆性增大、收縮加劇等危害，使得混合料的使用壽命延長，達(dá)到可持續(xù)使用的目的。

3.2 收縮特性

對水穩(wěn)碎石基層混合料的收縮特性采用干縮試驗(yàn)進(jìn)行分析評價。通過試驗(yàn)得到改善前后各個循環(huán)冷再生階段混合料試件的失水量及干縮量，計算各齡期的累計失水率、累計干縮應(yīng)變、累計干縮系數(shù)，并繪制出變化曲線，如圖1～3所示。

圖1 改善前后失水率變化曲線

圖2 改善前后干縮應(yīng)變變化曲線

圖3 改善前后干縮系數(shù)變化曲線

由圖1～3可以看出，對各個循環(huán)冷再生周期內(nèi)的水穩(wěn)基層混合料采取改善措施后，各項(xiàng)指標(biāo)的變化趨勢和改善前一樣，仍隨齡期增長而增大，但增大的趨勢已得到減緩，且各評價指標(biāo)均有所降低。這說明采取改善措施之后，各個循環(huán)冷再生周期水穩(wěn)基層混合料的收縮性能均得到提高，有效減少了混合料的干縮，防止混合料由于干縮太大導(dǎo)致收縮裂縫的出現(xiàn)，使循環(huán)冷再生混合料的使用壽命得以延長。

3.3 水穩(wěn)特性

為測試水穩(wěn)碎石基層混合料的水穩(wěn)性能，本文按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)成型Φ100 mm×100 mm的圓柱體試件，分別在7 d和28 d齡期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，養(yǎng)生期結(jié)束進(jìn)行動水沖刷試驗(yàn)，得到改善前后各循環(huán)冷再生周期內(nèi)混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及質(zhì)量損失率。試驗(yàn)結(jié)果如表4、5所示。

由表4可以看出，無論是7 d還是28 d齡期的沖刷試驗(yàn)，改善之后混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失比均有所下降。這種現(xiàn)象表明，在采取可持續(xù)技術(shù)措施之后，水穩(wěn)碎石基層混合料的抗沖刷性能得到大幅提高，意味著其在循環(huán)冷再生過程中維持了良好的抗水損性能，有利于可持續(xù)再生利用。

表4 改善前后混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度損失比

由表5可以看出，采取改善措施后，雖然動水沖刷的質(zhì)量損失率仍隨著循環(huán)冷再生次數(shù)的增加而增加，但相比改善前已明顯降低。這說明水穩(wěn)碎石基層混合料在各個冷再生周期內(nèi)的抗沖刷能力都有了明顯改善與提高。

表5 改善前后混合料質(zhì)量損失率 %

以上分析表明，無論是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的損失比，還是動水沖刷試驗(yàn)后的質(zhì)量損失率，采取可持續(xù)改善技術(shù)措施后，水穩(wěn)碎石基層混合料的水穩(wěn)定性能在各個循環(huán)冷再生周期內(nèi)都較改善前有所提高。

4 結(jié) 語

(1)通過對半剛性基層舊料可持續(xù)性能的強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行分析，提出可持續(xù)使用的改善技術(shù)措施：對于水穩(wěn)碎石基層舊料，降低冷再生循環(huán)過程中的水泥摻量并添加外摻改善劑(膨脹劑與聚丙烯纖維)。其中，水泥摻量由5%降低為4.5%，膨脹劑摻量為3‰，聚丙烯纖維摻量為0.5‰。

(2)通過水穩(wěn)碎石基層可持續(xù)性能的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：采取改善措施之后，混合料在循環(huán)冷再生過程中，雖然其力學(xué)特性、收縮特性、水穩(wěn)特性等各項(xiàng)性能指標(biāo)依舊隨冷再生次數(shù)的增加呈現(xiàn)出衰減趨勢，但與改善前相比，這種趨勢已得到較大的減緩；而且在冷再生循環(huán)末期，其各項(xiàng)性能指標(biāo)已然能夠滿足規(guī)范的要求，尤其是在收縮性能與抗水損性能方面，改善作用明顯，改善前后二次再生混合料的累計干縮應(yīng)變由1 034.5×10-6降低為860.6×10-6，7 d質(zhì)量損失率由0.94%降低為0.51%，28 d質(zhì)量損失率由0.76%降為0.44%。

(3)采取可持續(xù)技術(shù)措施改善之后，半剛性基層舊料可持續(xù)使用周期與原材料的使用壽命周期達(dá)到一致，即水穩(wěn)碎石可反復(fù)利用的循環(huán)周期為2次，實(shí)現(xiàn)了舊料殘余使用價值的最大化。