水泥就地冷再生基層的級配優(yōu)化設計

賈敬立，張淵龍，楊玉慶，趙大闖，王 緒，趙啟旸

（河南黃河河務局工程建設中心，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的交通要道，也是發(fā)展沿黃地區(qū)經(jīng)濟不可或缺的組成部分。然而經(jīng)過多年運行，堤頂路面破損嚴重，影響搶險車輛通行，亟需進行升級改造。本項目有以下主要特點：①施工里程長，“十三五”期間河南段道路全長469.33 km，其中基層改造段長370.12 km；②運營時間長，最早完工的路段已經(jīng)使用17 a，完工時間跨度大，從1999年、2000年、2003年到2005年；③原路面基層材料種類多，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。

基于減少舊路開挖，循環(huán)利用舊路材料，減少舊路材料堆放，保護環(huán)境的原則，對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規(guī)范》（JTG F41—2008）中無機結合料穩(wěn)定冷再生混合料級配范圍過寬，對設計者的指導意義較弱，實際施工中無法實現(xiàn)對施工質量的有效控制[1]，因此本文采用N法、I法和K法對水泥就地冷再生基層級配進行研究，然后利用貝雷法CA、FAc、FAf三參數(shù)進行級配優(yōu)化，結合混合料在擊實和現(xiàn)場壓實過程中的壓碎情況，對理論級配范圍進行修正，得到了工程上適用的級配范圍，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行了實體驗證，各項指標均較好地滿足規(guī)范要求，本文對這一成果進行總結分析，以更好地指導黃河下游堤頂?shù)缆匪嗑偷乩湓偕┕ぁ?/p>

2 水泥就地冷再生混合料級配研究

2.1 標準級配設計研究

水泥就地冷再生技術采用了原有路面銑刨材料，在設計時有別于傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定材料的級配設計，我國在再生技術方面也形成了一定的標準，具體級配范圍見表1。

表1 無機結合料冷再生混合料規(guī)范級配范圍

黃河堤頂?shù)缆钒慈壒窐藴试O計，采用表1中二級及二級以下公路的級配范圍，由于此級配上下限范圍太寬，在實際工程應用時目標級配很容易達到，但對設計者的指導意義較弱，致使工程質量難以保證，因此在標準要求的基礎上，對級配進一步優(yōu)化就顯得特別重要。

2.2 級配優(yōu)化設計研究

在填充理論嵌擠原則指導下，冷再生混合料良好的設計級配會使集料緊密孔隙率較小，大大提高相應混合料摩阻力，有效保證基層再生路面的結構強度[2]。

2.2.1 N法、K法、I法和貝雷法對比分析

N法是由美國學者Fuller根據(jù)最大密度理論提出的，通過工程實踐不斷優(yōu)化，最終形成成熟的級配設計技術。

K法是由蘇聯(lián)學者伊邁萬諾夫和奧浩欣提出，該礦料級配是采用顆粒分級質量遞減系數(shù)k，粒徑按1/2遞減，最小粒徑dn=0.004 mm通過率為0來決定總級數(shù)n的一種級配設計技術[3]。

I法是由同濟大學林繡賢教授在K法和N法基礎上，提出直接采用質量通過百分率遞減系數(shù)i為參數(shù)的礦料級配組成計算方法[4]。

貝雷法采用參數(shù)CA（粗集料比）評價礦料中粗集料的含量和分析孔隙特征、FAc（細集料中粗料部分和細料部分的比例）反映細集料中粗料部分與細料部分的嵌擠與填充情況、FAf（細集料中最細的部分與次細部分的比例）反映合成集料中最細一級的嵌擠情況，采用這3個參數(shù)進行級配檢驗，是比較系統(tǒng)的級配合成設計方法，粗、細集料可以更好搭配，粗集料間相互嵌擠形成骨架，細集料進行填充，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法和貝雷法對比見表2。

表2 N法、K法、I法和貝雷法對比

2.2.2 級配優(yōu)化設計分析

在研究過程中借鑒已有研究成果和工程經(jīng)驗，n、i、k的取值應分別在 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N法、I法以及K法進行混合料級配設計計算，并結合規(guī)范上下限將級配計算曲線匯總，如圖1～圖3所示。

圖1 N法設計級配曲線

圖2 I法設計級配曲線

圖3 K法設計級配曲線

由圖1～圖3可知，采用N法、I法和K法計算級配均在規(guī)范規(guī)定上下限范圍內(nèi)，當n=0.45、0.50、0.55，i=0.68、0.70、0.72，k=0.70、0.75、0.80 時對應的級配均滿足要求。為檢驗級配設計合理性，采用貝雷法3參數(shù)CA、FAc、FAf進行檢驗。根據(jù)銑刨料的粒徑，本項目混合料的最大粒徑取31.5 mm，公稱最大粒徑為26.5 mm，計算貝雷法參數(shù)，結果見表3。

表3 貝雷法級配檢驗結果

從已有的貝雷法檢驗級配研究結果可知：①參數(shù)CA決定了粗集料顆粒的填充及對細集料顆粒的壓實，取值范圍為0.4～0.8；②參數(shù)FAc決定了細集料中較粗部分的填充，取值范圍為0.35～0.50；③參數(shù)FAf決定了細集料中較細部分的填充，取值范圍為0.35～0.50。通過對表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 時的級配較優(yōu)，表 4為經(jīng)過貝雷法檢驗的合格級配。

表4 經(jīng)貝雷法檢驗的合格級配

根據(jù)表4給出的級配范圍，選擇每級篩孔通過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的推薦理論級配范圍，見表5。

表5 堤頂?shù)缆匪喾€(wěn)定冷再生基層混合料的理論級配范圍

2.2.3 級配修正分析

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

室內(nèi)擊實試驗可以近似反映現(xiàn)場壓實時的情況，按表5提出的冷再生混合料理論級配范圍的中值取試樣5 kg，不加結合料，在最佳含水率狀態(tài)下進行室內(nèi)擊實試驗，烘干、篩分后得到擊實前后的級配變化情況，具體見表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范圍的集料質量減少了，說明擊實過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冷再生混合料級配變化的影響，可以將冷再生混合料的理論級配和擊實過程中的級配變化疊加，對理論級配進行修正，得到工程上適用的級配范圍，結果見表7。

表6 理論級配范圍中值各個檔位的分計篩余量

表7 工程級配范圍

3 水泥就地冷再生配合比設計

根據(jù)上述級配設計研究的優(yōu)化結果，在黃河堤頂?shù)缆粪嵵荻芜M行水泥就地冷再生配合比設計，并鋪筑試驗段對本研究的工程級配范圍進行驗證。

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，并對各原材料指標進行室內(nèi)試驗，測試結果見表8～表11。

表8 銑刨料檢測項目與檢測結果

表9 粗集料技術性質

表10 細集料技術性質

表11 水泥的技術指標檢測結果及技術要求

3.2 鄭州段再生段級配設計研究

3.2.1 鄭州段合成級配

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

圖4 鄭州段再生段級配設計礦料合成級配

3.2.2 最佳含水率、最大干密度的確定

3種級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個不同的含水率進行重型擊實試驗，可得到不同水泥劑量下3種級配的最佳含水率和最大干密度，結果見表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無側限抗壓強度試驗結果見表13。

表13 無側限抗壓強度試驗結果

由表13可以看出，在最佳含水率狀態(tài)下，粗、中、細3種級配的抗壓強度與水泥劑量成正比，粗級配和中級配在4.5%的水泥劑量下滿足設計要求，細級配混合料在水泥劑量為5.0%時，滿足設計要求。

3.2.4 配合比確定

根據(jù)前述擊實試驗和7 d無側限抗壓強度試驗確定的粗、中、細3種級配的最大干密度、最佳含水率、最佳水泥劑量等關鍵參數(shù)，可以得到3種級配的配合比設計結果，具體見表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計結果

4 鄭州段3種級配水泥就地冷再生路用性能研究

4.1 3組級配路用性能試驗結果

為更加合理地確定水泥就地冷再生混合料的最佳級配，對不同級配的再生混合料路用性能進行試驗研究，將路用性能指標檢測結果匯總，見表15。

表15 不同級配路用性能指標檢測結果

通過檢測數(shù)據(jù)可見，3種級配混合料的強度和剛度指標均滿足設計要求。其中細級配強度指標最優(yōu)，中級配剛度最大，滿足水泥穩(wěn)定類基層抗壓回彈模量在1 300～1 700 MPa的要求。

在干縮性能方面，細級配干縮系數(shù)最大，粗級配最小，同時在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在試驗開始后的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，主要是因為初期混合料含水量大，水分散失速度快，干縮應變變大，當含水率減小到一定程度后，水分散失速度變慢，試件干縮應變變小，干縮系數(shù)逐漸減??；在溫縮性能方面，3種級配的平均溫縮系數(shù)均較小，具有較好的抗溫度收縮性能。

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

4.2 最佳配合比的確定

根據(jù)各種級配混合料路用性能的對比分析研究，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”，結果如圖5所示。

圖5 3組級配的各項指標對比

從5圖可以看出，粗級配混合料有5個“3”、2個“2”、2 個“1”，中級配混合料有 3 個“3”、6 個“2”，細級配混合料有 2個“3”、3 個“2”、4 個“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)上述評價等級，分別賦予“3”“2”“1”3個等級為90分、60分和30分，計算粗、中、細3種級配得分為630分、630分和480分，由于施工過程中粗級配比中級配難以壓實，施工難度大，因此最終確定本項目采用中級配混合料，同時考慮就地冷再生技術屬于路拌法施工，水泥劑量增加1%，采用5.5%，配合比設計結果見表16。

表16 鄭州段水泥就地冷再生混合料配合比設計結果

5 鄭州段水泥就地冷再生試驗段的結果分析

在黃河堤頂?shù)缆粪嵵荻蜬30+500—K30+700，進行了200 m試驗路段的鋪筑，嚴格控制施工過程，對再生混合料級配、水泥劑量、含水率、壓實度、7 d無側限抗壓強度等關鍵技術指標進行了檢測，結果分別見表17和表18，各檢測指標均較好地滿足設計要求。

表17 再生混合料篩分試驗結果

表18 再生混合料現(xiàn)場試驗檢測結果

6 結 論

通過N法、I法和K法對水泥就地冷再生基層混合料的級配進行優(yōu)化，并用貝雷法進行檢驗，結合混合料在擊實和現(xiàn)場壓實過程中的壓碎情況，對理論級配范圍進行修正，得到了工程上適用的級配范圍。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行了試驗，各項指標均較好地滿足規(guī)范要求，主要結論如下。

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

（2）結合混合料在擊實和現(xiàn)場壓實過程中的壓碎情況，對理論級配范圍進行修正，得到了工程級配范圍。

（3）在工程級配范圍內(nèi)的粗、中、細3組級配，經(jīng)室內(nèi)7 d無側限抗壓強度、劈裂強度、抗彎拉強度、剛度、干縮和溫縮系數(shù)等路用性能驗證，得到最佳配比為中級配，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%。考慮到就地冷再生路拌法施工的實際情況，現(xiàn)場將水泥劑量增加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)缆粪嵵荻卧囼灺范蔚脑偕旌狭霞壟洹⑺鄤┝?、含水量、壓實度? d無側限抗壓強度等技術指標均較好地滿足規(guī)范要求。