堤頂?shù)缆防湓偕旌狭狭W(xué)強度影響因素研究

樊 慧

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

近年來，隨著道路行業(yè)迅速發(fā)展，交通建設(shè)已成為經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力的體現(xiàn)，黃河下游兩岸堤防道路的建設(shè)規(guī)模和發(fā)展速度一直落后于一般的道路工程[1-2]。20世紀末時，堤防道路建設(shè)逐漸開始受到部分水利工作者的關(guān)注，在現(xiàn)如今經(jīng)濟高速發(fā)展的時代背景下，國家對堤防工程建設(shè)重視程度逐步加大并投入了大量資金，開始致力于黃河下游兩岸堤防道路標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)進程。對于堤頂?shù)缆范?，在非汛期，它的性質(zhì)與普通公路一樣，擔(dān)負著各類物資和客流的運輸服務(wù)；在汛期，堤頂?shù)缆酚质欠姥磽岆U的交通要道，作為黃河下游防洪工程體系的重要組成部分，是整個工程的重中之重，建設(shè)堅固可靠的堤頂?shù)缆酚葹橹匾?。此外，產(chǎn)生早期開裂、耐久性不足等問題是冷再生基層最主要的病害形式，在交通荷載和環(huán)境作用下會使病害加劇。造成路面早期破壞原因是多方面的，氣候環(huán)境、車輛重載以及施工工藝等都會造成裂縫等病害的產(chǎn)生。因此，提高堤頂?shù)缆防湓偕旌狭系牧W(xué)強度對路面抗水害能力、耐久性有重要意義。對此，道路工作者針對堤頂?shù)缆防湓偕旌狭系男阅荛_展了一些相關(guān)研究。萇軍英、王麗等[3-4]向舊路面銑刨料（包括廢舊的瀝青混合料和石灰土基層）中加入水泥進行再生利用，結(jié)果表明：再生混合料的力學(xué)與路用性能的提高，需要合理控制舊灰土摻量；李宗民[5]通過對含有灰土基層的銑刨料進行篩分，對含灰土的水泥冷再生混合料的各項性能進行研究，研究結(jié)果表明：在水泥劑量為6%情況下，冷再生混合料的力學(xué)強度較好；王廣磊[6]主要研究了堤頂?shù)缆凡牧系目沽研阅?，并提出不同種類的基層材料，結(jié)合三點彎曲試驗進行不同基層材料的抗裂性能對比分析。

結(jié)合以往研究現(xiàn)狀與堤頂?shù)缆返膶嶋H狀況，針對目前堤頂?shù)缆坊鶎永湓偕旌狭蠌姸鹊偷葐栴}，論文對堤頂?shù)缆防湓偕旌狭系呐f料摻量、水泥摻量、纖維類型及摻量的選擇展開了研究，以期解決冷再生基層混合料強度不足的問題。

1 研究方案

1.1 原材料

1.1.1 舊路面材料

試驗所用舊路面材料采用河南某堤頂?shù)缆访鎸雍突鶎拥你娕倭?。級配篩分結(jié)果見表1。

表1 舊路面銑刨料粒料篩分結(jié)果

1.1.2 新集料

新集料均來自于河南某堤頂?shù)缆饭こ趟檬規(guī)r，新集料的密度、磨耗值、壓碎值、吸水率等技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的技術(shù)要求。

1.1.3 舊灰土

銑刨料中存在的灰土，對其進行曬干后過2.36 mm方孔篩，其物理化學(xué)特性指標(biāo)如表2所示。

表2 灰土特性檢測結(jié)果

1.1.4 水泥

試驗用水泥型號為P.O42.5，山東東岳牌普通硅酸鹽水泥，水泥的抗壓強度、抗折強度、凝結(jié)時間等技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

1.2 試驗方案

a）研究舊料摻量對冷再生基層材料力學(xué)強度的影響，試驗時變化舊料摻量分別為60%、70%、80%、90%。水泥外摻量為5%。研究舊料摻量對冷再生基層材料力學(xué)強度的影響時，級配如表3所示。

表3 RAP材料級配篩分結(jié)果

b）研究水泥對冷再生基層材料力學(xué)強度的影響。

研究水泥摻量變化對混合料馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強度的影響，試驗時水泥采用外摻法，固定舊料摻量為60%，變化水泥摻量分別為4%、4.5%、5%、5.5%、6%。

c）研究纖維對冷再生基層材料力學(xué)強度的影響。

研究纖維類型及摻量變化對混合料馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強度的影響。試驗時，纖維采用外摻法，固定舊集料摻量、水泥摻量分別為60%和5%，分別外摻4種纖維——聚酯纖維、礦物纖維、木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維，其摻量變化分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%，級配如表4所示。

表4 不同纖維摻量下混合料的級配

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 舊料摻量對冷再生基層混合料強度的影響

舊料摻量對冷再生基層混合料力學(xué)強度的影響見表5。其中，P70/P60指70%與60%舊料摻量下冷再生混合料力學(xué)性能的比值，其他類似。

表5 不同類型乳化瀝青冷再生混合料強度對比

由表5可知，當(dāng)水泥劑量一定時，冷再生混合料馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強度隨著舊料摻量的增加而逐漸減小。以水泥劑量5%為例，當(dāng)舊料摻量從60%增加到90%，馬歇爾穩(wěn)定度從15.8 kN，降低到9.7 kN，降低幅度達39%，劈裂強度從0.89 MPa，降低到0.61 MPa，降低幅度達31%，說明舊料摻量對冷再生混合料的強度有顯著的負影響，需要嚴格控制舊料的比例。此外，隨著舊料的增多，強度降低幅度也不一致，對于各級配的冷再生混合料，舊料由60%增至80%時，強度降低幅度較小，舊料由80%增至90%時，強度降低幅度最大；同時，當(dāng)舊料摻量為90%時，試件劈裂強度為0.61，雖然滿足規(guī)范要求，但對于交通量大的路段，很難保證達到所需的結(jié)構(gòu)強度。

綜上所述，根據(jù)再生混合料強度試驗結(jié)果，最終選定強度滿足要求，且增長趨勢較好的70%～80%舊料摻量。

2.2 水泥對冷再生混合料強度的影響

不同水泥摻量冷再生基層混合料強度見表6。表中σM是指不同水泥劑量摻量冷再生基層混合料試件MS與不摻水泥冷再生基層混合料試件MS比值；σw是指不同水泥劑量摻量冷再生基層混合料試件劈裂強度RT與不摻水泥冷再生基層混合料試件劈裂強度RT比值，其他類似。

表6 不同水泥摻量冷再生混合料力學(xué)強度

由表6可知：冷再生基層混合料隨著水泥劑量的增加而增長。當(dāng)水泥為4%～6%時能有效提升試件的劈裂強度，這是由于水泥發(fā)生水化作用使混合料整體硬化，從而產(chǎn)生足夠的黏結(jié)力，使材料劈裂強度增長迅速[7]。此外，當(dāng)水泥劑量小于5%時，冷再生材料劈裂強度值普遍偏低，但增長幅度很快；當(dāng)水泥劑量大于5%時，劈裂強度的增長速度逐漸降低，在水泥為5%時劈裂強度增長規(guī)律中明顯變緩，而對于4%水泥劑量時的劈裂強度值偏低。因此，為保證材料具有良好的抗拉能力，劈裂強度推薦的各級配水泥劑量建議值與彎拉強度結(jié)果一致，同樣要求水泥劑量不應(yīng)小于5%。

綜上所述，考慮到經(jīng)濟性以及水泥摻量過大容易導(dǎo)致冷再生基層混合料脆性增加等因素，建議冷再生基層混合料水泥摻量為5%。

2.3 纖維對冷再生混合料強度的影響

不同類型纖維及不同摻量下冷再生基層混合料力學(xué)強度見圖1。

圖1 強度隨纖維摻量變化規(guī)律

由圖1可知，與不摻纖維冷再生混合料相比：隨纖維摻量增加，纖維冷再生基層混合料的力學(xué)強度先增大后減小。這是因為當(dāng)纖維摻量不大時，纖維在混合料中的分散性比較好，可起到加筋作用，使得冷再生混合料力學(xué)性能得以提高。當(dāng)纖維摻量超過一定量后，隨纖維摻量增加，纖維分散性變差，會有一部分纖維結(jié)團成束，不但不能起到加筋和穩(wěn)定作用，反而會成為冷再生混合料的力學(xué)薄弱點，使大顆粒集料被擠開，混合料的空隙率增大，黏聚力減小，力學(xué)強度也會隨之減小。聚酯纖維和礦物纖維為0.4%、木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維為0.3%，對應(yīng)馬歇爾穩(wěn)定度可分別提高8%、5%、7%和4%；聚酯纖維和木質(zhì)素纖維為0.4%、礦物纖維和玄武巖纖維為0.3%，對應(yīng)劈裂強度可分別提高9%、10%、5%和6%。

綜上所述，4種纖維最佳摻量分別為：聚酯纖維0.4%、礦物纖維0.4%、木質(zhì)素纖維0.4%、玄武巖纖維0.3%。

3 結(jié)論

a）冷再生基層混合料力學(xué)強度隨著舊料摻量的增加而減小，以力學(xué)性能最優(yōu)為原則，兼顧經(jīng)濟性，建議舊料摻量為70%～80%之間。

b）摻水泥5%冷再生基層混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度分別至少提高了33%和21%?？紤]到經(jīng)濟性以及水泥摻量過大容易導(dǎo)致冷再生基層混合料脆性增加等因素，建議冷再生基層混合料水泥摻量為5%。

c）根據(jù)力學(xué)性能最優(yōu)原則，確定出冷再生基層混合料4種纖維的最佳摻量：聚酯纖維0.4%、礦物纖維0.4%、木質(zhì)素纖維0.4%、玄武巖纖維0.3%。