基于CBR法的舊水泥混凝土路面再生集料級(jí)配碎石級(jí)配控制范圍

辛長(zhǎng)征

(廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，早期修建的水泥混凝土路面經(jīng)過(guò)多年使用后產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)、脫空和裂縫等各類病害，性能大幅降低，已不能滿足日益增長(zhǎng)的交通需求，對(duì)這些水泥混凝土路面進(jìn)行改擴(kuò)建和大修養(yǎng)護(hù)已迫在眉睫。然而，對(duì)水泥混凝土路面維修改造勢(shì)必產(chǎn)生大量的廢舊水泥混凝土，亟需研發(fā)相關(guān)技術(shù)將水泥混凝土路面再利用，以保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源。

針對(duì)此類問(wèn)題，肖建莊、孫躍東等[1-4]分析總結(jié)了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)，認(rèn)為再生集料經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚?，具有潛在的發(fā)展能力；程相華總結(jié)了國(guó)內(nèi)外再生集料生產(chǎn)設(shè)備和再生集料制備技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上在室內(nèi)試驗(yàn)研究了再生集料的吸水率；楊慶國(guó)、易志堅(jiān)等[5]研究了廢舊水泥混凝土路面再生集料的表觀密度、壓碎值和磨耗率等特性，發(fā)現(xiàn)再生集料可滿足道路相關(guān)技術(shù)要求。

國(guó)內(nèi)外研究人員在水泥混凝土路面再生集料方面做了大量的研究工作，但對(duì)于再生集料用于級(jí)配碎石層時(shí)的級(jí)配范圍研究不多，因此，本文以室內(nèi)CBR法為試驗(yàn)手段，探討舊水泥混凝土路面再生集料級(jí)配碎石合理的級(jí)配控制范圍。

1 級(jí)配范圍與級(jí)配設(shè)計(jì)

級(jí)配碎石設(shè)計(jì)需要考慮的一個(gè)重要內(nèi)容是級(jí)配范圍，設(shè)計(jì)良好的級(jí)配碎石一般具有較高的強(qiáng)度。以往的研究表明，以CBR值表征級(jí)配碎石強(qiáng)度經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐證明具有較好的效果，級(jí)配碎石強(qiáng)度越高，CBR值越好，工程應(yīng)用效果也相對(duì)較佳。但是以往研究的級(jí)配范圍都是針對(duì)天然級(jí)配范圍而言，對(duì)于再生集料級(jí)配碎石的級(jí)配范圍，仍需通過(guò)試驗(yàn)分析確定。

1.1 級(jí)配范圍

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，普通碎石級(jí)配碎石的級(jí)配控制范圍見(jiàn)表1和表2。

表1 31.5mm最大粒徑級(jí)配碎石級(jí)配范圍技術(shù)要求

表2 26.5mm最大粒徑級(jí)配碎石級(jí)配范圍技術(shù)要求

經(jīng)綜合分析,日本、美國(guó)、法國(guó)和中國(guó)等國(guó)家的級(jí)配碎石級(jí)配控制范圍，最大粒徑、19mm、4.75mm、0.425mm和0.075mm通過(guò)率這五個(gè)因素均為級(jí)配碎石控制主要考慮的因素，其中最大粒徑按31.5mm和26.5mm進(jìn)行區(qū)分，并確定了最大粒徑為31.5mm和26.5mm時(shí)，各檔關(guān)鍵篩孔的控制范圍。但日本、美國(guó)、法國(guó)和中國(guó)等國(guó)家在級(jí)配范圍控制的關(guān)鍵篩孔通過(guò)率方面既有相同點(diǎn)，又存在較大差別，如最大粒徑均為31.5mm時(shí)，日本選用的級(jí)配范圍相對(duì)于法國(guó)、加拿大、中國(guó)和美國(guó)選用的級(jí)配范圍更寬松一些；最大粒徑為26.5mm時(shí)，日本選用的級(jí)配范圍相對(duì)于FHWA和美國(guó)選用的級(jí)配控制更嚴(yán)格一些。

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

為研究級(jí)配控制范圍，尤其是關(guān)鍵篩孔的控制范圍，得到基于CBR方法試驗(yàn)條件下的再生集料控制范圍。以形成平滑曲線的原則，參考上述研究成果，初步設(shè)計(jì)最大粒徑為31.5mm和最大粒徑為26.5mm條件下的上、中、下三種級(jí)配曲線。其中31.5mm最大粒徑19mm公稱粒徑碎石通過(guò)率控制在85%，26.5mm最大粒徑19mm公稱粒徑碎石通過(guò)率控制在95%，以4.75mm、0.075mm和最大粒徑三個(gè)因素為變量，確定了如表3所列的控制篩號(hào)通過(guò)率，級(jí)配曲線如圖1～圖2所示。

表3 控制篩號(hào)的通過(guò)率

圖1 最大粒徑為31.5mm級(jí)配碎石設(shè)計(jì)級(jí)配

圖2 最大粒徑為26.5mm級(jí)配碎石設(shè)計(jì)級(jí)配

2 最大粒徑與CBR值的關(guān)系

按照上述設(shè)計(jì)的6種類型級(jí)配在室內(nèi)進(jìn)行了CBR試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同最大粒徑的CBR值

分析發(fā)現(xiàn)：31.5mm級(jí)配上>26.5mm級(jí)配上，31.5mm級(jí)配中>26.5mm級(jí)配中，31.5mm級(jí)配下>26.5mm級(jí)配下，即級(jí)配碎石最大粒徑越大，CBR值越大。這主要是由于在較好的級(jí)配條件下，級(jí)配碎石越大，級(jí)配碎石的密實(shí)度相對(duì)較高，級(jí)配強(qiáng)度越高，從而以CBR試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出來(lái)。因此，若單純考慮CBR值，則級(jí)配碎石的最大粒徑應(yīng)大于31.5mm，但級(jí)配控制范圍不能單純考慮級(jí)配強(qiáng)度作為唯一因素，還需考慮施工、透水等多方面的因素。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，最大粒徑不宜選取過(guò)大，并應(yīng)控制公稱粒徑的通過(guò)率，公稱粒徑通過(guò)率過(guò)小時(shí)(超粒徑顆粒較多)，級(jí)配碎石越難以滿足施工不離析的要求。為保證級(jí)配碎石在施工完成后呈現(xiàn)出較好的均勻性效果并便于機(jī)械設(shè)備整平，綜合分析后，推薦最大粒徑為31.5mm。

3 4.75mm和0.075mm通過(guò)率與CBR值的關(guān)系

在室內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)的六種CBR設(shè)計(jì)級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)并分析CBR值，以試驗(yàn)結(jié)果建立4.75mm和0.075mm通過(guò)率與CBR值的關(guān)系,如圖4和圖5所示。

圖4 4.75mm通過(guò)率與CBR值的關(guān)系

圖5 0.075mm通過(guò)率與CBR值的關(guān)系

分析圖4可知：4.75mm通過(guò)率和CBR值具有較好的相關(guān)性。隨著4.75mm通過(guò)率的增大，CBR值呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律，采用二次拋物線進(jìn)行擬合，其擬合公式見(jiàn)表5。因此4.75mm通過(guò)率在45%左右時(shí)，舊水泥混凝土路面再生集料級(jí)配碎石具有最佳的CBR值，建議在實(shí)際操作過(guò)程中應(yīng)盡量控制舊水泥混凝土路面再生集料級(jí)配碎石的級(jí)配范圍中值在45%左右。

表5 4.75mm和0.075mm通過(guò)率與CBR值的擬合關(guān)系

根據(jù)圖5可知，CBR值隨著0.075mm通過(guò)率的變化呈現(xiàn)出二次拋物線規(guī)律，采用二次拋物線進(jìn)行擬合，擬合公式見(jiàn)表4。當(dāng)0.075mm通過(guò)率為6%時(shí)，舊水泥混凝土路面再生集料級(jí)配碎石CBR值處于拋物線頂端的最大值。目前研究人員對(duì)于級(jí)配碎石中0.075mm通過(guò)率需要進(jìn)行嚴(yán)格控制與否尚存在較大爭(zhēng)議，國(guó)外有的研究認(rèn)為，0.075mm通過(guò)率為8%～12%時(shí)，級(jí)配碎石的水穩(wěn)定性較好而CBR值較小，適合潮濕地區(qū)；0.075mm通過(guò)率為4%～6%時(shí)，級(jí)配碎石的CBR值高，強(qiáng)度較高，適用于非潮濕地區(qū)。國(guó)內(nèi)有的研究認(rèn)為，舊水泥混凝土路面再生集料中0.075mm以下部分仍具有膠結(jié)作用，從而提高級(jí)配碎石的整體強(qiáng)度，建議不控制0.075mm的通過(guò)率[6-8]。本文基于CBR值的結(jié)果可知，控制0.075mm的通過(guò)率是必要的。

表4 不同最大粒徑的CBR值對(duì)比分析

4 級(jí)配控制范圍建議

根據(jù)上述結(jié)果可知，最大粒徑31.5mm的舊水泥混凝土再生集料CBR值較大。4.75mm通過(guò)率為45%時(shí)，舊水泥混凝土路面再生集料級(jí)配碎石CBR值處于較大值。當(dāng)0.075mm通過(guò)率為6%時(shí)，舊水泥混凝土路面再生集料級(jí)配碎石CBR值處于較大值。本文在以CBR試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出級(jí)配控制范圍的建議(表6)。

表6 級(jí)配碎石關(guān)鍵篩孔建議控制范圍

實(shí)際應(yīng)用時(shí)建議結(jié)合應(yīng)用環(huán)境選取級(jí)配曲線：對(duì)于潮濕地區(qū)和輕型交通，選取中值偏上的級(jí)配曲線；對(duì)于干燥、少雨氣候的地區(qū)和重載交通，選取中值偏下的級(jí)配曲線。

5 結(jié)論

本文采用CBR法在室內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)，確定了最大粒徑，4.75mm和0.075mm通過(guò)率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，得到以下結(jié)論：

(1)最大粒徑31.5mm較最大粒徑26.5mm的舊水泥混凝土再生集料具有更大的CBR值。

(2)分析4.75mm和0.075mm通過(guò)率發(fā)現(xiàn)，隨著4.75mm和0.075mm通過(guò)率的逐漸增大，CBR值先增加后減小，呈駝峰曲線的規(guī)律。

(3)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，建議舊水泥混凝土再生集料級(jí)配碎石最大粒徑應(yīng)按31.5mm和26.5mm控制，提出了最大粒徑為31.5mm和26.5mm時(shí)，19mm、4.75mm和0.075mm三個(gè)關(guān)鍵篩孔的級(jí)配控制范圍。