基于旋轉(zhuǎn)壓實法的水泥冷再生混合料性能研究

楊秋菊，陳 芳

(新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，烏魯木齊 830015)

半剛性基層瀝青路面作為我國公路的主要路面結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)歷了快速發(fā)展的階段。隨著其使用年限增加，大量半剛性瀝青路面進(jìn)入大中修養(yǎng)護(hù)期，因此，瀝青路面冷再生技術(shù)被廣泛應(yīng)用在瀝青路面大中修養(yǎng)護(hù)中[1-2]。20世紀(jì)末，我國已開始了瀝青路面冷再生技術(shù)研究，但是早期研究主要集中在施工現(xiàn)場的經(jīng)驗性探索，隨著大量實踐的積累，才逐漸開始重視瀝青路面冷再生技術(shù)的室內(nèi)試驗研究[3-4]。國內(nèi)專家學(xué)者針對冷再生混合料配合比組成設(shè)計[5-6]、性能影響因素[7]、耐久性[8]等方面開展了深入研究，但是室內(nèi)成型方式多為傳統(tǒng)馬歇爾擊實法，也有部分學(xué)者采用振動成型方法就水泥冷再生混合料的性能開展室內(nèi)試驗研究[9-10]。但是，傳統(tǒng)馬歇爾擊實法存在擊實功小、擊實對再生混合料破碎率影響大等缺點，振動成型法雖比馬歇爾擊實法成型效果好，但是其認(rèn)可度有待提升。為此，考慮采用模擬路面壓實的旋轉(zhuǎn)壓實法制備水泥冷再生混合料試件，開展水泥冷再生混合料性能研究，以期為相關(guān)工程的設(shè)計、施工提供參考。

1 原材料技術(shù)性質(zhì)

1.1 銑刨料

本文采用的銑刨料取自某干線公路銑刨現(xiàn)場，銑刨厚度約20 cm，銑刨料中基層、面層比例約為1∶1。銑刨料篩分后粒徑小于19 mm，在設(shè)計時需添加新集料提升混合料性能。

1.2 新集料

本文采用19～31.5 mm檔集料，選用山西石佳建材有限公司生產(chǎn)的19.0～31.5 mm碎石，其壓碎值為13.6%、針片狀含量為8.1%，其他指標(biāo)略。

1.3 混合料組成設(shè)計

為降低成本，綜合考慮混合料級配要求，新集料摻量不宜超過50%。結(jié)合篩分結(jié)果，本文選定0、10%、20%、30%、40%的新集料摻量，研究不同新集料摻量下水泥冷再生混合料的性能變化規(guī)律，不同新集料摻量下水泥冷再生混合料級配合成結(jié)果如表1所示，不同新集料摻量下水泥冷再生混合料擊實試驗結(jié)果如表2所示，試驗采用的水泥劑量為4%和5%。

表1 不同新集料摻量下水泥冷再生混合料級配合成結(jié)果

表2 不同新集料摻量下水泥冷再生混合料擊實試驗結(jié)果

由表2可知，新集料摻量對水泥冷再生混合料的最佳含水量和最大干密度的影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律，即隨著新集料摻量增加，其最佳含水量降低、最大干密度增加。這是因為再生料摻有面層和基層材料，其密度相對較低、吸水率偏大，導(dǎo)致冷再生混合料整體吸水率增加、密度降低，進(jìn)一步說明了再生料中摻加新集料提升混合料整體性能的必要性。

2 水泥冷再生混合料力學(xué)性能研究

按照表2的水泥冷再生混合料擊實試驗結(jié)果，采用旋轉(zhuǎn)壓實法分別成型不同類型的水泥冷再生混合料試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下養(yǎng)生7 d，測試其無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度及回彈模量。

2.1 無側(cè)限抗壓強度

不同新集料摻量下水泥冷再生混合料7 d無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同新集料摻量下水泥冷再生混合料7 d無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果

由表3可知，相同水泥劑量下，摻加新集料后，水泥冷再生混合料7 d無側(cè)限抗壓強度明顯提升，提升幅度均在20%以上；且隨著新集料摻量增加，水泥冷再生混合料無側(cè)限抗壓強度不斷增加，新集料用量越大，提升幅度越明顯，摻加30%新集料的水泥冷再生混合料無側(cè)限抗壓強度相對于未摻加新集料的試件提升了約50%。這是因為再生料粒徑較細(xì)，且因面層、基層材料自身強度較低，導(dǎo)致其混合料強度不高，而摻加新集料后，大粒徑的新集料在水泥冷再生混合料中起到了骨架支撐的作用，提升了混合料的抗壓強度，且隨著新集料用量增加越大，新集料的骨架結(jié)構(gòu)作用越明顯，其抗壓強度提升也越明顯[11]。

2.2 劈裂強度

不同新集料摻量下水泥冷再生混合料劈裂強度測試結(jié)果如表4所示。

表4 不同新集料摻量下水泥冷再生混合料劈裂強度測試結(jié)果

由表4可知，摻加10%新集料后水泥冷再生混合料的劈裂強度相比未摻加新集料的混合料提升了25%以上；且隨著新集料摻量增加，水泥冷再生混合料的劈裂強度提升幅度較無側(cè)限抗壓強度提升更明顯，摻加30%新集料的水泥冷再生混合料無側(cè)限抗壓強度相對于未摻加新集料的試件提升超過80%。這是因為冷再生混合料扁平狀顆粒含量相對較大，且顆粒成分復(fù)雜，導(dǎo)致其劈裂強度較小[12]，而新集料的摻加，明顯提升了水泥冷再生混合料的劈裂強度。

2.3 回彈模量

不同新集料摻量下水泥冷再生混合料回彈模量測試結(jié)果如表5所示。

表5 不同新集料摻量下水泥冷再生混合料回彈模量測試結(jié)果

由表5可知，摻加新集料后水泥冷再生混合料的回彈模量提升明顯，且隨著新集料摻量增加，水泥冷再生混合料的回彈模量逐漸增加，這與無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度結(jié)果一致；摻加30%新集料的水泥冷再生混合料回彈模量相對于未摻加新集料的試件提升了45%以上。這是因為冷再生混合料的粒徑多小于19.5 mm，且顆粒強度較小，使得未摻加新集料的冷再生混合料回彈模量較小，摻加新集料后，水泥冷再生混合料的回彈模量提升。

3 水泥冷再生混合料穩(wěn)定性研究

冷再生混合料具有自身吸水率大、顆粒致密性差等特性，會導(dǎo)致水泥冷再生混合料遇水后強度降低，從而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破壞。為此基于軟化系數(shù)和耐凍系數(shù)研究水泥冷再生混合料的水穩(wěn)定性和凍穩(wěn)定性，對其穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

3.1 水穩(wěn)定性

參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中的方法分別測試不同新集料摻量下水泥冷再生混合料飽水、未飽水劈裂強度，測試結(jié)果如表6所示，水泥冷再生混合料軟化系數(shù)如表7所示。

表6 不同新集料摻量下水泥冷再生混合料飽水、未飽水劈裂強度測試結(jié)果

由表6、表7可知，隨著水泥劑量增加，水泥冷再生混合料的軟化系數(shù)略有提高；相同水泥劑量下，未摻加新集料的水泥冷再生混合料試件的軟化系數(shù)不足0.80，摻加新集料后其軟化系數(shù)明顯提高，新集料摻量大于20%、水泥冷再生混合料的軟化系數(shù)超過0.90，表明摻加新集料后其水穩(wěn)定性提升明顯。

表7 水泥冷再生混合料軟化系數(shù)

3.2 凍穩(wěn)定性

按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中的要求分別測試未經(jīng)凍融循環(huán)和經(jīng)過5次凍融循環(huán)的水泥冷再生混合料試件的無側(cè)限抗壓強度，不同新集料摻量下水泥冷再生混合料凍融、未凍融抗壓強度測試結(jié)果如表8所示，水泥冷再生混合料耐凍系數(shù)如表9所示。

表8 不同新集料摻量下水泥冷再生混合料凍融、未凍融抗壓強度測試結(jié)果

表9 水泥冷再生混合料耐凍系數(shù)

由表8、表9可知，相同水泥劑量下，未摻加新集料的水泥冷再生混合料試件的耐凍系數(shù)約為0.85，摻加新集料后其耐凍系數(shù)明顯提高，新集料摻量大于20%時，水泥冷再生混合料的耐凍系數(shù)超過0.93，這是因為冷再生混合料的吸水率高、空隙率大，凍融過程中水分反復(fù)作用使混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致其強度下降，而摻加新集料后其吸水率和空隙率均降低，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升，使得其抗凍融能力提升，耐凍系數(shù)明顯提高[13]。

4 旋轉(zhuǎn)壓實水泥冷再生混合料可靠性驗證

在對旋轉(zhuǎn)壓實法成型水泥冷再生混合料性能進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，新集料摻量30%、水泥劑量4%時，分別采用傳統(tǒng)靜壓成型法和旋轉(zhuǎn)壓實法制備水泥冷再生混合料試件，對比其性能以驗證旋轉(zhuǎn)壓實法成型水泥冷再生混合料的可靠性。兩種成型方法的水泥冷再生混合料性能測試結(jié)果如表10所示。

表10 兩種成型方法的水泥冷再生混合料性能測試結(jié)果

由表10可知，相對于傳統(tǒng)的靜壓成型方法，旋轉(zhuǎn)壓實法制備的水泥冷再生混合料試件的力學(xué)性能和穩(wěn)定性能明顯提升，其中力學(xué)性能提升幅度在30%以上，且穩(wěn)定性能也略有提升。這是因為旋轉(zhuǎn)壓實法采用揉搓壓實工藝，混合料顆粒移動更充分，使其制備混合料的密實度更高、性能更優(yōu)，可緩解靜壓成型法制備試件與現(xiàn)場芯樣性能相關(guān)性較低的問題；也說明相較于傳統(tǒng)靜壓成型法，旋轉(zhuǎn)壓實法用于室內(nèi)制備水泥冷再生混合料試件的可靠性更好。

5 結(jié)論

(1) 隨著新集料摻量增加，水泥冷再生混合料最佳含水量降低、最大干密度增加。

(2) 相同水泥劑量下，摻加新集料后水泥冷再生混合料的力學(xué)強度明顯提升，提升幅度均在20%以上；摻加30%新集料的水泥冷再生混合料無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度及回彈模量相較于未摻加新集料的試件分別提升了約50%、80%和45%。

(3) 相同水泥劑量下，隨著新集料摻量增加，水泥冷再生混合料的穩(wěn)定性逐漸增加，摻加30%新集料的水泥冷再生混合料的軟化系數(shù)和耐凍系數(shù)分別達(dá)到0.93和0.95以上。

(4) 相對于傳統(tǒng)的靜壓成型方法，旋轉(zhuǎn)壓實法制備的水泥冷再生混合料試件的力學(xué)性能提升幅度在30%以上，且穩(wěn)定性能也略有提升。