公路水稳冷再生基层材料组成设计与耐久性研究

马勇

（新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，乌鲁木齐 830002）

1 引言

目前，随着新疆兵团公路通车里程的加大（截至2018年年底，新疆兵团公路总里程达到35 622km），兵团公路建设由以往单一的建设阶段逐渐发展到新建与改建、养护与维修并行的阶段。早期修建的公路由于技术限制、超负荷工作、设计服务年限限制等原因，出现不同程度的破坏，需要进行及时养护和改扩建。水泥稳定沥青路面冷再生技术主要是在充分利用原有旧沥青路面材料、基层材料的基础上，重新添加新稳定剂和骨料，然后将这些材料进行充分搅拌后再次直接铺筑在原路面结构中的一种技术。冷再生技术可以将废旧建筑材料再利用，具有较高的经济效益和社会效益，但同时也会影响新路面结构基层材料的力学特性，本人通过室内试验对水稳冷再生基层材料的组成设计以及结构的耐久性进行研究[1]。

2 水稳冷再生材料强度形成机理

水稳冷再生基层材料的强度形成主要与水泥的性质有关，与厂拌、现场冷再生导致的施工工艺不同影响较小，其强度形成主要分为机械和化学作用。机械作用主要是指冷再生材料施工中的机械压实作用，在压实过程中大颗粒集料项目接触挤压形成强度骨架，细集料与水泥胶浆等形成接触胶结力，为后期的水泥水化作用提供条件，机械压实作用主要提供基层结构的前期强度，为后期水泥结构硬化提供结构支撑。化学作用是指水泥结构在养护下形成结构的固化黏聚力，尤其是水泥成分中的3Ca·Al2O3是形成水稳基层结构强度的最主要物质结构，微观电镜下可以显示出在水泥水化中水泥胶体会形成三维的凝聚网状结构，并与集料形成坚实的整体结构。

3 水稳冷再生材料组成设计

本文以新疆兵团第八师水泥、砂石厂材料进行水稳再生材料的组成设计，水泥品种为PC32.5的复合硅酸盐水泥，试验指标如表1所示。

表1 水泥试验指标

根据砂石厂集料类型选择 0～5mm、5～10mm、10～20mm 3档新集料进行通过率试验，确定出每个筛孔的通过率。从施工现场选取铣刨完毕的旧料进行压碎值、含水量等试验检验后，水洗筛分确定旧料的级配类型，如图1所示为各档新旧集料级配曲线[2]。研究证明，骨架密实型结构具有良好的抗压和抗劈裂性能，根据水稳基层结构状态需求以及以往工程经验，本研究中旧料的添加比例为80%、90%、100%，选用目标级配中的骨架密实型级配范围进行约束，水泥剂量按规范建议值分别选用4%、5%、6%进行组成设计，按照公路工程无机结合料稳定材料试验方法进行击实成型。

图1 各档集料通过率曲线

在最佳含水量下利用静压法形成水稳基层结构的圆柱形试验，并在规范条件下养护后，进行试件的无侧限抗压强度试验，试验中去除每组试验结果的离散点后取平均值，试验结果如表3所示。可以看出，在水泥剂量相同下随着旧料添加比例的增加，抗压强度降低，水泥剂量越大试件的抗压强度越高，试件的抗压性能也就越好。同样按照规范方法进行试件的劈裂强度试验，根据试验结果按照公式可计算每组设计组成的劈裂强度，其中，R为试件间接抗拉强度；d为试件直径；θ为半压条宽对应的圆心角；a为压条宽度；h为浸水高度；P为试件破坏时的压力[3]，各组的计算结果如表2所示。可以看出，旧料添加比例越高，劈裂强度越小；在同比例旧料下，水泥剂量越高，抗劈裂性能越好。这与抗压强度试验结果类似，一方面加大的水泥剂量有利于水稳材料后期强度的增长，参与化学反应的物质成分越多，强度增长相对越高；另一方面旧料的增加会影响到结构的密实性，影响强度的大小。

表2 无侧限抗压与劈裂强度试验结果

4 水稳冷再生基层耐久性研究

水稳冷再生基层结构作为路面结构的持力层之一，在交通荷载的反复影响下容易产生疲劳损伤，导致结构耐久性不足发生破坏，进而影响到整个路面结构的破坏，因此，从抗疲劳性能出发进行再生水稳基层结构的耐久性研究尤为重要。本文采用室内加载的试验方法，利用UTM万能试验机，进行材料的疲劳性能测试，根据上述力学试验结果，试验选用6%水泥+100%旧料、5%水泥+90%旧料、4%水泥+80%旧料3种级配组成进行对比分析，采用应力控制方式，根据试件劈裂强度确定出3种应力水平为0.5、0.6、0.7，加载频率为 10Hz，加载时间为0.016s，在室温下进行，破坏标准以劲度模量下降为初始模量的50%为准，试验中每个应力水平下进行3个试件取平均值，按照公式lgNf=k-nσ对试验数据进行单对数方程拟合，式中截距k值越大，表示材料抗疲劳性质越好；n值越大，材料的疲劳敏感度越高[4]；旧料比例越大，数据的离散型越高，试件的抗疲劳性能越好；水泥剂量越低，材料的疲劳敏感性越高。因此，从耐久性考虑，需要适当增加旧料比例和水泥剂量。

5 结语

本文基于水泥剂量及旧料掺加比例不同，进行了水稳基层冷再生材料的组成设计，通过力学测试分析了不同情况下试件的力学指标，利用万能试验机进行了材料结构的抗疲劳耐久性分析。结果显示，水稳冷再生材料具有良好的耐久性能，可以满足公路大中修的基层材料使用要求。