水穩(wěn)基層多次冷再生混合料的路用性能

聶欣，李向陽

1.重慶交通大學(xué) 工程設(shè)計研究院有限公司，重慶 400074；2.泰安市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 泰安 271000

0 引言

隨著我國對低碳經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展理念越來越重視，路面冷再生技術(shù)作為一種低碳節(jié)能環(huán)保的綠色養(yǎng)護技術(shù)，在路面工程中得到廣泛運用［1-5］。但日漸增加的行車荷載及環(huán)境因素使已建成通車的冷再生路面陸續(xù)出現(xiàn)各種病害或結(jié)構(gòu)性破壞，亟待翻修重建［6-10］。研究表明：冷再生路面材料在達到使用壽命后，可以被銑刨并作為集料繼續(xù)運用于二次冷再生中，研究再生二次舊料在二次及多次冷再生中的性能衰減趨勢及其改進措施具有現(xiàn)實意義。再生二次舊料具備一定強度，繼續(xù)運用的殘留價值仍較高。再生二次混合料在二次冷再生過程出現(xiàn)強度增長過快、干縮時間延長、抗水損性能衰減等主要問題，一定程度上制約了水泥穩(wěn)定碎石混合料再生二次的應(yīng)用與發(fā)展［11-16］。

本文對水穩(wěn)基層多次冷再生混合料的路用性能進行試驗研究，從機理方面探究多次冷再生水泥穩(wěn)定碎石基層混合料路用性能的衰減變化，以延長其多次冷再生再利用的壽命周期，發(fā)揮原有路面舊料的最大剩余價值，實現(xiàn)路面的可持續(xù)使用。

1 性能形成機理分析

1.1 強度

水泥穩(wěn)定基層混合料中的水泥遇水進行水化作用和離子交換，形成質(zhì)地堅硬的碳酸鹽類產(chǎn)物，可提高混合料強度［17］。因此，水泥穩(wěn)定基層混合料中水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、配合比、混合料成型后溫度與養(yǎng)生齡期等因素都對混合料強度影響較大?；旌狭现兴嗟馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，混合料強度越大。

1.2 干縮機理

水泥穩(wěn)定碎石基層混合料的水化作用及部分水分的蒸發(fā)作用使混合料內(nèi)部水分減少，內(nèi)部毛細管張力變大，吸附水及分子間力作用增大，礦物晶體或凝膠體的層間水作用、碳化脫水作用等引起宏觀體積變化，混合料干燥收縮。研究表明：水泥的型號、混合料中水泥和水的配比、集料的粒徑和級配及其他施工因素等影響水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮，膨脹劑與水泥干縮性能互補，可有效減少水泥穩(wěn)定碎石基層混合料的干縮［18］。

1.3 抗水沖刷機理

水泥穩(wěn)定碎石基層混合料的抗沖刷性能是指混合料抵抗從面層縫隙或邊緣等部位滲入基面層界面的水，在重復(fù)多次的車輛高壓荷載瞬間作用下產(chǎn)生的抵抗高強沖刷力的性能?？箾_刷性能的主要影響因素有水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)、集料級配、空隙率、細料質(zhì)量分?jǐn)?shù)及細度、粗集料壓碎值及內(nèi)摩阻力等。研究表明，聚丙烯纖維可以有效增強集料黏結(jié)力，增大混合料的整體連接性，從而提升混合料的抗沖刷性能［19］。

本文針對水泥穩(wěn)定碎石混合料在多次冷再生過程中的力學(xué)性能、收縮性能以及抗水損性能的衰變特性，根據(jù)各類性能的形成機理，研究減少水泥含量及外摻膨脹劑、聚丙烯纖維等對改善混合料性能的作用。

2 最佳摻配比

運用正交分析法，分別對水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、5%、6%，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.2‰、0.4‰、0.6‰及膨脹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5‰、3.0‰、4.5‰的水泥穩(wěn)定碎石再生混合料進行7 d無側(cè)限抗壓強度與干縮試驗，通過比對各項性能指標(biāo)，優(yōu)選各添加劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由表1可知：水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混合料強度影響最大，膨脹劑與纖維可有效降低混合料的干縮系數(shù)，對混合料強度及干縮性能的影響程度由強到弱依次為水泥、膨脹劑和纖維。

根據(jù)7 d無側(cè)限抗壓強度優(yōu)選纖維及膨脹劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，試驗結(jié)果如圖1所示。

混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度隨纖維或膨脹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先增長后穩(wěn)定的趨勢。當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至0.5‰，膨脹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3‰后，抗壓強度增長的趨勢明顯變緩。

表1 水泥、纖維、膨脹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)及混合料性能參數(shù)

圖1 最佳摻配比例結(jié)果分析圖

3 多次冷再生混合料性能

3.1 力學(xué)性能

為研究多次冷再生周期下水泥穩(wěn)定碎石基層混合料性能的衰變規(guī)律，在實驗室將新料混合料試件模擬疲勞、老化后，對混合料進行破碎回收作為冷再生一次混合料用集料，將所得集料與水泥、膨脹劑及聚丙烯纖維混合制備冷再生一次混合料，按照上述步驟依次循環(huán)得到冷再生二次混合料。

對上述一次、二次冷再生水泥穩(wěn)定混合料進行無側(cè)限抗壓強度試驗，得到7 d及28 d齡期的無側(cè)限抗壓強度衰變比

式中：RC0為新料無側(cè)限抗壓強度，RCi為第i次冷再生混合料無側(cè)限抗壓強度。

不同再生次數(shù)時，摻加和未摻加纖維膨脹劑的冷再生混合料的強度衰變比Ei如表2、3所示。

表2 多次冷再生混合料7 d強度及衰變比

表3 多次冷再生28 d強度及衰變比

由表2、3可以看出：1）不同齡期條件下，摻加纖維和膨脹劑后，混合料在冷再生不同次數(shù)下的RCi均比新料強度低，在保證使用強度的條件下，穩(wěn)定混合料脆性在合適范圍內(nèi)，可有效避免混合料因強度過大而增大收縮，從而影響混合料的使用性能。2）不同齡期下，摻加膨脹劑及纖維后，各冷再生周期內(nèi)混合料的Ri比未摻前顯著降低，二次強度衰變比由-31.75%變?yōu)?11.11%，說明摻加膨脹劑及纖維可明顯減緩各冷再生周期混合料無側(cè)限抗壓強的增長幅度。

3.2 收縮特性

根據(jù)規(guī)范進行收縮性能試驗，得到不同冷再生周期內(nèi)混合料的失水量、干縮量，計算可得各冷再生級別混合料的失水率、干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)隨齡期增長的變化曲線，如圖2～4所示。

圖2 多次冷再生混合料失水率隨齡期變化曲線

圖3 多次冷再生混合料干縮應(yīng)變隨齡期變化曲線

圖4 多次冷再生混合料干縮系數(shù)隨齡期變化曲線

由圖2～4可知：混合料的失水率、干縮應(yīng)變及干縮系數(shù)隨齡期呈現(xiàn)先增長后穩(wěn)定的趨勢。摻加纖維及膨脹劑后，相同冷再生次數(shù)的混合料均明顯降低，說明添加纖維及膨脹劑可有效降低混合料再生過程中的干縮應(yīng)變，延緩混合料的干燥收縮，有效防止由于干縮太大產(chǎn)生的收縮裂縫，延緩了收縮特性穩(wěn)定時間滯后的趨勢，這有利于在多次冷再生利用中，縮短養(yǎng)生時間，提前開放交通。

3.3 水穩(wěn)特性

對不同冷再生次數(shù)水穩(wěn)混合料進行水穩(wěn)性能試驗，測試并計算動水沖刷后混合料的無側(cè)限抗壓強度比及動水沖刷后的質(zhì)量損失率。

3.3.1 動水沖刷后的無側(cè)限抗壓強度

計算不同冷再生次數(shù)混合料在動水沖刷試驗后的無側(cè)限抗壓強度沖刷損失比

式中：RC為一定齡期的無側(cè)限抗壓強度，RS為一定齡期的動水沖刷后的無側(cè)限抗壓強度。

纖維膨脹劑摻加前后混合料的試驗結(jié)果，如表4所示。由表4可知：同一再生周期下，摻加纖維膨脹劑混合料28 d齡期的動水沖刷后無側(cè)限抗壓強度損失比明顯比7 d??；摻加纖維膨脹劑后，二次冷再生混合料的強度損失比差值比一次冷再生小，試驗表明摻加纖維及膨脹劑后，混合料抵抗水沖刷的能力明顯提升。

3.3.2 動水沖刷后的質(zhì)量損失率

摻加纖維膨脹劑前后各冷再生級別混合料的質(zhì)量損失率，如表5所示。

從表5可見：隨冷再生次數(shù)的增加，摻加纖維及膨脹劑后，混合料的質(zhì)量損失率明顯降低，且一次再生與二次再生后質(zhì)量損失率的差值均減小，表明纖維、膨脹劑可明顯改善冷再生混合料在不同再生次數(shù)下的抗沖刷能力。

4 結(jié)論

表4 動水沖刷后無側(cè)限抗壓強度損失比

表5 動水沖刷后混合料的質(zhì)量損失率

1）分析水穩(wěn)基層混合料的強度、干縮及抗沖刷機理，確定調(diào)整水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)可有效減緩混合料強度的增長速率及增加幅度，添加聚丙烯纖維及膨脹劑可有效增強混合料的干縮及抗沖刷性能。試驗得到聚丙烯纖維、膨脹劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5‰、3.0‰。

2）添加聚丙烯纖維及膨脹劑后，不同冷再生次數(shù)混合料的無側(cè)限抗壓強度增長趨勢明顯減緩，二次強度衰變比由-31.75%變?yōu)?11.11%，有效遏制了強度增長過快帶來的混合料脆性增強、收縮加劇等病害，能延長混合料使用壽命。

3）在相同齡期、相同冷再生周期下，混合料摻加纖維及膨脹劑后的失水率、干縮應(yīng)變及干縮系數(shù)均有所降低，延緩了收縮特性穩(wěn)定時間的滯后趨勢，有利于在多次冷再生中縮短養(yǎng)生的時間，提前開放交通。

4）摻加纖維及膨脹劑后，水泥穩(wěn)定碎石混合料在多次冷再生過程中的力學(xué)強度、收縮特性、水穩(wěn)特性等各項性能指標(biāo)的衰減趨勢明顯減緩。