【水泥稳定就地冷再生结构与材料设计的策略】水泥再生

时间:2020-01-13 07:18:32 来源:易达学习网 本文已影响 易达学习网

水泥稳定就地冷再生结构与材料设计的策略

水泥稳定就地冷再生结构与材料设计的策略 0 引 言 水泥稳定就地冷再生技术,可以100%利用旧沥青面层 和基层旧料,不仅能提高路面的整体强度,还有利于节约能 源和大量筑路材料,降低工程造价。因此,将旧沥青路面水 泥稳定就地冷再生技术在公路改建和大中修建设中推广应 用非常必要[1 2]。

本文依托陕西省某国道,对其旧路面状况进行评价, 选取水泥稳定就地冷再生作为旧沥青路面修补方案,并着重 对冷再生结构与材料设计进行优化,以期提高水泥稳定就地 冷再生的应用效果。

1 工程概况 1.1 结构设计依据 本试验段位于陕西省某国道,通过对旧路面状况评价、 交通量调查及相关材料指标测定,得到本试验段路面结构及 设计依据,见表1。

表1 路面结构及设计依据 公路等级 二级公路 路面结构 3 cm细粒式沥青混凝土+4 cm中粒式 沥青混凝+25 cm二灰稳定土基层 设计年限 12年 设计轴载 BZZ 100设计弯沉/(0.01 mm) 30.0 容许拉应力 上面层为0.46 MPa,下面层为0 38 MPa, 再生层为0.28 MPa 1.2 旧路病害调查 因车辆超重超载,旧路面产生了比较严重的损坏,主 要表现为:表面层剥落、坑槽、网裂和局部沉陷等(图1);

且由于老路局部路段线形较差,导致路表面积水比较严重 (图2)。通过对旧路弯沉的调查,发现弯沉值为70~80(0.01 mm),说明旧路承载力不足。

图1 老路路面损坏情况 图2 路表面积水严重1.3 交通量调查 通过对该路段交通量调查发现,货车在通行车辆中所 占比重较大,超限超载现象严重,再加上重载车辆车流量持 续增长,导致路面产生各种病害,交通事故频发。

2 再生厚度的确定 2.1 路面再生结构组合及参数 根据本地区的路用材料,结合已有工程经验与典型结 构[3 4],拟定路面再生结构组合及参数见表2。

表2 路面再生结构组合及参数 层 位 结构层材料名称 厚度/ cm 抗压回弹模量/MPa(弯沉计算用) 抗压回弹模量 /MPa(拉应力计算用) 泊松比 1 细粒式沥青混凝土 3 1 400 2 000 0.25 2 中粒式沥青混凝土 4 1 200 1 800 0.25 3 水泥冷再生层 1 000 3 000 0.25 4 改建前原路面 预留基层顶面 200 200 0.25 注:为最大程度模拟旧路实际状况,将路面各结构层 间接触状态假定为不完全连续。

采用BISAR3.0软件对上述路面结构层进行计算,其中采 用双圆均布竖向荷载作为作用荷载,荷载圆半径为10.65 cm, 轮胎压力为0.7 MPa。

2.2 确定再生厚度 经计算知,当再生厚度H=15 cm时,设计弯沉 LS=33.9(0.01 mm);
当H=20 cm时,LS=29.9 (0.01 mm);
当 H=25 cm时,LS=26.5(0.01 mm)。由此拟定,满足设计弯沉 LS为30(0.01 mm)要求的再生层厚度为20 cm。

对再生厚度为20 cm时的各结构层层底拉应力σm验算 可知:上面层为-0 14 MPa(即该层底仅受压、不受拉), 下面层为0 037 MPa,再生层为0 27 MPa。该路面结构满 足设计弯沉与容许拉应力的设计要求,因此确定再生厚度为 20 cm。3 配合比设计 3.1 换算公式 再生混合料中基层、面层以及新料所占比例既影响再 生混合料的级配组成和强度,也直接决定再生厚度。本节利 用换算公式确定新料的添加比例以及添加规格,其中单位面 积内不同材料的质量换算公式如式(1)所示,不同材料的 质量比换算如式(2)所示。Mi=Hiρi (1) Pi=100Mi/Mr (2)式中:Mi为每平方厘米面积内不同材料在再生混 合料中的质量(g);
i表示面层、基层、新料和再生层不同 的结构层;
Hi为不同结构层的厚度(cm);
ρi为不同结构 层的混合料的毛体积密度(g·cm-3);
Pi为不同材料在再生 混合料中的质量比(%);
Mr为再生层在每平方厘米面积内 的质量(g·cm-2)。

按照相关试验规程规定的方法对本工程所用的面层铣 刨料、基层铣刨料以及新料的毛体积相对密度进行测定,并 通过本路段相关试验资料及类似工程经验拟定再生层的最 大干密度,结果如表3所示。

表3 不同材料毛体积相对密度取值 材料 毛体积相对密度取值面层铣刨料 2.402 基层铣刨料 2.031 新料 10~20 mm集料的自然堆积密度为1 511, 10~30 mm集料的自然堆积密度为1 523 再生料 2.0 3.2 试验条件 本次试验按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规 程》(JTJ E51—2009)中有关规定进行,采用重型击实确 定混合料的最大干密度和最佳含水量。试件均按最大干密度 和最佳含水量以试件容量控制,采用静力压实法制备。在养 生室常温湿气养生7 d(饱水24 h)。无侧限抗压强度试验 采用Φ15×15 cm试件。将饱水24 h后的试件放到路面材料 强度试验仪的升降台上,使试件的形变以1 mm·min-1的等 速率增加,进行抗压强度试验。

3.3 旧铣刨料的评价 本着节约资源、充分利用旧料的原则,在保证下承层 不小于12 cm的前提下,拟将面层7 cm全部铣刨,基层铣刨 13 cm,可见旧铣刨料的铣刨厚度为20 cm可满足设计中对再 生厚度的要求(如铣刨厚度不满足再生厚度要求,则跳过此 步骤直接进行添加新料的配合比设计)。因此首先对旧铣刨 料进行级配合成,看其合成级配能否满足再生级配要求。

由式(1)可得,基层Mb=Hbρb=2.031×13=26.403 g, 面层Ms=Hsρs=2.403×7=16.821 g,再生层Mr=Mb+Ms=26.403+16.821=43.224 g。

由式(2)可得,基层Pb=Ms/Mr×100%=26 403/43.224 ×100%=61.1%≈61%,面层Ps=Ms/Mr×100%=16.821/43.224 ×100%=38.9%≈39%。

根据计算得出的铣刨料比例对铣刨料进行级配合成, 合成级配如表4所示,合成级配曲线如图3所示。

表4 铣刨沥青面层和基层混合料合成比例 材料 通过以下筛孔(mm)的质量百分率/% 31.5 26.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075 原材料级配 各种矿料在混合 料中的级配 二灰基 层 100 95.1 85.3 56.8 33.7 28.8 16.6 4.9 沥青面 层 100 99.7 95.2 71.8 44.9 19.2 8.8 4.7 二灰基层 (61%) 61.0 58.0 52.0 34.6 20.6 17.6 10.1 3.0 沥青面层 (39%) 39.0 38.9 37.1 28.0 17.5 7.5 3.4 1.8 合成级配 100.0 96.9 89.2 62.7 38.1 25.1 13.6 4.8 中 值 100.0 95.0 80.5 57.0 39.0 26.0 15.0 3.5 规范要求级配范 围 100~100 90~100 72~89 47~67 29~49 17~35 8~22 0~7 图3 铣刨沥青面层和基层混合料合成级配由表4和图3可 以看出,作为再生基层,铣刨旧料的合成级配中,19 mm筛 孔超出规定的级配范围上限,且合成级配中大于4.75 mm的 集料含量为61.9%(合成级配总质量百分率100%减去4 75 mm 通过率38.1%之差),说明旧铣刨料中粗集料过少,应采取 添加新骨料的方式来增加骨料比例。

考虑到铣刨料中所含灰土比例较大,所以在确定水泥 现场冷再生时也需要添加一部分骨料来优化级配,以提高其 强度。另一方面,由于现场通过再生机铣刨基层和面层时难 免会破碎大颗粒的骨料,所以添加的新料粒径不能太小。

基于上述对旧铣刨料的分析评价,在配合比设计中决 定分别添加10~20 mm和10~30 mm的新料,对比分析不同规格 的新料对混合料强度的影响,以确定添加新料的规格。

3.4 配合比设计 3.4.1 添加水泥+10~20 mm新料 出于节省新料的考虑,先拟定再生厚度增加至22 cm。

经式(1)、(2)计算可知,Pb=60%,Ps=38%,Pn=2%。此再生方案反映在级配组成上如表5所示。

由表5可知,添加2%的10~20 mm新料后,再生料合成级 配有所改善,但4.75 mm以上集料含量为62.7%,骨料含量偏 少,说明还需要添加新骨料。

将再生厚度增加至24 cm,经式(1)、(2)计算可知, Pb=55%,Ps=35%,Pn=10%。此再生方案反应在级配组成上如 表6所示。通过重型击实试验,确定水泥剂量下冷再生混合 料的最大干密度和最佳含水量,测定其7 d无侧限抗压强度。

结果不满足规定中“7 d无侧限抗压强度不小于2 5 MPa” 的要 表5 再生厚度为22 cm时旧路面混合料水泥冷再生合成 比例 材料 通过以下筛孔(mm)的质量百分率/% 31.5 26.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075 10~20 mm新料级配 100 100 44.4 5.9 0 0 0 0 各种矿料在混合料 中的级配 二灰基层 (60%) 60.0 57.1 51.2 34.1 20.2 17.3 10.0 2.9 沥青面层(38%) 38.0 37.9 36.2 27.3 17.1 7.3 3.3 1.8 10~20 mm(2%) 2.0 2.0 0.9 0.1 0.0 0.0 0.0 0.0 合成级 配 100.0 96.9 88.2 61.5 37.3 24.6 13.3 4.7 中 值 100.0 95.0 80.5 57.0 39.0 26.0 15.0 3.5 规范要求级配范 围 100~100 90~100 72~89 47~67 29~49 17~35 8~22 0~7 表6 再生厚度为24 cm时旧路面混合料水泥冷再生合成 比例 材料 通过以下筛孔(mm)的质量百分率/% 31.5 26.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075 10~20 mm新料级配 100 100 44.4 5.9 0 0 0 0 各种矿料在混合料 中的级配 二灰基层 (55%) 55.0 52.3 46.9 31.2 18.5 15.8 9.1 2.7 沥青面层 (35%) 35.0 34.9 33.3 25.1 15.7 6.7 3.1 1.6 10~20mm(10%) 10.0 10.0 4.4 0.6 0.0 0.0 0.0 0.0 合成级 配 100.0 97.2 84.7 57.0 34.3 22.6 12.2 4.3 中 值 100.0 95.0 80.5 57.0 39.0 26.0 15.0 3.5 规范要求级配范 围 100~100 90~100 72~89 47~67 29~49 17~35 8~22 0~7 求。因此,旧料经铣刨破碎后粗料减少,添加10%的10~20 mm新料不足以改善级配,不能满足强度要求。

3.4.2 添加水泥+石灰+10~20 mm新料 根据第一组试验情况,基于该段基层是二灰土基层的 考虑,第二组试验通过添加石灰以提高再生混合料的强度, 级配同第一组试验。

通过重型击实试验,确定各水泥和石灰剂量下冷再 生混合料的最大干密度和最佳含水量,并测定其7 d无侧限 抗压强度,结果仍然不符合规定,说明本级配也不满足要求。

3.4.3 添加水泥+10~30 mm新料 根据上述两组试验结果,发现添加10~20 mm新料虽能 提高再生混合料中的粗骨料比例,但再生混合料骨架效果不 明显,强度无法满足规范要求。因此,第三组试验采用10~30 mm的新料来改善基层灰土,以便提高其强度,级配同第一组 试验。经式(1)、(2)计算可知,Pb=55%,Ps=35%,Pn=10%。

此再生方案反映在级配组成上如表7所示,合成级配曲线如 图4所示。

通过重型击实试验,确定各水泥剂量下冷再生混合料的 最大干密度和最佳含水量,如表8所示。由 表7 旧路面混合料水泥冷再生合成比例 材料 通过以下筛孔(mm)的质量百分率/% 31.5 26.5 19.0 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075 10~30 mm新料级配 100 64.3 24 4 0 0 0 0 各种矿料在混合料 中的级配 二灰基层 (55%) 55.0 52.3 46.9 31.2 18.5 15.8 9.1 2.7 沥青面层 (35%) 35.0 34.9 33.3 25.1 15.7 6.7 3.1 1.6 10~30 mm(10%) 10.0 6.4 2.4 0.4 0.0 0.0 0.0 0.0 合成级 配 100.0 93.6 82.6 56.8 34.3 22.6 12.2 4.3 中 值 100.0 95.0 80.5 57.0 39.0 26.0 15.0 3.5规范要求级配范 围 100~100 90~100 72~89 47~67 29~49 17~35 8~22 0~7 表8 重型击实试验结果 最佳水含量/% 最大干密度/(g·cm-3) 水泥用量/% 水 泥/g 面层料/g 基层料/g 10~30 mm新料/g 水/g 8.3 2.13 4.0 210.64 2 211.72 2 106.40 947.88 454.56 7.4 2.16 4.5 235.84 2 201.14 2 096.33 943.35 454.56 7.1 2.23 5.0 273.04 2 293.51 2 184.29 982.93 407.10 7.6 2.18 5.5 292.21 2 231.46 2 125.20 956.34 426.00 图4 旧路面混合料水泥冷再生合成级配表8可知,水泥 用量为5%时,混合料效果最佳。并在此基础上静压成型试件, 测定其7 d无侧限抗压强度为3 103 MPa,达到规定要求, 说明添加10~30 mm新料后对骨料强度提高显著。

根据式(1)可得,再生层Mr=Hrρ=24×2=48 g,再由 式(2)推导得M10~30= P10~30×Mr=4 8 g,进而得出H10~30 =M10~30/ρ10~30=4 8/1 523=3 15 cm≈3 cm。

4 结 语通过试验得出以下结论。

(1) 针对旧沥青路面材料骨料偏少的情况,通过掺 加10%偏大粒径的新骨料,可有效提高混合料的强度,并且 可以有效利用旧路面材料。

(2) 根据室内对比试验研究得出,在5%水泥用量下, 面层∶基层∶10~30 mm添加新料=35∶55∶10时,再生混合 料的合成级配较好,再生混合料的各项指标均满足规定要求, 且能最大程度地利用废旧料,可应用于工程实践。

(3) 根据本路段路面结构状况,建议本路段的施工 方案为:铣刨原路面的7 cm沥青面层和13 cm基层,在原路 面上松铺3 cm厚的10~30 mm碎石新料,采用5%的水泥进行水 泥稳定就地冷再生。该施工方案可供其他工程借鉴。

参考文献:
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