基于振动搅拌的复合冷再生基层材料力学性能及应用.pdf

总659期2023年第29期（10月 中）收稿日期：2023-04-12作者简介：刘琳（1989），女，重庆人，工程师，从事公路桥梁施工工作。基于振动搅拌的复合冷再生基层材料力学性能及应用刘琳（江西赣东路桥建设集团有限公司，江西 抚州 344000）摘要：为明确复合冷再生混合料的性能，依托实际工程，在振动搅拌条件下，取水稳材料和沥青面层材料的掺配比例为70 30，采用C-C-2型矿料级配进行配合比设计；测定混合料无侧限抗压强度和劈裂强度以评定其力学性能。研究结果表明：当水泥剂量为5.0%，最佳含水量为8.8%，最大干密度为2.38g/cm3时，复合冷再生混合料具有较好的力学性能，各项指标均满足路面基层性能要求。关键词：复合冷再生基层；振动搅拌；力学性能；路用性能中图分类号：U414文献标识码：B0 引言近年来，随着交通量的增加，路面基层损坏越来越严重，一些半刚性基层面临大面积破坏，甚至难以提供较好的承载能力。近年来，路面改造时不仅要考虑沥青面层再生利用，还要充分考虑基层材料的再生利用和结构加强。相关研究发现，采用复合冷再生技术，将沥青面层旧料和半刚性基层旧料按一定比例掺和，加入适量的水泥和乳化沥青后，可直接用于路面上基层1。鉴于此，为制备性能较好的复合冷再生混合料，本文采用振动搅拌技术对复合冷再生混合料进行配合比设计，并对其力学性能进行研究。1 工程概况某公路工程设计速度为40 km/h，试验路全长1.5 km，路基宽8.5 m，沥青混凝土路面设计使用年限为15年。原道路路面结构表面层采用 4 cm AC-13 沥青混凝土，下面层采用5 cm贯入式沥青碎石，基层采用25 cm水泥稳定碎石，底基层采用15 cm级配碎石。后期由于路面出现裂缝，抗滑性能严重降低，采用AC-13沥青罩面处治，但水稳基层未进行补强处治。近年来，路面出现龟裂、松散、沉降等病害较为严重。经现场研究，最终采用振动搅拌技术与复合冷再生技术结合，对本项目道路进行优化。2 原材料及配合比设计2.1 原材料1）RAP回收沥青将 RAP 中的沥青进行提取回收，测定沥青含量，并进行针入度、延度和黏度试验，回收沥青性能指标试验结果见表1。表1 回收沥青性能指标试验结果试验项目针入度（25，100 s，5 s）/（0.1 mm）延度（15,5 cm/min）/cm软化点/试验结果388.262.1技术要求306046试验方法T0604（针入度试验）T0605（延度试验）T0606（软化点试验）2）RAI材料对 RAI材料进行含泥量、针片状含量和压碎值试验，检测回收料中的集料性能，各指标检测结果见表2。表2 回收料中集料性能指标检测结果检测项目压碎值（%）针片状颗粒含量（%）水洗法0.075 mm颗粒含量（%）检测结果21.84.63.1技术要求30205试验方法T0316（压碎值试验）T0312（粗集料针片状颗粒含量试验）T03333）水泥再生混合料中通过添加水泥可以提高早期强度，水泥的水化反应促进乳化沥青破乳过程，同时可以有效提高沥青与集料黏附界面的水分，使水化产物与沥青在集料表面形成复合胶结材料2。本文所用普通硅酸盐水泥标号为42.5，经检测符合通用硅酸盐水泥（GB 1752020）要求。水泥的物理力学性能指标试验结果见表3。28交通世界TRANSPOWORLD表3 水泥物理性能指标试验结果指标项目试验结果技术要求标准稠度用水量（%）27.8初凝时间/min19545终凝时间/min425600抗折强度/MPa3 d5.683.528 d8.456.5抗压强度/MPa3 d28.0217.028 d48.2642.54）乳化沥青RAP回收料中沥青含量较少，不足以满足再生过程新集料的要求，需要额外添加乳化沥青满足再生要求。本文选用阳离子慢裂型乳化沥青，可以提高集料与沥青的黏结，在集料表面形成沥青膜，使混合料获得较高的早期强度。乳化沥青的性能指标试验结果见表4。表4 乳化沥青技术性能指标及试验结果试验项目破乳速度离子电荷试验蒸发残留物残留含量（%）溶解度（%）针入度（25）/（0.1 mm）延度（15）/cm试验结果慢裂阳离子（+）64.6997566技术要求6097.55013040试验方法T0658T0653T0651T0607T0604T06055）再生剂再生剂的作用是改变回收沥青的各组分含量，提高沥青流变性能。本文采用70#道路石油沥青，新沥青与增塑剂比例为4 1，并添加2%乳化剂2。按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）的要求对基质沥青进行技术性能检测，得到试验结果均满足规范要求。6）集料沥青混合料骨架理论认为由粗集料嵌挤形成骨架结构形成承载外力的主体，细集料与沥青混合形成沥青胶浆填充骨架之间的间隙，从而形成更稳定的结构。本项目粗集料采用石灰岩，细集料采用石灰岩石屑。对粗集料进行毛体积密度、吸水率和压碎值等测试，对细集料进行表观相对密度和砂当量测试，试验结果均满足技术性能要求。2.2 配合比设计1）级配设计本文采用振动搅拌方式进行复合冷再生混合料配制。根据公路路面基层施工技术细则（JTG TF202015）关于水泥稳定碎石或砾石的推荐级配范围，采用C-C-2的比例掺加进行设计，水稳材料和沥青面层材料的掺配比例取70 30，所设计的合成级配见表5。级配范围级配上限（%）级配下限（%）级配中值（%）合成级配（%）通过下列筛孔（mm）的质量百分率（%）26.5100909597.51987738085.816826573.578.513.2755866.568.69.5664761.558.84.7550304040.22.36361927.526.21.1826121716.90.619813.512.60.31459.58.50.151036.56.40.075724.54.8表5 复合冷再生混合料级配设计2）最大干密度和最佳含水量对复合冷再生混合料进行击实试验，试验研究振动搅拌方式下、不同水泥剂量下对基层材料最佳含水量和最大干密度的影响3。通过标准温度为22.5时，分别取3种不同的水泥剂量4.0%、5.0%和6.0%，在振动搅拌方式下检测水泥剂量、最佳含水量及最大干密度，结果见表6。表6 水泥稳定级配碎石击实试验结果复合冷再生混合料4.06.27.16.26.52.212.362.302.29试验项目水泥剂量（%）最佳含水量（%）平均值（%）最大干密度/（g/cm3）平均值/（g/cm3）5.06.08.48.79.39.58.89.08.89.12.422.392.332.392.452.392.382.41表6（续）试验项目水泥剂量（%）最佳含水量（%）平均值（%）最大干密度/（g/cm3）平均值/（g/cm3）通过试验得知，复合冷再生混合料试件最佳含水量随水泥剂量的增大而提升：当水泥剂量为 4.0%时，最佳含水量为6.5%；当水泥剂量为6.0%时，最佳含水量为9.1%。复合冷再生混合料试件最大干密度随水泥复合冷再生混合料29总659期2023年第29期（10月 中）剂量的增大而增大：当水泥剂量为4.0%时，最大干密度为2.29 g/cm3；当水泥剂量为6.0%时，最大干密度为2.41 g/cm3。通过综合分析，这是由于材料在振动搅拌作用下混合料颗粒之间发生相对运动，材料间互相填充、空隙减小，故水泥作为胶凝材料可以填充集料之间的空隙。结合试验结果和工程实际，取水泥剂量为5.0%，最佳含水量为8.8%，最大干密度为2.38 g/cm3。3 力学性能3.1 无侧限抗压强度无侧限抗压强度试件通过振动搅拌成型，达到龄期最后一天时浸入水中24 h，再从水中取出后擦除试件表面的自由水，将试件放置在试验机上，按照加载速率为1 mm/min，进行加载，试件破坏时记录最大荷载。无侧限抗压强度计算公式为：Rc=4PD2（1）式（1）中：Rc为无侧限抗压强度，单位MPa；P为试件破坏时最大荷载，单位 kN；D为试件直径，单位mm。试验取回收水稳材料和沥青面层材料比为70 30，水泥掺量为5%，分别得到7 d、28 d、60 d、90 d养护龄期下无侧限抗压强度，见表7。表7 无侧限抗压强度试验结果养护龄期无侧限抗压强度/MPa7 d4.228 d5.560 d5.890 d6.0从上述试验结果得知，回收水稳材料和沥青面层材料比为70 30时，试件的无侧限抗压强度较大，满足二级公路重交通量基层强度要求。无侧限抗压强度在728 d期间内增长最快，6090 d期间增长最慢，故经过养护龄期后，复合冷再生混合料无侧限抗压强度为6.0 MPa。3.2 劈裂强度采用振动搅拌方式制备最佳含水量为8.8%、最大干密度为2.38 g/cm3的混合料试件，其高度和直径均为150 mm。劈裂强度试验参照公路工程无机结合料稳定材料试验规程（T08061994）试验方法进行。将路面强度试验仪按1 mm/min的上升速率测试试件。劈裂强度按照式（2）计算：Ri=0.004178P/h（2）式（2）中：Ri为劈裂强度，单位kPa；P为试件破坏时的最大压力，单位 kN；h为浸水后试件的高度，单位mm。试验采用的回收水稳材料和沥青面层材料比例为 7030，水泥掺量为5%，分别得到28 d和90 d养护龄期下无侧限抗压强度，结果见表8。表8 无侧限抗压强度试验结果养护龄期劈裂强度/MPa28 d0.9190 d1.18从上述试验结果得知，回收水稳材料和沥青面层材料比为70 30时，试件的劈裂强度增长趋势满足半刚性基层增长规律。劈裂强度在028 d期间内增长最快，2890 d期间增长速率逐渐减慢。添加适量旧沥青材料可以有效提高抗裂强度，因回收料表面粗糙，石料之间嵌挤作用加强，通过振动搅拌可使混合料表面含有水泥砂浆，提高混合料劈裂强度。4 结论本文通过对振动搅拌的复合冷再生混合料力学性能进行研究，得出以下结论。1）通过选用C-C-2类型进行配合比设计，水稳材料和沥青面层材料的掺配比例取70 30，得到设计级配位于级配上限和级配下限之间。2）通过对复合冷再生混合料进行击实试验，分别测定3种不同水泥剂量对应的最大干密度，确定水泥剂量为5.0%，最佳含水量为8.8%，最大干密度为2.38g/cm3。3）试验测得复合冷再生混合料试件90 d无侧限抗压强度为 6.0 MPa，90 d 劈裂强度平均值为 1.18 MPa，均满足路面基层性能要求。参考文献：1 周浩南，郑世伦，梁旭之，等.基于振动搅拌的复合冷再生混合料性能研究J.公路交通技术，2021，37（6）：42-47.2 吴光曦.基于振动搅拌的复合冷再生基层材料力学性能及应用研究D.重庆：重庆交通大学，2022.3 曹劲楠.基于振动搅拌的复合冷再生基层路用性能研究D.重庆：重庆交通大学，2021.30