【技术】全深式就地冷再生基层级配组成研究
摘要：在满足冷再生基层强度要求的基础上，利用全深式就地冷再生技术，对废旧沥青混合料的组成特性进行了阐述，掺入一定量的新集料和水泥稳定材料，通过重型击实试验确定了不同新料掺量和水泥剂量下混合料的最佳含水率和最大干密度，采用无侧限抗压强度试验确定了新料掺量和推荐水泥用量。
关键词：沥青路面，全深式冷再生，旧料特性，新料掺量，强度
随着我国公路逐渐进入养护维修时期，面临大量的废旧道路材料处治问题，若不合理利用不仅造成经济浪费，而且严重污染环境。全深式就地冷再生技术可以充分的利用原有的废旧材料，有巨大的社会经济效益，全深式就地冷再生技术既包括沥青材料层又包括非沥青材料层，这种手段是目前利用废旧料数量较大的再生技术。由于沥青面层材料经历外界环境和车辆荷载的反复作用后，沥青老化且路用性能不同程度的下降，粘结性能不足，若对其进行再生利用，需加入新的胶结料，研究表明乳化沥青冷再生、泡沫沥青冷再生和水泥稳定再生等技术都已应用沥青路面再生工程，但是再生混合料设计及施工方面也大多借鉴欧美已有成果，未形成适合我国国情的冷再生混合料设计及施工体系，另外再生理论方面的研究也较少。由于全深式就地冷再生技术是将原沥青路面的面层和基层一同再生，因此再生层中有一定含量的沥青，虽然沥青比例很小，但是却会对再生结构层的材料参数产生极大的影响。本文通过掺加不同量的新集料和水泥胶结材料进行冷再生级配确定，采用室内试验对再生结构层的无侧限抗压强度进行测试。
1.旧路面材料分析
1.1 旧路面材料特性分析
旧沥青路面材料的性能直接影响再生粒料的性能，铣刨破碎的旧路面材料组成很复杂，在实际应用中旧路面材料中沥青不同程度的老化，其沥青的内部组分发生了复杂的物理和化学变化，或者导致沥青内部组分发生“移行”现象，致使沥青中的轻质油分持续挥发，因此，沥青中的重组分沥青胶质和沥青质含量不断增加，沥青变硬变脆，混合料稳定性变差，在级配设计时可一定程度上将旧沥青看作黑集料。沥青路面在行车荷载和自然因素作如图1明确地显示了沥青在使用过程中技术性能的演变趋势，随时间的增长，沥青技术性能下降幅度明显，其路用性能逐渐降低，出现各种早期病害，例如沥青老化导致的沥青混合料产生裂缝、松散等病害，最终失去抗剪切、抗冲击的能力，从而影响行车舒适性及安全性。
原路面结构中的矿质集料，在车辆荷载的长期作用下，矿质集料被压碎，最大粒径一般均小于31.5mm，从而改变了原始的级配组成，引起沥青混合料强度降低，另外，在冷再生过程中由于再生机器的铣刨作用下，大粒径的骨料和成块的沥青混凝土也被粉碎，也会产生大量的细料。因此，无论是全深式沥青路面再生还是普通的沥青路面再生，其铣刨材料的粒径往往偏细，是废旧沥青路面材料的一个重要特征。因此，沥青路面再生面临的一个重要问题是对级配深入研究，选用一组标准方孔套筛分对回收的旧沥青面层和旧基层混合料进行筛分试验，按照基层与面层不同比例多次试验确定掺和比例，为了减少或者避免材料组成离散性大的影响，在室内试验过程中分别从旧混合料中陆续抽取样品进行筛分，每次都按规定的方法从料堆的不同部位均匀取样，按四分法缩分至一次试验得到所需质量。旧沥青路面材料的原样筛分结果如图2所示。
图1 沥青技术性能演变图
图2旧沥青路面材料原样筛分曲线
由图2可以看出：旧混合料最大粒径偏小，均小于31.5mm，经计算可知仅仅4.75mm以上尺寸的粒料占总料比例的70%以上，而0.075mm以下颗粒含量仅为2%左右，旧沥青路面材料的筛分曲线接近规范规定基层上限级配范围，其中粗集料含量较少。这能说明结合料用量多少或质量的好坏，细料偏多可能是旧沥青结合料的粘附作用和水泥结合料粘结作用，细颗粒被大块团粒所裹覆；加之反复车辆荷载和外界环境的长期作用以及冷再生机的铣刨，部分粗集料发生破碎，最终导致旧沥青混合料中中间粒径颗粒的含量较多，粗集料和细集料含量较少。
2级配调整
2.1新集料及合成级配
从旧沥青混合料和水泥稳定混合料的筛分情况来看，粗粒径的骨料含量较少，需要添加一定新料，特别是粗骨料，用以改善再生沥青混合料的骨架结构性能。新集料筛分结果见表1。
表1 新集料筛分
|
筛孔尺寸 |
26.5 |
19 |
16 |
13.2 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
1.18 |
0.6 |
0.3 |
0.15 |
0.075 |
|
石灰岩10-20 |
100 |
89.3 |
66.4 |
38.4 |
9.6 |
3 |
||||||
|
石灰岩0-3 |
100 |
100 |
100 |
99.7 |
99.7 |
99.2 |
85.7 |
70.1 |
53.6 |
38.1 |
29.8 |
16.8 |
根据旧路面材料在级配、针片状颗粒、细料砂当量等方面的差别综合考虑，对配合比进行调整。为了使级配最终满足规范要求，同时改善旧路面材料性能，通常的做法是采用掺入新骨料来调整级配，试验采用调整后的新混合料，新旧材料质量比例取0%，15%，30%，50%，最终的级配曲线如图3所示。
表2 合成级配
|
项目 |
下列各筛孔（mm）通过率/% |
||||||
|
31.5 |
19 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
0.6 |
0.075 |
|
|
S0 |
100 |
90.7 |
63.5 |
41.7 |
23.4 |
11.5 |
1.6 |
|
S15 |
100 |
79.6 |
54.1 |
35.1 |
19.9 |
10.1 |
1.4 |
|
S30 |
100 |
68.5 |
44.7 |
29.2 |
16.4 |
8.2 |
1 |
|
S50 |
100 |
54.8 |
32.1 |
21.9 |
11.7 |
5.8 |
0.8 |
图3 不同新骨料比例下混合料级配
混合筛分后的试验结果，其级配组成基本满足规范要求其中，掺加15%新骨料后的混合料级配接近规范级配中值，但仍与骨架密实型的级配有一定差别。掺加30%新骨料后的混合料级配接近规范级配的下限，掺加50%新骨料后的混合料级配超出了规范的级配范围，即掺入的粗集料过多。
2.2 最佳含水率与最大干密度试验
为了研究不同级配下再生材料的性能，根据经验设定一定的含水率及沥青含量成型试件，测试混合料的最佳含水率和最大干密度，最终采用以上三种新集料掺配比例进行试验。水泥剂量取值分别为3%，4%，5%进行击实试验，试验结果如图4-图6所示。
图4 水泥剂量与最佳含水率关系
图5 水泥剂量与最大干密度关系
由图4可以看出，随水泥含量的增加最佳含水率增加，在同一水泥剂量下，掺入新料比列越大最佳含水率降低。也就是说水泥含量越多水化时需水越多，其释热量也越大，全部是旧料时由于集料整体偏细，需水量增加。由图5可以看出，随水泥剂量增加最大干密度会出现峰值，在相同水泥剂量下，掺入新料越多，对应的最大干密度越大，说明新掺入的碎石的密度大于旧混合料的密度。
3 强度试验及材料组成设计
3.1 无侧限抗压强度及劈裂试验
无结合料7d无侧限饱水抗压强度是公路路面基层施工技术规范对水泥稳定类材料的唯一控制指标，为了更全面的考虑无机结合料的力学特性，本文采用7d无侧限抗压强度和劈裂强度试验来确定水泥冷再生混合料的组成设计。
初步试验确定，水泥稳定粒料的水泥剂量约为4%-5%，其对应的最大干密度和含水率为最佳，参考水泥稳定粒料的水泥合理剂量，本文采取3%，4%，5%和6%四个水泥剂量进行无侧限强度试验。按标准试验方法，试件制作采用静压法成型φ150mmxh150mm圆柱体试件。当新料掺配比例为15%时，对应的四个水泥剂量（3%、4%、5%和6%）条件下的强度试验结果见表3所示。研究发现，7d无侧限抗压强度和7d劈裂强度均随着水泥剂量的增加而逐渐提高，这一规律完全符合水泥稳定材料的性能。
新料掺配比例分别为0%、15%、30%、50%，选取两个水泥剂量为4%和5%，采用数理统计的方法对试验结果进行统计分析，当取90%保证率的代表值时，其强度试验结果见表4所示。
表3 不同水泥剂量下的试验强度
|
水泥剂量（%） |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
7d抗压强度（Mpa） |
2.4 |
3.1 |
3.4 |
3.7 |
|
7d 劈裂强度（Mpa） |
0.18 |
0.23 |
0.25 |
0.29 |
表4不同新骨料掺量不同水泥剂量下的试验强度
|
项目 |
4%水泥剂量 |
5%水泥剂量 |
||||||
|
新骨料掺量 |
0 |
15 |
30 |
50 |
0 |
15 |
30 |
50 |
|
7d抗压强度（MPa） |
2.8 |
3.1 |
2.6 |
2.3 |
3 |
3.3 |
3.15 |
2.6 |
|
7d劈裂强度（MPa） |
0.19 |
0.22 |
0.9 |
0.16 |
0.21 |
0.25 |
0.36 |
0.24 |
|
28d抗压强度（MPa） |
3.1 |
3.9 |
3.3 |
3.1 |
3.8 |
4.2 |
3.8 |
3.5 |
|
28d劈裂强度（MPa） |
0.39 |
0.48 |
0.5 |
0.4 |
0.5 |
0.53 |
0.6 |
0.5 |
由表3，表4可知，冷再生混合料的水泥剂量为5%，其7d，28d无侧限抗压强度和劈裂强度的均大于水泥剂量为4%时的强度，即冷再生混合料的强度随水泥剂量的增加而增加。当新骨料掺配比例为50%，水泥剂量为4%的情况除外，各冷再生混合料试件的7d抗压强度均大于2.5MPa，其强度值满足二级及二级以下公路基层施工规范中对基层强度的要求。总之，新骨料掺配比例为15%时，其冷再生混合料试件的抗压强度值最大，新骨料掺配比例为30%时，试件的劈裂强度最大，要到达冷再生混合料抗压强度和抗劈裂强度均最高，需多方面考虑需选取最佳的新料掺配比例。
3.2 材料组成设计
由于旧路面材料中基层材料和面层沥青混合料的掺和比例对冷再生混合料的强度有一定影响。有研究表明：当基面层掺和比例为30:70时其强度低于基面层比例为50:50的强度，主要原因可能与其旧沥青面层料含量较多有关，由于集料表面被沥青油膜包裹（特别是细集料），水泥水化时不宜进入旧沥青面层料团粒中，使得形成水泥水化产物不够充分，强度不高。因此，采用较多的旧基层水泥稳定材料对强度有利。而本文采用的回收材料中，旧沥青面层较薄，仅有3-5cm左右，所以沥青混合料所占的比例较小，这以来再生混合料基层有利于获得较高的强度值。
由此可见，若铣刨的路面深度超过8cm时，基面层的掺和比例就会大于50:50。若冷再生厚度为15-20cm时，掺和的基层材料占更大比例，水泥稳定冷再生混合料获得较高的强度。此时既满足基层强度要求，又铣刨的深度也不至过大。综上述试验得知，掺配新骨料比例为15%和30%时试件的强度值最高，而且水泥剂量为4%-5%时，其强度均大于2.5MPa。同时为降低工程造价，考虑到工程经济性，应尽可能添加少的新骨料，充分利用旧回收料。因此，推荐在实际工程中使用15%的新料用量和4%-5%的水泥剂量，以此作为水泥冷再生稳定基层的配合比。
4结论
为了将更多的废旧沥青混合料应用于再生路面工程，采用全深式再生沥青路面基层技术，对就沥青路面才材料进行特性分析，确定旧料级配状况，再此基础上掺加新集料和水泥稳定剂，研究不同掺入量对混合料强度的影响，最终确定全深式沥青路面材料组成，对全深式就地冷再生级配设计提供理论依据。
参考文献
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