◎ 水 泥稳定三渣基层 回收料 的设计与性能研 究 徐 志航 ,潘 琛 明 ( 上海 市 浦东新 区公路 管理署 ,上 海 200129) 摘要 : 将 三渣基层回收料替代天然集料用于水泥稳定碎石 基层 中 ,通过击实试验 确定混合料 的最大 干密度 和最 佳含水量 ;探讨 了 级配 、养生龄期 、水泥剂量等 因素对 混合 料性 能的影响 ,并对 比分析 了水 泥稳定三 渣基层 回收料 与普通 水泥稳 定碎石 性能 的差异 ; 根据试验结果与规范要求 ,阐述 了水泥稳定三渣基层 回收料适用 的道 路等级 。结 果表 明 :随着养生 龄期 的延长 、水泥 剂量 的增 加 , 混合料的无侧限抗压强度 、劈裂强度 、抗压 回弹模 量 、抗冻能 力等指标 都有 所提高 ;满 足一定条 件 的水 泥稳定 三渣基层 回收 料可用 于不同交通 等级 道路 的基 层。 关键词 : 三渣基层 回收料 ;水泥稳定碎石 ;击实 ;性能 ;道路 等级 0 引言 改革开放以来 ,我 国国民经济得到了快速发展,公 路 里 程迅 速 增 加 。到 2015 年 末 ,公 路 总 里 程 将 达 到 450 万 km。由于半刚性基层具有强度高、刚度大 、整 体性强、易于施工 、抗 冻性好 以及抗 疲劳性能好 等特 点 ,我 国从 2O 世纪 80 年 代 开 始 大量 应 用 以无 机 结 合 料 稳 定粒料 为 主要形 式 的半 刚性基 层材 料 。 进 入 21 世 纪 以后 ,在 日益 增加 的交 通量 和环 境 因 素 的作 用下 ,道路 结构 出现 了不 同程 度 的损坏 ,随之 产 生 的基层 废 料逐 年增 长 ,养 护 、维修 问题 日渐 凸显 。 旧 路面的再生利用 由于具有 良好 的社会效益、经济效益 和环保效应 ,越来越受到重视 ,并已成为路面技术研究 的一个 重要 方 向 。但 目前 半刚 性基 层再 生技 术 的研 究 尚处于初级阶段 ,普遍采用现场再生的方式将破损 旧 基 层材 料再 生 为半 刚 性 基 层 ,而 缺 乏 相关 的室 内试 验 研究[1 ] 。鉴于此 ,本文采用三渣基层 回收料全部替代 天然集料用于水泥稳定碎石基层 ,通过击实试验确定 水 泥稳 定 三 渣 基 层 回收 料 的最 大 干 密 度 和 最 佳 含 水 量 ,并在此基础上 ,分析了级配 、养生时间、水泥剂量等 因素对 水泥 稳定 三 渣 基 层 回 收料 无 侧 限 抗 压强 度 、劈 裂强度 、静态抗压 回弹模量及抗冻性等指标的影响,同 时 分析 了水 泥稳 定三 渣基 层 回收料适 用 的道路 等 级 。 1 原 材料及 试 验方 案 1.1 原材 料 水 泥采 用江 苏太 仓海 螺牌 32.5 复合 硅 酸盐 水 泥 , 收 稿 日期 :2015-05—01 基金项 目:浦城科技 ( 2013)一05 其性 质满 足 GB 175—2007《通 用 硅 酸盐 水 泥 》的 要 求 , 水泥的技术指标见表 1。试验 中采用 的天然集料为普 通 的石 灰岩 集料 。 表 1 海螺牌水泥技术指标 细度 烧失量 初凝时间 终凝时 间 28 d 抗 压 / / /h /h 强 度 /M Pa 4 .4 5.0 5 .0 2 O.0 3 5.0 本文采用的三渣基层 回收料来 自上海浦东新 区南 六 公路 道路 改建 工 程 ,该 道 路 已服 役 15 年 ,回收 料 经 反击 式破 碎处 理 。三渣 基层 回收料和 天然 集料 的基 本 性能 见表 2 。 表 2 集 料 的 基 本 性 能 指标 集料类型 表观密度 吸水率 压碎值 洛杉矶磨 /g · cm 。 / / 耗值 /% 三 渣 基 层 回收 料 2.37 12.6 25.5 28.3 天然集料 2.70 1.0 15.1 19.0 1.2 试 验 方案 1.2 .1 级 配设 计 本文中水泥稳定三渣基层 回收料和普通水泥稳定 碎 石 的级配 均采 用 J T G D50-2006((公 路 沥青 路 面设 计 规 范 》[6 中悬 浮密 实级 配 的 中值 。同时 ,为 了分 析集 料 级 配对 水泥 稳定 三渣 基层 回收料无 侧 限抗压 强度 和劈 裂 强度 的影 响 ,部 分集 料级 配 采 用 了悬 浮 密实 级 配 的 上 限 和下 限 。悬 浮密 实级 配设 计要 求见 表 3。 No.3 2015 上冯么缘51 ◎ s一⋯一 表 3 悬浮 密 实 型 集 料级 配 不 同尺寸筛孔 的通过率/ 级 配 类 型 3 1.5 1 9 .0 9 .S 4 .7 5 2.3 6 0 .6 0 .O7 5 级配 中值 100 95 70 22.9 9.5 2.5 级 配 上 限 l OO 10O 80 49 32 20 5 级 配 下 限 l OO 9o 6O 29 1 5 6 O 1.2.2 试 验 方案 本文采用传统的水泥稳定碎石设计方法 ,通过重 型击 实试验 确定 水 泥稳定 三渣 基层 回收 料 的最大 干 密 度和 最佳 含水 量 ,然 后采 用 静 压 成 型 圆柱 体 试 件 进 行 混 合料 的性 能 试验研 究 ,试 件 压实 度 为 98 。试 验 中 设 计 了两组 试 件 C 和 C 1,其 中 C 为普 通 水 泥 稳 定 碎 石 ,C1 为水 泥稳 定 三渣 基层 回收 料 。如无 特 别 说 明 , 水 泥用 量均 为 4.5 。 本 文 中测试 方法 主要 依据 J T G E 51-2009~公 路 工 程 无机 结合 料 稳 定类 材 料 试 验 规程 》进 行 。其 中混 合 料 最大 干 密度 及 最 佳含 水 量 试 验 按 照 T 0804—1994 进 行 ;无侧 限抗 压 强 度试 验 按 照 T 0805—1994 进 行 ,试 件 养 生龄 期 为 7 d、28 d、90 d;劈裂 强度试 验按 照 T 0806— 1994 进行 ,养生龄期为 7 d、28 d、90 d;静态抗压回弹 模 量 试 验 按 照 T 0808—1994 进 行 ,养 生 龄 期 为 28 d、 90 d ;冻融 试 验 按 照 T 0858—2009 进 行 ;当研 究 水 泥用 量 对混合 料 性 能 的 影 响 时 ,水 泥 用 量 分 别 为 3.0 、 4.5 及 6.0 2 击 实试验 结 果 图 l 为 根据 重型 击实试 验 数据绘 制 的含水 量 一 千 密度 曲线 ,水 泥用 量为 4.5 。2 类混合 料 的最 佳 含水 量 、最大 干密 度试 验结 果见 表 4 。由 图 1 可 见 ,与 普通 水 泥稳定 碎 石 的击 实 曲 线类 似 ,水 泥 稳 定 三 渣基 层 回 收料 的干密 度开 始 随 着 含水 量 的增 加 而增 大 ,当 干 密 度值 达 最大 时 ,继 续 增 加 用 水 量 ,干 密 度 呈 现 下 降趋 势 。分 析表 4 数 据 可 知 ,水 泥稳 定 三 渣基 层 回收料 的 最佳 含水 量 约为 普通 水 泥稳 定 碎 石 含水 量 的 4.6 倍 , 最 大干密 度 约 为普 通 水 泥 稳 定 碎 石 的 67 。水 泥 稳 定 三渣基 层 回收 料 最 佳 含水 量 偏 大 、最 大 干 密度 偏 小 主 要是 因为 三渣 基 层 回收料 的吸 水 率 较 大 、而 表 观 密 度偏 小 。 52 上冯 么姥 N。.3 2015 表 4 混 合 料 最 佳 含 水 量 与 最 大 干 密 度 试 验 结 果 混合料类型 ( C 1 最佳含水量/ 5.2 14.7 最 大 干密 度 /g · CEll 2.38 1.60 皇 ● 稍 H- 鲁 u ● 襁 H- ( a) C 舍水 率 ( b) C l 图 1 混合料含水量 一干密度 曲线 3 混合料 性 能试验 结 果 3 .1 无侧 限抗压 强度 无侧 限 抗 压 强 度 试 验 结 果 见 图 2,水 泥 用 量 4.5 。由 图可见 ,对 照组养 生龄 期 7 d、28 d、90 d 时 , 其 无侧 限抗 压 强 度 为 3.9 MP a、5.4 M Pa、5.8 MP a, C1 各 养 生 龄 期 的 无 侧 限 抗 压 强 度 约 为 对 照 组 的 51.3 ~53.7 ,表 明各 养 生 龄期 内水 泥稳 定 渣 基 层 回收料 的无 侧 限抗 压 强 度 均 低 于普 通 水 泥 稳 定 碎 石 ;2 类 混合 料 的无 侧 限抗 压 强 度 均 随 养 生 龄 期 的 延 长呈 现增 大 的趋势 ,其 中 C 和 C1 的 28 d 无 限 抗 压 强 度为 7d 强度的 1.4 倍和 1.5 倍 ,而 90 d 无侧 限抗压 强度 为 28 d 强度 的 1.1 倍 ,说 明 2 类 混 合料 早 期 无侧 限抗 压强 度增 长较 快 ,而后期 增 长趋 于平缓 。 三渣 基层 回收料 含 有 大 量 的灰 浆 团块 j 、表 面 附 着有 灰浆 及机 械 破碎 使集 料 内部 产 生 大 量微 裂 纹 ,导 致三 渣基 层 回收料 的 整体 强 度 低 于 天 然集 料 ,这 是水 泥稳定 三 渣基 层 回收料无 侧 限抗 压强 度低 于普 通 水 泥 稳定 碎石 强度 的主 要原 因 。 C 和 C1 的 7d 无 侧 限抗 压 强度 与水 泥剂 量 的关 系 曲线见 图 3。 由 图可 见 ,水 泥 剂 量 对 2 类 混 合 料 无 侧 限抗压 强度 的影 响具 有 相 同规 律 ,即水 泥稳 定 三渣 基 层 回收 料 与普通 水 泥稳定 碎石 的无 侧 限抗压 强 度 均 随 着 水泥 剂量 的增 加呈 现增 大趋 势 。 比较 2 类 混 合料 发 现 ,不 同水 泥 剂 量 下 水 泥 稳 定 三渣 基 层 回 收 料 的 7 d 无侧限抗压强度均小于普通水泥稳定碎石的强度。 c要 塞 、 魈 嚣 7 0 1.0 0 0 2 8 d 9 0 d 养生龄 期 图 2 无侧 限抗 压 强 度试 验 结 果 4.() 5 .0 6.0 水泥剂 避 ,% 图 3 水泥用量与 7d 无侧 限抗压强度之间的关 系 不同级配对应的 2 类混合料 的 7 d 无侧限抗压强 度试 验结 果 见 图 4。分 析 图 中数 据 可 知 ,级 配 对 2 类 混合料无侧限抗压强度的影 响具有类似的规律 ,即级 配中值对应的混合料无侧限抗压强度要大于级配下限 和级配上限所对应混合料的无侧限抗压强度。 图 4 不 同 级 配 下 7 d 无侧 限 抗压 强 度 试 验 结 果 ◎ 3 .2 劈 裂强 度 劈裂 强度 试验 结 果 见 表 5,不 同 级 配 对 应 的 2 类 混合 料 的 90 d 劈 裂强 度强 度试 验结 果见 图 5。分 析表 5 和 图 5 可 知 : ( 1) 与普通 水 泥稳定 碎 石相似 ,水 泥稳定 三 渣 基层 回收料劈 裂 强度 随着水 泥剂 量 的增加 而增 大 。水 泥剂 量 3 时 ,水 泥稳 定三 渣基 层 回收料 的 7 d 劈 裂 强度 为 0.10 MPa,提 高水 泥剂 量 至 4.5 和 6 ,其 劈 裂 强度 分别 提高 约 20 和 4O ;普 通 水 泥稳 定 碎 石 3 水 泥 剂量 下 的 7d 劈裂 强 度 为 0.19 MPa,水 泥 剂 量 提 高 至 4.5 和 6 ,其劈裂强度分别提高约 53 和 1.1 倍。 这 表明 ,随着 水泥 剂量 的增 加 ,水 泥稳 定三 渣基 层 回收 料 7d 劈裂强度增长幅度低于普通水泥稳定碎石 。 (2) 水泥剂量一定时,2 类混合料的劈裂强度均随 着养 生 时问 的延长 呈现 增大 的趋 势 。 表 5 劈 裂 强 度 试 验 结 果 养生时间 劈裂强度( c ) /MPa 劈裂强度(C 2) /MPa /d 3 4. 5% 6 3 4.5 6% 7 0.19 0.29 0.39 0.10 0.12 0.14 28 0.26 0.39 0.55 0.17 0.23 0.27 9 0 O.2 9 O.4 6 0 .6 6 O .2 3 0 .2 8 0 .3 2 (3) 由 图 5 可 见 ,根 据 级 配 中值 确 定 的 混 合 料 的 90 d 劈裂 强度 大 于级配 上 限和级 配下 限所 确定 的混 合 料 的劈 裂强 度 。 图 5 不 同级配下 90 d 劈裂 强度试验 结果 3.3 静 态抗 压 回弹模 量 静态抗压 回弹模量试验结果见表 6。分析表 6 数 据 可知 : ( 1) 2 类 混 合 料 的静 态 抗 压 回 弹模 量 均 随着 养 生 时 间 的延 长逐 渐增 大 ,且养 生 时间一 定时 ,其静 态 抗 压 回弹模量 随着 水泥 剂量 的增 加成 呈现 增大 的趋 势 。 N0.3 2015 上冯么雾钰53 6 5 4 3 2 0 鹱蹬 醛蕃 fJ 6 5 4 3 2 ● 0 芝 越骥 敞l】()6 ∽ w/莓f嘱氆 醛匿基 ◎ s一一—Ys (2) 水 泥剂 量 、养 生 时 间一 定 时 ,水 泥 稳 定 三渣 基 层 回收料 的 静态抗 压 回弹模 量均 低 于普通水 泥 稳定 碎 石 ,如水 泥剂 量 4.5 、养 生 时 间 90 d 时 ,水 泥稳 定 三 渣基 层 回收料 的静 态抗 压 回弹模 量约 为普通 水 泥稳 定 碎石 模量 的 72 。 ( 3)水 泥稳 定 三 渣 基层 回收 料 静 态抗 压 回 弹模 量 低 于普通 水泥 稳 定碎 石 ,一方 面 是 因为 三渣 基 层 回收 料强 度低 于天 然 集料 ;另 一方 面 是 因为 三渣 基 层 回收 料表 面及 内部 存 在大 量 的微 孔 隙 和微 裂 纹 ,受 到相 同 的外力作用时 ,相比天然集料 ,其更容易发生变形 。 表 6 静 态 抗 压 回 弹 模 量 试 验 结 果 养生时间 抗压回弹模量 (C ) /MPa 抗压 回弹模量( C2) /MPa /a 3 4. 5 6 3 4.5 % 6 2 8 1 1 4 6 1 3 3 8 1 6 5 9 7 2 6 9 7 6 1 2 1 l 90 1 3 5 7 1 6 3 2 2 OO7 8 5 6 l l 7 l l 4 7 7 3.4 抗 冻 性能 冻 融试 验结 果 见 表 7。分 析 表 中 可 见 ,水 泥 剂 量 一定 时 ,相 比普通 水泥稳 定 碎石 ,水泥 稳定 三渣 基 层 回 收 料抗冻 能力 较差 。这 主要 是 因为三 渣基层 回收 料颗 粒 的吸水 率较 大 ,导致混 合料 的 吸水率 变大 ,加 剧 了冻 融条 件对 混合 料 的破坏 作用 。无论 是水 泥稳 定 三渣 基 层 回收料 还是 普 通 水 泥稳 定 碎 石 ,.随 着 水 泥 剂量 的增 加 ,其 抗 水损 害的 能力越 强 。 表 7 冻 融 试 验 结 果 混合料 水 泥剂 冻融前强 冻融后强 抗冻系 类型 量/ 度/MPa 度/MPa 数/ 4 .5 5 .4 4 .6 8 5 C 6 .0 6 .2 5.9 9 4 4 .5 2 .9 1.5 5 l C 1 6 .0 3 .7 2.2 5 9 3 水 泥稳 定三渣 基 层 回收 料适 用 的道路 等级 在我国《沥青路面设计规范》中,规定 了各等级公 路 路 面基层 、底基 层 水 泥 稳 定 类 材 料 的 7 d 无侧 限抗 压 强度 ,见表 8 。 对 比试 验结 果与 规范 要求 ,水泥 剂 量 3 时 ,水 泥 稳 定三 渣 基 层 回收 料 不 满 足 基 层 或 底 基 层 的技 术 要 求 ;水泥剂量 4.5 时,水泥稳定 三渣基层 回收料可用 于轻 交 通及 重 、中交 通 道 路 底 基 层 ;水 泥 剂 量 6 时 , 水泥稳定三渣基层 回收料满足各等级公路底基层的技 54上冯 姥 N。.3 2015 术要 求 ,同时可 用 于轻交 通或 重 、中交通 的基层 。 表 8 水泥稳定类材料 的 7 d 无侧 限抗压 强度( MPa) 标准⋯ 交通等级 层位 特重交通 重、中交通 轻 交通 基 层 3.5~4.5 3 ~4 2.5 ~3.5 底 基 层 ≥ 2.5 ≥ 2.o ≥ 1.5 4 结语 本 文采 用传 统 的水 泥 稳 定 碎石 设 计 方 法 ,确 定 了 水 泥稳 定 三渣 基 层 回 收 料 的 最 佳 含 水 量 和最 大 干 密 度 ,并对 水泥 稳定 基 层 回收料 的相 关 性 能 指标 进 行 了 室 内试 验研究 ,同 时探 讨 了水 泥稳 定 三渣 基层 回收 料 适 用 的道路 等级 ,主要得 到 了 以下 几方 面结 论 : ( 1) 水泥剂 量一 定 时 ,各 养生龄 期 的水泥 稳定 三渣 基层 回收料 的无 侧 限抗 压 强 度 、劈 裂 强度 及 静 态 抗 压 回弹模量 均小 于 普 通水 泥 稳 定 碎 石 ,且水 泥稳 定 渣 基层 回收料 的抗 冻 能力较 差 ; ( 2)按 照悬 浮密 实级 配 中值 设 计 的 混 合 料无 侧 限 抗压 强度 、劈裂 强 度 等指 标 均 优 于 级配 上 限及 级 配下 限所确 定 的 ; ( 3) 与普通 水泥 稳定 碎石相 似 ,随着水 泥 剂量 的增 加 、养 生时 间 的延长 ,水 泥 稳定 三渣基 层 回收料 的无 侧 限抗压 强度 、劈 裂强度 、静 态抗压 回弹模 量及 抗 冻 能力 等指标 呈现 增大 的趋 势 。 ( 4)水 泥剂 量 3 时 ,水 泥 稳定 三 渣 基层 回收 料 不 满 足基 层或底 基 层 的技 术 要求 ;水 泥 剂 量 4.5 时 ,水 泥 稳定 三渣 基层 回收 料 可用 于轻 交 通及 重 、中交 通 道 路 底基 层 ;水 泥剂 量 6 时 ,水 泥稳 定 三渣 基层 回收 料 满足各等级公路底基层 的技术要求 ,同时可用于轻交 通或 重 、中交通 的基层 。 参 考文 献 : [ 1] 刘小方.二灰 碎石基 层 就地 冷再 生在 公 路工 程 中的应 用 rJ ] .山西建筑 ,2007 ,33(3) :301—302. [ 2t 张忠 ,孟庆军 ,刘红 莹.二 灰碎石 基层冷再 生施工技 术应 用 EJ ] .山东交通科技 ,2009 ( 3) .43—45. [ 3] 郭 兆丰 ,张博 ,薛健.二 灰 碎石 基层 冷 再 生技 术 的应 用 [ J ] .市政技术 ,2012 ,30( 6) :28—30. E4] 张义文.路面基层就地冷再生 技术 的应 用[ J ] .四川 建筑 , 2 Ol 2 。3 2 ( 6 ) :19 1一l 92 . [ 5] 周晨洁 ,潘琛明.上海地 区二灰碎石 ( 三渣) 基层 回收料性能 的试验研究[ J ] .上海公路 ,2015( 2) :55 58 E6] J T G D50—2006.公路沥青路面设计规范Is] .