李國武，拾方治，畢偉林，楊曉東

(1.縉云縣公路管理局，浙江 縉云 321400；2.嘉興市高新交通技術測評研究院，浙江 嘉興 314001； 3.上海理工大學 環(huán)境與建筑學院，上海 200090；4.麗水市公路管理局，浙江 麗水 321000)

舊水泥路面板粒化再生混合料級配設計的試驗研究

李國武1，拾方治2，畢偉林3，楊曉東4

(1.縉云縣公路管理局，浙江 縉云 321400；2.嘉興市高新交通技術測評研究院，浙江 嘉興 314001； 3.上海理工大學 環(huán)境與建筑學院，上海 200090；4.麗水市公路管理局，浙江 麗水 321000)

結合舊水泥混凝土路面?；系奶匦裕瑧脗鹘y(tǒng)級配設計方法與最小空隙率法級配設計理論，對比分析了再生混合料空隙率和密度等物理性能的差異，論證了采用最小空隙率法進行級配設計的合理性。通過比較兩種設計方法得出的混合料的無側限抗壓強度和凍融循環(huán)試驗結果，得出水泥板再生?；喜捎米钚】障堵史ㄟM行級配設計時，再生混合料的力學性能和耐久性要優(yōu)于按照傳統(tǒng)級配設計方法，且設計方法簡單，所需設計參數(shù)較少，更符合水泥板粒化料的特性，適宜在工程應用中推廣。

舊水泥混凝土路面板; ?；偕? 級配設計; 最小空隙率法

0 引 言

舊水泥混凝土路面?；偕夹g是將舊水泥混凝土板經(jīng)過翻挖、破碎和篩分，通過控制再生集料的破碎粒徑，與適量新集料和穩(wěn)定劑一同拌合，重新形成能夠滿足設計要求的再生混合料，之后經(jīng)攤鋪、壓實，達到具有一定承載能力的路面結構層的一種再生方法。

國內外研究[1-2]證明：水泥混凝土路面板破碎再生的舊料可以滿足水穩(wěn)碎石基層或底基層的要求，但存在如下幾點問題：不同破碎工藝對舊料性能影響較大、舊集料吸水率較高、在溫度和濕度變化時發(fā)生收縮，易產生開裂等缺點。與普通半剛性材料不同，再生舊料由于粒化設備的限制，無法保證一次性得到合理級配的水泥?；?，同時現(xiàn)行規(guī)范中暫時還沒有針對再生?；线m用級配的規(guī)定。根據(jù)國內外學者的研究，再生混合料密實度正比于其整體強度，而再生混合料空隙是否合理則直接影響混合料密實程度[3-4]。由于集料特性的不同，采用水泥穩(wěn)定碎石的級配來進行舊水泥板?；偕f料的級配設計，存在一定的適用性問題。因此，本文通過室內試驗探討粒化再生混合料不同級配設計方法的影響，論證最小空隙率法的合理性，以期為?；偕f料作為路面基層材料提供設計依據(jù)。

1 最小空隙率法級配設計方法

1.1 最小空隙率法設計原理

為了達到合理的級配范圍，提高水泥板?；显偕蠡旌狭系恼w性能，需要通過添加新料進行集料級配調整，而最佳級配設計的關鍵在規(guī)范規(guī)定的級配范圍內選擇集料空隙率最小的曲線。最小空隙率法的基本設計原理是[4]：當?；偕旌狭现械拇旨闲纬晒羌芙Y構時，粗集料間形成的空隙由細集料和水泥形成的水泥石填充，混合料形成骨架密實結構，此時設計所得到的空隙率最小。值得注意的是[5]，當水泥石過多時，混合料無法形成致密的骨架結構，反而會導致混合料和易性降低，并且增加了因水泥石收縮造成路面出現(xiàn)干縮裂縫的可能性；相反若水泥石過少，空隙無法完全被填滿，導致混合料強度降低。

1.2 最小空隙率法級配設計步驟

(1)混合料平均堆積密度

混合料堆積密度是測定混合料空隙率的參數(shù)之一，對于混合料而言，其堆積密度需要采用平均堆積密度進行空隙率計算?；旌虾蟮募掀骄逊e密度Pii按式(1)計算：

(1)

式中：A1i為粗集料(粒徑≥4.75mm)含量；P1i為粗集料(粒徑≥4.75mm)的振實堆積密度；P2i為細集料(粒徑<4.75mm)的緊裝堆積密度。

混合料的平均堆積密度Pi按(2)計算

(2)

式中：Ai為各種規(guī)格集料在混合料中所占比例(%)。

(2)混合料平均表觀相對密度

同理，混合料的表觀相對密度Pti和混合料的平均表觀相對密度Pt分別按式(3)和(4)計算。

(3)

式中：B1i為某種集料中粗集料的含量；P1i為粗集料的表觀相對密度；P2i為細集料表觀相對密度。

(4)

式中：Bi為各種規(guī)格集料在混合料中所占比例(%)；

相似地，如果有多種粒徑混合，上式可以按需要進行拓展。

(3)混合料空隙率

按式(5)計算混合料的空隙率n

(5)

已知混合料空隙率n、水泥石最大干密度P，可按式(6)計算單位立方米混合料中實際水泥石的重量Q。

Q=P×n

(6)

根據(jù)上述公式，只有通過添加一定的新集料提高平均密度，從而減小混合料空隙率。為了達到混合料空隙率最小，應使得各集料在混合料中所占比例合理。對于舊水泥路面?；旌狭隙裕?6)中水泥石最大干密度P可以通過擊實試驗確定，單位體積混合料中水泥石的重量Q為水泥質量。應當說明，由于在舊路面混合料中，細集料和水泥經(jīng)過水化作用形成水泥膠結料并最終形成水泥石，所以在進行最小空隙率計算時，如果添加新集料進行級配調整，那么新集料和水泥將繼續(xù)形成新的水泥石，因此將新集料和水泥作為水泥石試驗是合理的。

從而公式(6)可以推導為n=Q/P，利用該推導式，可以對公式(5)進行校核，即當水泥石最大干密度P與空隙率之積與單位體積混合料中水泥石的重量Q接近時，得到的?；偕旌狭峡障堵首钚?。

2 粒化再生集料級配設計試驗

2.1 ?；偕匣拘阅茉囼?/h3>

將水泥板?；戏譃榇旨?粒徑≥4.75mm)和細集料(粒徑<4.75mm)兩個部分。新集料(粒徑<9.5mm)、水泥板?；旨虾图毤霞壟浜Y分結果如表1所示。

由于新集料含有少量大于4.75mm粒徑的集料，但考慮到其含量較低，因此在后續(xù)相關的試驗中不單獨將新集料中4.75mm部分篩除，直接當作細集料部分使用。

由于粗細集料密度測定方法不同，為了掌握?；系幕久芏葏?shù)，分別測定粒化粗集料的振實堆積密度和表觀密度，粒化細集料、新加集料的緊裝堆積密度和表觀密度?？紤]到實際工程應用的情況，進行細集料表觀密度測定時，統(tǒng)一采用容量瓶法進行測定。材料物理性能參數(shù)如表2所示。

表1 舊水泥板粒化集料篩分結果

表2 材料物理性能

2.2 傳統(tǒng)設計法與最小空隙率法分析對比

(1)選擇級配為《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)[6]中表4.5.2中推薦的C-A-1級配范圍。為使添加新料后的混合料級配應接近規(guī)范要求的級配中線，通過調整發(fā)現(xiàn)當添加30%細集料時，合成的級配曲線與級配中線較為接近。粒化粗集料：?；毤希盒录蛹毤?58%:12%:30%。其合成級配曲線圖如圖1所示。

(2)采用添加20%新集料進行試驗。水泥板?；洗旨希核喟辶；霞毤希盒录?61.3:18.7:20。采用最小空隙率法的混合料級配曲線如圖2所示。

根據(jù)(1)傳統(tǒng)設計法級配中各集料占總質量的比例及基本參數(shù)，該方案混合料中粗集料平均堆積密度、平均表觀密度及粗集料空隙率，計算結果如表3所示。

圖1 傳統(tǒng)合成級配曲線

圖2最小空隙率法級配曲線

新集料摻配比例(%)平均堆積密度(g/cm3)平均表觀密度(g/cm3)空隙率(%)302555448744

由(2)最小空隙率法，計算粗集料平均堆積密度、平均表觀密度及粗集料空隙率，計算結果如表4所示。

表4 混合料密度及空隙率計算結果

根據(jù)現(xiàn)行標準《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)[7]對(1)傳統(tǒng)設計法的不同級配混合料、水泥和新集料進行擊實試驗，水泥用量均為5%。擊實試驗結果如圖3所示。

同理，對(2)最小空隙率法設計的不同級配混合料、水泥和新集料進行擊實試驗，水泥用量均為5%。擊實試驗結果如圖4所示。

根據(jù)現(xiàn)行標準《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)對水泥加新集料進行擊實試驗，水泥用量均為5%?；旌狭蠐魧嵲囼灲Y果如表5和圖2所示。

圖3 擊實曲線(傳統(tǒng)設計法)與水泥+新集料擊實曲線(傳統(tǒng)設計法)

圖4 擊實試驗曲線(最小孔隙率法)與水泥細集料擊實曲線(最小空隙率法)

(3)混合料配合比合理性分析

從上述擊實結果及級配設計結果可知，傳統(tǒng)設計法的混合料(水泥+細集料)的最大干密度為1.92g/cm3，混合料最大干密度為2.12g/cm3，混合料中新集料占43.7%，采用前述最小空隙率(6)推導式進行驗證：

m水泥+細集料=P×n

(7)

式中：Q混為混合料中細料單位質量(g/cm3)；Q水泥+細集料為水泥+細集料最大干密度計算所得理論需要的細料單位質量(g/cm3)；M水泥+細集料為單位水泥+細集料質量(g/cm3)；S細為混合料中細集料的比例(%)；S水泥為水泥用量(%)；P混為混合料最大干密度(g/cm3)。

根據(jù)上述公式可以計算得到Q混為0.882g/cm3，Q水泥+細集料為0.758g/cm3。顯然兩者相差較大，盡管按照傳統(tǒng)方法，此級配接近最優(yōu)級配，但按照最小空隙率法的驗證，此級配并不合理。

綜合上述試驗結果：傳統(tǒng)設計法級配更接近規(guī)范要求的級配中值曲線，混合料中添加30%的新加細集料，所得混合料最大干密度為2.122g/cm3，最佳含水量為8.7%，其中新集料+水泥的最大干密度為1.922g/cm3，最佳含水量為8.9%。而采用最小空隙率法設計的混合料，添加20%的新加細集料，所得混合料最大干密度2.092g/cm3，最佳含水量為9.4%，其中新集料+水泥的最大干密度為1.918g/cm3，最佳含水量為9.1%。

2.3 無側限抗壓強度

依據(jù)現(xiàn)行標準《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTGE51-2009)拌合后采用靜壓法成型Ф150mm×h150mm的圓柱體試件，最后置于標準養(yǎng)護環(huán)境(溫度：20℃±2℃，濕度≥95%)中養(yǎng)護。試驗過程中保持加載速度為1mm/min。

按照兩種配合比設計的混合料的7d及28d無側限抗壓強度結果如圖5所示。

根據(jù)上述試驗結果可得：盡管傳統(tǒng)理論計算法得到的混合料空隙率更小，同時最大干密度比最小空隙率法的結果大，從數(shù)據(jù)上看似更佳“密實”，但最小空隙率法設計得到的混合料無側限抗壓強度更高(7d和28d無側限抗壓強度分別高出7%和10%)。分析原因，考慮水泥穩(wěn)定碎石材料強度形成的機理，當混合料中粗集料形成骨架作用時，集料間的空隙應該由水泥石形成填充，從而達到骨架密實結構，當水泥和細集料過多時，所形成的水泥石較多，從而包裹甚至排擠粗集料的骨架，導致級配整體結構偏向于懸浮結構，從測試參數(shù)上分析，雖然空隙率更小，最大干密度更大，但由于水泥石本身的低強度，無法充分發(fā)揮粗集料的骨架嵌擠作用，導致混合料整體穩(wěn)定性差，影響該級配的整體強度。所以只有當水泥和細集料正好填滿粗集料間的空隙時，此時的級配才是理想的。同時應當注意到，由于粒化再生集料本身裹附有一定的水泥砂漿，再生集料自身吸水率較高，此時如果按照傳統(tǒng)設計法得到的級配會增加因水泥石產生收縮而出現(xiàn)干縮溫縮裂縫的可能性，故對于?；偕希钚】障堵史ǜ雍侠?。

圖5 混合料的無側限抗壓強度

2.4 凍融循環(huán)試驗

如前所述，?；偕嫌捎诒慌f水泥砂漿裹附，吸水率較大是其一大特點，故通過凍融循環(huán)試驗，研究兩種配合比設計方法對?；偕旌狭峡箖鲂缘挠绊憽８鶕?jù)現(xiàn)行標準《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)中的“無機結合料穩(wěn)定材料凍融試驗方法”(T0858-2009)進行試驗，在室內采用靜壓成型Ф150mm×h150mm的圓柱體試件，養(yǎng)護齡期為28d(溫度：20℃±2℃，濕度≥95%)，試件制備過程同無側限抗壓強度試驗相同，兩種方案各制備兩組試件，養(yǎng)護27d后，將第一組試件放入低溫箱中(溫度為-18℃)，凍結16h后，取出試件稱取質量，量取試件高度，之后立刻將試件放入20℃水槽中進行融化(8h)，融化結束后擦干表面，稱取質量，測量高度。通過凍融循環(huán)5次后，進行無側限抗壓強度試驗。試驗結果如表5所示，其中RC為凍融循環(huán)前試件的無側限抗壓強度，RDC為凍融循環(huán)后試件的無側限抗壓強度，BDR為RDC/RC，即凍融循環(huán)殘留強度比。

表5 凍融循環(huán)試驗結果

根據(jù)試驗結果可以得出，采用最小空隙率法設計的混合料，經(jīng)過凍融循壞后，殘留強度比BDR高于傳統(tǒng)設計方法得到的混合料，其結構耐久性更好。主要原因在于，粒化再生集料中部分材料被水泥砂漿裹附，形成的混合結構本身強度較低，當混合料整體空隙結構較差，粗集料被較多的水泥石填充而導致骨架作用無法完全發(fā)揮，細集料和水泥形成水泥石較多產生類似懸浮結構時，混合料容易由于受到自身集料的高吸水率和外界低溫潮濕環(huán)境的耦合影響，毛細孔隙水結冰而產生凍脹和脹裂，出現(xiàn)微觀裂縫；在反復的凍融作用下，微裂縫區(qū)域不斷發(fā)展，形成宏觀微小裂縫，進一步產生應力集中現(xiàn)象；在荷載反復作用下易出現(xiàn)脫料、掉料的情況，而后發(fā)展形成應力集中區(qū)域，最終使混合料整體強度降低。因此，水泥路面板?；偕旌狭显诘蜏爻睗竦貐^(qū)應用時，基層設計上，更宜采用最小空隙率法進行級配設計，以獲得較好的骨架密實結構和較少的干縮溫縮裂縫，同時面層不宜采用大孔隙的瀝青混凝土面層，以避免雨水滲透并且應當注意路面防水，以防水滲透到基層造成凍脹破壞。

3 結 語

(1)通過比較水穩(wěn)材料現(xiàn)行規(guī)范推薦的級配設計和最小空隙率法的級配設計，發(fā)現(xiàn)規(guī)范推薦的級配在用于水泥路面板粒化再生集料時，雖然得到的混合料最大干密度更大，但按照最小空隙率法進行級配設計的混合料7d無側限抗壓強度提高7%、28d無側限抗壓強度高10%，且較少的水泥石更有利于防止再生基層干縮和溫縮裂縫的產生。

(2)通過凍融循環(huán)試驗得出，按照最小空隙率法進行級配設計的混合料，在經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，BDR值比規(guī)范推薦的級配設計方案高12%，耐久性更好。同時兩種配合比設計的混合料BDR值均低于新料。因此，水泥板?；偕牧显诘蜏氐貐^(qū)使用時，應特別注意面層防水。

(3)水泥板再生?；喜捎米钚】障堵史ㄟM行級配設計時，再生混合料的力學性能和耐久性要優(yōu)于按照傳統(tǒng)級配設計方法，且設計方法簡單，所需設計參數(shù)較少，更符合水泥混凝土路面板?；偕系奶匦?，適宜在工程應用中推廣。

[1]付佳麗.廢舊水泥混凝土路面再生利用技術的試驗研究[D]．合肥: 合肥工業(yè)大學, 2007.

[2]陳亭.水泥穩(wěn)定舊混凝土破碎集料的試驗研究[J]．哈爾濱商業(yè)大學學報：自然科學版，2003，19(3):355-358.

[3]周新鋒.水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設計及路用性能研究[D]．西安:長安大學，2005.

[4]吳軍.按最小空隙率法優(yōu)化水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料配合比組成設計方法研究[J]．交通標準化，2007，(10)：96-99.

[5]胡力群，沙愛民，翁優(yōu)靈.骨架孔隙結構水泥穩(wěn)定碎石配比設計及路用性能[J]．公路交通科技, 2006，23(6):22-26.

[6]JTG/T F20-2015,公路路面基層施工技術細則[S]．

[7]JTG E51-2009, 公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程[S]．

ExperimentalStudyofGradationDesignofGranularRecycledMixforOldConcretePavement

LI Guo-wu1, SHI Fang-zhi2, BI Wei-lin3,YANG Xiao-dong4

(1.Jinyun Highway Administration Bureau, Jinyun 321400，China; 2. Jiaxing Hi-tech Communication Evaluation Institute, Jiaxing 314001,China; 3. Department of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200090,China; 4. Lishui Highway Administration Bureau, Lishui 321000,China)

Based on the characters of the existing concrete road granulated regeneration aggregate, and using the traditional grading design method and the minimum voidage design method, the differences of the void content and the density of the recycled mix are analyzed, and the gradation designed by the minimum voidage is rational. By the comparison of the test results of the unconfined compression strength and the freeze-thaw cycles through the two different design methods, the mechanical properties and durability of the granulated regeneration aggregate are superior to the traditional method. And at the same time, the minimum voidage method is simple and need the less design parameters, thus it suits to be popularized in the future engineering.

existing concrete pavement slab; granulated regeneration; gradation design; minimum voidage method

U416.216

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2017.03.003

1671-234X(2017)03-0013-06

2017-06-14

浙江省交通科技計劃項目(2016-2-21)

李國武(1969-)，男，浙江縉云人，工程師，E-mail：jylgw@126.com。