喬向軍, 拾方治,高種晟

(1.包頭市市政設(shè)計(jì)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093；3.嘉興市高新交通技術(shù)測評研究院，浙江 嘉興 314000)

0 引 言

水泥穩(wěn)定全深式就地再生技術(shù)是將舊路面材料(包括面層、基層材料)經(jīng)過銑刨、回收、破碎和篩分，再與適量新集料和穩(wěn)定劑共同拌合，重新形成能夠滿足設(shè)計(jì)要求的再生混合料，現(xiàn)場經(jīng)過攤鋪、壓實(shí)，形成具有一定承載能力的路面結(jié)構(gòu)層的再生方法。因其所需成本較低、能耗較少、能夠以高效率和高質(zhì)量保證路面現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)施工，目前在國內(nèi)外普遍開展應(yīng)用。以瀝青面層銑刨料以及水穩(wěn)基層銑刨料為主要原材料進(jìn)行全深式再生利用的混合料作為路面基層或底基層，其強(qiáng)度主要取決于水泥作為穩(wěn)定劑水化后的強(qiáng)度；水泥穩(wěn)定全深式就地再生基層材料一直按照傳統(tǒng)的配合比設(shè)計(jì)，采用規(guī)范推薦的水泥用量，通過室內(nèi)試驗(yàn)確定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是否滿足規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。存在的問題有：(1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的水泥添加劑量難以保證不同舊路段所銑刨的原材料滿足水穩(wěn)再生材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，而按照無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)依次檢驗(yàn)水泥劑量為3%～8%的全深式水穩(wěn)再生材料強(qiáng)度值，不僅所需試驗(yàn)量大而且重復(fù)性高。亟需借助根據(jù)水泥劑量能夠確定水穩(wěn)再生材料強(qiáng)度的預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，規(guī)范水穩(wěn)再生基層配合比設(shè)計(jì)。(2)由于缺少值得借鑒的水穩(wěn)再生材料強(qiáng)度方程，不同地區(qū)水穩(wěn)全深式就地冷再生項(xiàng)目的試驗(yàn)數(shù)據(jù)難以相互借鑒參考，導(dǎo)致該項(xiàng)再生技術(shù)目前只停留在地方上相互探討施工技術(shù)，難以統(tǒng)一強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，無法形成全國性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

國內(nèi)外學(xué)者對水泥穩(wěn)定碎石類材料的抗壓強(qiáng)度作了大量研究。劉燕燕[1]等人對不同成型方式下水泥穩(wěn)定碎石基層力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行了分析；張石友[2]于2015年提出了不同水泥摻量的指數(shù)型水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型；長安大學(xué)公路學(xué)院于淼[3]等人在2018年提出了包含修正系數(shù)的水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度對數(shù)函數(shù)預(yù)測方程。但是，針對水泥穩(wěn)定全深式就地冷再生材料抗壓強(qiáng)度取值研究較少，且沒有提出合理的強(qiáng)度預(yù)測經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

通過大量實(shí)驗(yàn)研究，建立水穩(wěn)全深式再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型，來確定不同水泥摻量以及不同舊瀝青混凝土含量再生混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，不僅能夠解決當(dāng)前水泥穩(wěn)定再生材料配合比設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題，而且能夠驗(yàn)證施工完成的水泥穩(wěn)定再生基層強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，并對實(shí)際工程中的質(zhì)量控制具有積極指導(dǎo)意義。

1 水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度預(yù)測方程

長安大學(xué)于淼[3]通過對水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素分析，對大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析模擬，提出了靜壓條件成型下，97%保證率[4]下得到不同養(yǎng)生齡期以及不同水泥劑量的水穩(wěn)碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測方程，見式(1)：

Ra=0.071ilnt+0.273lnt+0.263i+1.466

(1)

式中：Ra為抗壓強(qiáng)度，MPa；t為齡期，d；i為水泥劑量，%。

在此基礎(chǔ)上，引入水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度修正系數(shù)，以靜壓成型GM型混合料時(shí)的強(qiáng)度方程為基準(zhǔn)方程，通過混合料級配類型修正系數(shù)Kj，成型方式修正系數(shù)Kc，對不同級配類型、成型方式的混合料強(qiáng)度進(jìn)行修正。修正后的水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度預(yù)測方程為式(2)，Kj、Kc取值見表1。

Ra=KjKc(0.071ilnt+0.273lnt+0.263i+1.466)

(2)

表1 級配類型修正系數(shù)與成型方式修正系數(shù)

注：骨架密實(shí)型級配(GM)、懸浮密實(shí)型級配(XM)。

2 水泥穩(wěn)定再生混合料抗壓強(qiáng)度預(yù)測方程

水泥穩(wěn)定全深式就地再生混合料配合比設(shè)計(jì)基本沿襲水泥穩(wěn)定碎石[5]，且水泥穩(wěn)定全深式就地再生混合料是將水穩(wěn)中的碎石用銑刨料替代，重新篩分，添加新料滿足級配設(shè)計(jì)要求。理論上，可將水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度預(yù)測方程為模型，進(jìn)行合理的修正得到水穩(wěn)再生混合料抗壓強(qiáng)度預(yù)測方程。以浙江省桐鄉(xiāng)市某路段為實(shí)際工程依托項(xiàng)目，對再生材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析[6-7]。

2.1 再生混合料級配特性

選取該路段的全深式銑刨料，按照6cm舊瀝青面層銑刨料+9cm舊水穩(wěn)基層銑刨料的摻配比，相當(dāng)于舊瀝青混凝土摻量為40%的方案進(jìn)行再生混合料組合。采用懸浮密實(shí)級配，通過水洗法篩分，級配曲線如圖1所示。

圖1 再生混合料的級配曲線

2.2 再生混合料最大干密度與最佳含水量

確定再生混合料的最佳含水量和最大干密度，依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)中“無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實(shí)試驗(yàn)方法”(T0804)進(jìn)行。確定的再生混合料的最大干密度為2.096g/cm3，最佳含水量6.5%。其擊實(shí)曲線如圖2所示。

圖2 再生混合料的擊實(shí)曲線

2.3 不同水泥摻量確定的水泥穩(wěn)定全深式就地再生混合料抗壓強(qiáng)度預(yù)測方程

根據(jù)式(2)，可以擬定水泥穩(wěn)定全深式就地冷再生混合料抗壓強(qiáng)度的方程，見式(3)：

Ra=KjKc(0.071ilnt+0.273lnt+0.263i+1.466)Kz

(3)

式中：Ra為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；t為齡期，d；i為水泥劑量，%；Kj為級配類型修正系數(shù)；Kc為成型方式修正系數(shù)；Kz為水泥穩(wěn)定全深式再生混合料修正系數(shù)。

再生混合料屬于懸浮密實(shí)型級配，且靜壓成型，根據(jù)表1，可取Kj為0.946，Kc為1.000。不同水泥摻量水穩(wěn)再生混合料在7d及28d養(yǎng)生齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表2所示。

表2 不同水泥摻量下水穩(wěn)再生混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(單位：MPa)

通過養(yǎng)護(hù)7d的不同水泥摻量下，水穩(wěn)再生混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)與式(3)擬合，進(jìn)行線性回歸分析，得到Kz為0.71。用28d養(yǎng)護(hù)齡期不同水泥劑量的水穩(wěn)再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值為驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 水穩(wěn)再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)測值與方程預(yù)測值關(guān)系

通過計(jì)算得到，7d養(yǎng)護(hù)齡期下，實(shí)測值與預(yù)測方程R2為0.983；28d養(yǎng)護(hù)齡期下，實(shí)測值與預(yù)測方程R2為0.971。即預(yù)測模型與實(shí)測值具有很好的相關(guān)性?？梢缘玫綉腋∶軐?shí)型級配，該路段水泥穩(wěn)定全深式再生混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與不同水泥劑量的預(yù)測方程，如式(4)：

Ra=KjKc(0.071ilnt+0.273lnt+0.263i+1.466)Kz

=0.946×1.0×(0.071ilnt+0.273lnt+0.263i+1.466)×0.71

=0.047ilnt+0.184lnt+0.177i+0.985

(4)

式中：Ra為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；t為齡期，d；i為水泥劑量，%。

通過基于水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度的預(yù)測方程，數(shù)據(jù)擬合回歸分析水泥穩(wěn)定全深式就地再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)生齡期、水泥劑量的變化關(guān)系，確定了具有較高擬合精度的水泥穩(wěn)定全深式就地再生混合料強(qiáng)度預(yù)測方程。經(jīng)驗(yàn)證，具有較高的可靠度，可為不同料源、不同最佳用水量、基于水泥劑量以及養(yǎng)護(hù)齡期的水泥穩(wěn)定全深式就地再生混合料的抗壓強(qiáng)度參數(shù)取值提供參考。

3 不同料源和舊瀝青混凝土摻配比的強(qiáng)度預(yù)測方程

為能使所建立的水穩(wěn)再生混合料強(qiáng)度預(yù)測方程適用性更廣、預(yù)測性更準(zhǔn)，有必要研究不同舊瀝青混凝土摻量以及不同料源的銑刨料與水泥穩(wěn)定再生混合料強(qiáng)度相關(guān)性，進(jìn)而建立相同料源下不同舊瀝青面層銑刨料摻量下水穩(wěn)再生混合料強(qiáng)度預(yù)測方程，以及不同料源下相同舊瀝青面層銑刨料摻量下水穩(wěn)再生混合料強(qiáng)度預(yù)測方程。

3.1 同種料源不同舊瀝青混凝土含量的水穩(wěn)再生混合料強(qiáng)度預(yù)測方程

按照無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，選取同一個(gè)料源地C，分別按27%、40%和50%不同的舊瀝青面層摻量與舊水穩(wěn)碎石基層銑刨料混合，得到C-1、C-2和C-3三種組合方案的再生混合料，水泥劑量為5%，對不同摻量舊瀝青面層銑刨料的水泥穩(wěn)定再生混合料進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同舊瀝青混凝土含量的再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(單位：MPa)

由2.3節(jié)推導(dǎo)，可以得到C-2的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測方程，如式(5)：

Rc-2=Ra=0.047ilnt+0.184lnt+0.177i+0.985,i=0.5

(5)

根據(jù)相關(guān)研究成果，相同料源，舊瀝青混凝土含量與再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度成線性變化，因此，在水泥劑量相同的條件下，擬定C-1和C-3的強(qiáng)度預(yù)測方程為式(6)和式(7)：

Rc-1=KL1×Rc-2

(6)

Rc-3=KL2×Rc-2

(7)

式中，KL1和KL2為C-1和C-2的修正系數(shù)。

通過式(5)，可以確定C-2的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測值(如表4所示)，進(jìn)而根據(jù)預(yù)測公式擬合C-1及C-3的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線(見圖4)，得到相同料源不同瀝青混凝土含量修正系數(shù)KL的取值。

表4 不同舊瀝青混凝土含量的再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測值(單位：MPa)

以RC-2強(qiáng)度預(yù)測公式擬合的RC-1和RC-3見式(8)和式(9)：

Rc-1=KL×Rc-2=1.156×Rc-2

(8)

Rc-3=KL×Rc-2=0.864×Rc-2

(9)

綜上得到了相同料源舊瀝青混凝土摻配比為27%、40%和50%的再生混合料摻量修正系數(shù)比為1.156:1:0.864。因此得到同一批銑刨料，不同舊瀝青混凝土摻量的水穩(wěn)再生混合料的強(qiáng)度預(yù)測方程，可用于水泥穩(wěn)定再生混合料配合比設(shè)計(jì)，明確舊瀝青混凝土的摻配比。以實(shí)驗(yàn)室具有代表性的樣本數(shù)據(jù)取樣標(biāo)定，根據(jù)方程可預(yù)測不同舊面層銑刨料摻配比下的水穩(wěn)再生混合料抗壓強(qiáng)度。

圖4 不同舊瀝青混凝土含量的再生混合料抗壓強(qiáng)度擬合曲線

3.2 不同料源相同舊瀝青混凝土含量的再生混合料強(qiáng)度預(yù)測方程

為評價(jià)不同料源地的再生混合料抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，按照同樣的試驗(yàn)方法，選取不同地方進(jìn)行水泥穩(wěn)定再生的銑刨料C、D和E，相同的舊瀝青混凝土摻配比，即再生混合料的組合方案按照6cm舊瀝青面層銑刨料+9cm舊水穩(wěn)基層銑刨料的摻配比，相當(dāng)于舊瀝青混凝土摻量為40%的方案進(jìn)行組合。C-2、D-2和E-2再生混合料分別添加3%、4%、5%和6%水泥，在最佳含水量的條件下成型試件，養(yǎng)護(hù)7d進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5所示。

表5 不同水泥劑量下不同料源的再生混合料抗壓強(qiáng)度(單位：MPa)

由式(4)可確定養(yǎng)護(hù)齡期為7d時(shí)，C-2組合方案料源的強(qiáng)度預(yù)測方程為式(10)：

Rc-2=0.2696i+1.342

(10)

式中，i為水泥劑量，%。

根據(jù)擬合公式與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得到不同水泥劑量下不同料源的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合曲線，如圖5所示。

圖5 不同水泥劑量的再生混合料抗壓強(qiáng)度擬合曲線

即：RD-2=Ka×RC-2+b=1.815×RC-2-1.439=0.489×RC-2+0.997

(11)

RE-2=Ka×RC-2+b=2.361×RC-2-2.691=0.636×RC-2+0.478

(12)

式(11)中，Ka取1.815，b取-1.439，相關(guān)系數(shù)R2為0.9938；式(12)Ka取2.361，b取-2.691，相關(guān)系數(shù)R2為0.9867。兩者擬合都具有非常強(qiáng)的線性相關(guān)?？梢罁?jù)已有的C試點(diǎn)項(xiàng)目水泥穩(wěn)定再生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)測方程得到D點(diǎn)、E點(diǎn)在相同成型條件以及舊瀝青混凝土摻配比時(shí)，不同水泥劑量確定的水泥穩(wěn)定再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。在水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)中給出理論參考推薦值。進(jìn)而可根據(jù)同一料源不同舊瀝青混凝土摻配比的強(qiáng)度預(yù)測方程，得到適用于該地的舊瀝青面層摻配比。

4 結(jié) 語

依據(jù)大量試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，通過建立合理的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型，確定不同水泥摻量以及不同舊瀝青混凝土摻配比的水泥穩(wěn)定再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，得到以下主要結(jié)論：

(1)基于水穩(wěn)碎石混合料強(qiáng)度公式，確定了依托工程項(xiàng)目水泥穩(wěn)定全深式就地冷再生混合料的強(qiáng)度預(yù)測方程，經(jīng)驗(yàn)證具有較高的可靠度，可為不同料源、不同最佳用水量，基于水泥劑量以及養(yǎng)護(hù)齡期的水泥穩(wěn)定全深式就地再生混合料的抗壓強(qiáng)度參數(shù)取值提供參考。

(2)采用預(yù)估模型分別得到了相同料源下不同舊瀝青混凝土含量的水穩(wěn)再生混合料強(qiáng)度預(yù)測方程，以及不同料源下相同舊瀝青混凝土含量的水穩(wěn)再生混合料強(qiáng)度預(yù)測方程。方程與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)較好的擬合效果，可縮短水穩(wěn)再生混合料配合比設(shè)計(jì)過程中力學(xué)參數(shù)的測試周期。

(3)強(qiáng)度預(yù)測方程作為強(qiáng)度預(yù)測的一種手段，為水泥穩(wěn)定全深式就地冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)提供參考借鑒，同時(shí)仍然需要室內(nèi)試驗(yàn)對公式進(jìn)行標(biāo)定，才能夠使得水泥穩(wěn)定全深式就地冷再生混合料強(qiáng)度預(yù)測方程有更高的準(zhǔn)確度。