易華森

(湖南省高速公路集團(tuán)有限公司 益陽分公司, 湖南 益陽 413000)

再生集料是經(jīng)過一段時間使用的路面材料,盡管能滿足基層材料的性能要求,但經(jīng)過荷載的反復(fù)作用會出現(xiàn)與水泥穩(wěn)定碎石基層不同的疲勞特性,對水泥冷再生混合料基層的疲勞特性進(jìn)行分析是道路養(yǎng)護(hù)維修的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-3]。目前對水泥冷再生混合料基層疲勞特性的試驗研究及現(xiàn)場跟蹤檢測研究較少。魏翻等進(jìn)行冷再生混合料基層配合比設(shè)計,確定舊路面材料與新集料摻配比例為7∶3[4]。陳發(fā)東研究水泥冷再生混合料的承載力,發(fā)現(xiàn)加載循環(huán)作用120 萬次后冷再生基層材料未發(fā)生疲勞開裂,再生混合料具有良好的耐久性[5]。易勇等分析冷再生混合料的力學(xué)性能,得出了現(xiàn)場冷再生混合料強(qiáng)度影響因素、施工工藝參數(shù)及施工注意事項[6]。本文研究不同水泥摻量冷再生混合料基層的力學(xué)性能和疲勞特性,并采用ARIMA(自回歸積分滑動平均)模型預(yù)測其損壞狀況指數(shù),分析其疲勞特性衰減趨勢,為施工技術(shù)選擇、配合比設(shè)計、參數(shù)選取、路用性能預(yù)測提供指導(dǎo)。

1 原材料及配合比設(shè)計

1.1 原材料

(1) 水泥。根據(jù)試驗路段實際情況,選擇32.5普通硅酸鹽水泥,其技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1,均滿足規(guī)范要求。

表1 水泥的技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

(2) 舊集料。采用由舊瀝青路面銑刨處理后回收的集料,其表面附著瀝青,將集料風(fēng)干后得到干燥集料并進(jìn)行篩分試驗,結(jié)果見表2。

表2 舊集料篩分試驗結(jié)果

(3) 新集料。根據(jù)舊集料篩分結(jié)果,舊集料中中間粒徑顆粒居多,細(xì)集料和粗集料顆粒較少。在舊集料中加入0～5 mm天然砂、10～30 mm碎石,其物理、力學(xué)指標(biāo)符合要求。

1.2 配合比設(shè)計

力學(xué)性能是評價冷再生基層材料基本性能的重要指標(biāo)[7]。根據(jù)再生混合料級配要求,舊集料與新集料占混合料的比例分別為30%、70%,再生混合料合成級配見表3。按照4%、5%、6%、7%的摻量將水泥加入再生混合料中,不同水泥摻量冷再生混合料的最佳含水率分別為7.1%、7.4%、7.9%、8.0%,最大干密度分別為1.97 g/cm3、2.02 g/cm3、2.03 g/cm3、2.04 g/cm3。

表3 再生混合料的合成級配

2 試驗方法

分別按4%、5%、6%、7%水泥摻量配制冷再生混合料試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗,得到最佳水泥摻量,同時分析不同養(yǎng)護(hù)齡期下再生混合料的強(qiáng)度變化。

水泥冷再生混合料基層力學(xué)性能試驗:按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式對不同水泥摻量冷再生混合料試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù),采用電液伺服萬能壓力試驗機(jī)測試試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度。

水泥冷再生混合料基層疲勞試驗:采用應(yīng)力控制模式進(jìn)行疲勞試驗,加載波形為無間隔的正弦,加載頻率為10 Hz。

3 水泥冷再生混合料基層疲勞性能分析

通過抗壓強(qiáng)度試驗和疲勞試驗分析4%、5%、6%、7%水泥摻量冷再生混合料基層的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、疲勞作用次數(shù),評價其力學(xué)強(qiáng)度和疲勞性能。

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

分別成型不同水泥摻量冷再生混合料試件,試件尺寸為φ150 mm×150 mm,養(yǎng)護(hù)7 d、28 d、60 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗,試驗結(jié)果見圖1。

圖1 不同水泥摻量冷再生混合料基層的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖1可知:隨著養(yǎng)護(hù)齡期和水泥摻量的增加,冷再生混合料基層的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。不同水泥摻量時,7 d養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度值大于規(guī)范要求;養(yǎng)護(hù)齡期為7～21 d時無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長速率較快,抗壓強(qiáng)度發(fā)育處于形成期;21～60 d時無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長較緩慢;養(yǎng)護(hù)齡期60 d后強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。水泥摻量增加,冷再生混合料基層的抗壓強(qiáng)度增大,水泥摻量是冷再生混合料基層抗壓強(qiáng)度形成的重要影響因素。相同養(yǎng)護(hù)齡期下,水泥摻量4%～6%冷再生混合料基層強(qiáng)度增長速率大于水泥摻量7%冷再生混合料基層強(qiáng)度增長速率。添加水泥的冷再生混合料基層的強(qiáng)度變化與水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律相符。

3.2 彎拉強(qiáng)度

彎拉強(qiáng)度反映基層底部抗拉特性,若混合料基層結(jié)構(gòu)彎拉性能較低,結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生自下而上的裂縫破壞。成型100 mm×100 mm×400 mm不同養(yǎng)護(hù)齡期下不同水泥摻量冷再生混合料試件,通過三點加壓方式測試試件破壞時彎拉強(qiáng)度,分析不同養(yǎng)護(hù)齡期下不同水泥摻量冷再生混合料基層的彎拉強(qiáng)度,試驗結(jié)果見圖2。

圖2 不同水泥摻量冷再生混合料基層的彎拉強(qiáng)度

由圖2可知:隨著水泥摻量的增加,相同養(yǎng)護(hù)齡期下冷再生混合料基層的彎拉強(qiáng)度增大,這是因為水泥摻量增加,混合料中水泥漿填充再生集料的空隙,水泥水化產(chǎn)生碳酸鈣及氫氧化鈣等具有黏結(jié)性的物質(zhì),集料表面黏結(jié)強(qiáng)度提高,將再生集料和新集料黏結(jié)形成整體結(jié)構(gòu),且隨養(yǎng)護(hù)時間增長,水化反應(yīng)更完全,混合料的彎拉強(qiáng)度增大。相比于養(yǎng)護(hù)齡期7 d時彎拉強(qiáng)度,養(yǎng)護(hù)齡期21 d時4%、5%、6%、7%水泥摻量冷再生混合料的彎拉強(qiáng)度分別提高38%、39%、42%、40%。相同養(yǎng)護(hù)齡期時,水泥摻量增加到7%時,再生混合料基層的強(qiáng)度增長較慢,且小于水泥摻量為6%時的增長速率,主要是由于水泥摻量增加引起混合料基層干縮變化,混合料產(chǎn)生干縮裂縫,混合料彎拉強(qiáng)度增長不明顯。冷再生混合料基層的水泥摻量不宜超過6%。

3.3 疲勞性能

基層承受由面層傳遞的荷載,在荷載反復(fù)作用下基層產(chǎn)生疲勞破壞。為研究水泥冷再生混合料基層的耐久性能,分析養(yǎng)護(hù)齡期60 d時4%、5%、6%水泥摻量冷再生混合料基層的疲勞性能。采用威布爾兩參數(shù)法分析0.3、0.4、0.5、0.6應(yīng)力比下水泥冷再生混合料基層的疲勞壽命,得到失效概率為0.05時應(yīng)力-疲勞壽命雙對數(shù)疲勞方程(見表4)和疲勞曲線見圖3。

圖3 失效概率為0.05時不同水泥摻量冷再生混合料基層的疲勞曲線

表4 不同應(yīng)力比下水泥冷再生混合料基層的疲勞試驗結(jié)果及疲勞方程

由表4和圖3可知:相同應(yīng)力比下,水泥摻量為4%～6%時,隨著水泥摻量的增加,冷再生混合料基層的疲勞壽命增大;水泥摻量大于7%時,冷再生混合料基層的疲勞壽命降低,盡管增加水泥摻量能改善混合料的抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度,但冷再生混合料基層的使用壽命略有下降。相同水泥摻量下,應(yīng)力比越大,冷再生混合料基層的疲勞壽命越小。不同水泥摻量冷再生混合料基層的應(yīng)力-疲勞壽命雙對數(shù)疲勞方程的相關(guān)系數(shù)大于0.95。疲勞方程中斜率越大,再生混合料的敏感性越強(qiáng),即隨著應(yīng)力比的增大,水泥冷再生混合料基層疲勞壽命的衰減速率越快;截距越大,水泥冷再生混合料基層的抗疲勞性能越好。水泥摻量為6%時,疲勞方程的相關(guān)系數(shù)最大,水泥冷再生混合料基層的疲勞性能最好,耐久性最穩(wěn)定。

4 冷再生混合料基層疲勞特性衰減預(yù)測

采用時間序列法預(yù)測水泥摻量為6%時冷再生混合料基層疲勞特性發(fā)展趨勢[8-9]。

(1) 在SPPS 21.0軟件中建立時間序列對水泥冷再生混合料基層的疲勞壽命進(jìn)行處理,輸出預(yù)測混合料基層損壞狀況指數(shù)的時間序列、自相關(guān)及偏自相關(guān)系數(shù)(見圖4、圖5)。

圖4 水泥冷再生混合料基層的自相關(guān)系數(shù)

圖5 水泥冷再生混合料基層的偏自相關(guān)系數(shù)

(2) 進(jìn)行模型識別,通過對表5所示數(shù)據(jù)的分析,確定采用ARIMA(p,q)模型形式。對模型 ARIMA(1,1)、ARIMA(1,2)、ARIMA(2,1)、ARIMA(2,2)進(jìn)行模型擬合度檢驗,選取可決系數(shù)R2最佳的模型作為預(yù)測模型。

表5 自相關(guān)和偏相關(guān)系數(shù)

(3) 對p、q取不同的值,得到表6所示不同模型的相關(guān)參數(shù)。對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析,得到水泥冷再生混合料基層疲勞特性衰變趨勢ARIMA預(yù)測模型,模型表達(dá)式見式(1)。

表6 預(yù)測模型參數(shù)

yt=90.416+1.708yt-1-0.849yt-2+εt+

0.998εt-1

(1)

(4) 運用ARIMA模型對水泥冷再生混合料基層損壞狀況指數(shù)進(jìn)行預(yù)測,分析疲勞特性衰變趨勢[10],預(yù)測值與實測值的比較見圖6。

圖6 水泥冷再生混合料基層損壞狀況指數(shù)預(yù)測值與實測值對比

由圖6可知:水泥冷再生混合料基層損壞狀況指數(shù)預(yù)測值與實測值吻合較好,采用ARIMA預(yù)測模型對水泥冷再生混合料基層疲勞特性衰變趨勢進(jìn)行預(yù)測,誤差可控制在5%左右。

5 結(jié)論

(1) 水泥冷再生混合料配合比設(shè)計中,水泥摻量不宜過大,否則將影響水泥冷再生混合料基層的耐久性;為保證混合料的力學(xué)性能,再生集料摻量以20%為宜。

(2) 水泥摻量增加能改善再生集料表面黏結(jié)強(qiáng)度,冷再生混合料的力學(xué)強(qiáng)度增大;水泥摻量超過7%時,冷再生混合料基層的彎拉強(qiáng)度增長較慢,干縮變化大,基層易開裂。推薦水泥摻量為6%。

(3) 對水泥冷再生混合料基層的疲勞壽命進(jìn)行分析,得到失效概率為0.05時應(yīng)力-疲勞壽命雙對數(shù)疲勞方程,相關(guān)系數(shù)大于0.95。水泥摻量為6%時,疲勞方程的相關(guān)系數(shù)最大,基層的疲勞性能最好,耐久性最穩(wěn)定。

(4) 采用ARIMA模型對水泥冷再生混合料基層損壞狀況指數(shù)進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測值與實測值接近,可將ARIMA模型作為水泥冷再生混合料基層疲勞特性衰變評價方法。