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垂直振动压实水泥冷再生混合料劈裂强度特性
2023年03月09日    阅读量:199577    新闻来源:《长安大学学报(自然科学版)》蒋应军等  |  投稿

摘 要

为了揭示水泥冷再生混合料劈裂强度特性,基于垂直振动成型试件研究了水泥剂量、基面层回收料比例、新集料掺量、养生龄期等因素对水泥冷再生混合料劈裂强度的影响。研究结果表明:水泥冷再生混合料劈裂强度随水泥剂量增大而增大;相同水泥剂量条件下,在基面层回收料中添加新集料与未添加新集料分别制备试件,将试件所测得劈裂强度进行对比发现28d两者劈裂强度比值达到最大,28d后两者劈裂强度比值呈降低趋势,掺加的基面层回收料不同,但劈裂强度比值的曲线增长趋势相似;新集料掺量每提高20%,水泥冷再生混合料劈裂强度可提高4%~26%;水泥冷再生混合料劈裂强度随养生龄期的增长而增大,尤其前28d增长较快,28d之后增长逐渐变小并逐渐趋于平缓,因此应加强早期养生。建议当基面层比例为0:1、1:1和7:3时,回收料最大利用率分别为57%、72%和85%沥青网sinoasphalt.com


关键词 道路工程 | 振动试验法 | 水泥冷再生混合料 | 劈裂强度


0引言

冷再生技术作为一种特殊的沥青路面养护维修技术,既能充分利用旧路面废弃材料、节省筑路材料、解决废弃材料环境污染等问题,又具有简化施工工序、节约工期等优点,已引起国内外道路工作者的普遍关注[1-2]。国外Xiao等研究了不同材料组成及不同类型回收料对冷再生混合料性能的影响[3];Kavussi等通过疲劳试验研究了冷再生混合料疲劳破坏模型[4];Modarres等通过疲劳试验对再生混合料的疲劳特性进行了研究[5];Bienvenu在分析当前冷再生回收料的使用情况后研究了冷再生混合料的设计方法[6]。中国蒋应军等研究了不同压实方法对水泥稳定碎石力学性能的影响[7];王丽等在对冷再生混合料的配比和力学性能进行室内试验的基础上,探讨了冷再生混合料的力学性能及其影响因素[8];武建民等通过扫描电镜观察水泥稳定二次再生路面材料的微观结构特点,结合室内试验分析了再生路面材料性能[9];王永兵等通过室内试验研究了振动法成型水泥冷再生粒料的路用性能[10]。中国不同干线公路沥青路面结构与材料均有差异,路面结构损坏类型与程度也影响着铣刨深度,因此,铣刨料组成与性质差异较大,导致水泥冷再生混合料力学特性变得复杂[11]。目前,回收基面层材料比例、新集料掺量、水泥剂量等因素对水泥冷再生混合料力学特性的影响缺乏系统研究,且采用文献[12]中重型击实法与静压成型法,而静压成型法成型试件与现场钻芯试样的工程特性相关性不足36%,成果也不能准确反映冷再生材料的实际性能[13]。已有研究表明,垂直振动试验法能较好地模拟实际工程中机械对路面的压实效果,成型试件与路面芯样物理力学性能相关性可高达93%[13],试验结果具有代表性、可靠性和真实性[14]。基于此,本文采用垂直振动试验法深入系统地研究水泥剂量、基面层回收料比例、新集料掺量、养生龄期等因素对水泥冷再生混合料劈裂强度的影响,具有工程实际意义。


1试验材料与方案


1.1试验材料

1.1.1水泥

选用郑州天瑞牌复合硅酸盐水泥,各项技术指标见下页表1。


1.1.2新集料

新集料(VIRGINAGGREGATE,简称VAG)选取河南省许昌市禹州浅井乡石料厂石灰岩为原材料,各项技术指标见下页表2。

1.1.3路面回收集料

面层回收集料(Reclaimed Ashalt Pavement Material ,简称RAP)与基层回收集料(Reclaimed Cement Base Material,简称RCB)选取河南省S325省道许昌市境内改建工程,原面层为7cm厚沥青混凝土,原基层为18cm厚水泥稳定碎石,各项技术指标见下页表3。

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1.2试验方案


1.2.1基面层回收料比例


本文所使用的原路面为7cm厚沥青混凝土面层和18cm厚水泥稳定碎石基层,具体方案见下页表4。


1.2.2新集料掺量


考虑水泥冷再生混合料的力学性能随回收集料利用率的增加而降低,本文在回收集料中分别添加0、20%和40%的新集料,调整添加新集料后的混合料级配,以骨架密实级配为准[15]。


1.2.3矿料级配


以骨架密实级配为准确定10组水泥冷再生混合料试验级配,见下页表5。


1.2.4水泥剂量


选取3.0%、4.0%这2个水泥剂量(Ps)进行试验。

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2振动试验方法及物理力学性能


2.1振动试验方法


采用垂直振动成型方法成型试件。用垂直振动击实仪将不同含水量的水泥冷再生混合料振动击实100s,确定其最大干密度和最佳含水率[13]。


采用垂直振动击实仪将水泥冷再生混合料振动击实至98%压实度和直径15cm、高15cm的圆柱体试件[13,16]。


垂直振动击实仪要求工作频率为30Hz、上车系统为1.20kN、下车系统为1.80kN、名义振幅为1.2mm[17-19]。


2.2最大干密度和最佳含水率


垂直振动击实确定表5中10组级配的最大干密度ρdmax和最佳含水率ω0,结果见下页表6。

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2.3无侧限抗压强度


振动成型试件不同龄期无侧限抗压强度Rc见表7。

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水泥冷再生混合料无侧限抗压强度随养生龄期增长的趋势与水泥稳定碎石基本相似,在早期0~28d阶段强度增长速度较快,当龄期超过28d后强度增长速率逐渐变小,并趋于平缓,在90d以后增长幅度非常缓慢。


3劈裂强度试验结果分析


3.1试验结果及分析


振动成型试件不同龄期的劈裂强度Ri见表8。

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3.2劈裂强度影响因素


3.2.1水泥剂量的影响


根据表8中的数据可以发现,不同基面层回收料比例、不同新集料掺量、不同养生龄期水泥冷再生混合料的劈裂强度均随水泥剂量的增加而增大。增加水泥剂量可显著提升试件的劈裂强度,但过多的水泥剂量对抗裂性能不利。


3.2.2基面层回收料比例的影响


根据表8,掺入回收料试件的劈裂强度与未掺入回收料试件的劈裂强度比值曲线如下页图1所示。

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由图1可知,当基面层回收料比例分别为0:1、1:1和7:3时,龄期在28d前,两者劈裂强度比值不断上升;在28d劈裂强度比值达到最大,28d之后劈裂强度比值缓慢降低,但基面层回收料比例为7:3时的劈裂强度比值最大,基面层回收料比例为1:1时的劈裂强度比值次之,基面层回收料比例为0:1的劈裂强度比值最小,出现该现象的原因在于试件中掺加面层回收料和基层回收料的含量不同,掺加基层回收料后试件的劈裂强度更接近于由全新集料组成的试件的劈裂强度。


由图1(a)可知,龄期为28d的基面层回收料比例由0:1上升到1:1时,劈裂强度提升了12.2%,掺加相同面层回收料时,再掺入基层回收料可大幅提高劈裂强度比值;基面层回收料比例由1:1上升到7:3时,劈裂强度提升了14.5%;基面层回收料比例为7:3时相较于0:1时的劈裂强度提高了28.6%。由图1(b)可知,在龄期为28d,基面层回收料比例由0:1上升到1:1时,劈裂强度提升了16.7%;基面层回收料比例由1:1上升到7:3时,劈裂强度提升了4.8%;基面层回收料比例为7:3时相较于0:1时的劈裂强度提高了22.2%。由图1(c)可知,在龄期为28d,基面层回收料比例由0:1上升到1:1时,劈裂强度提升了6.3%;基面层回收料比例由1:1上升到7:3时,劈裂强度提升了6.0%;基面层回收料比例为7:3时相较于0:1时的劈裂强度提高了12.7%。由以上可知,掺加新集料含量较低时,再掺入基层回收料可大幅提高水泥冷再生混合料的劈裂强度;但当新集料掺量较多时,再掺加基层回收料对提高水泥冷再生混合料的劈裂强度效果逐渐减弱。同样,在水泥剂量Ps为4.0%时也有类似的变化规律和现象。


3.2.3新集料掺量的影响


新集料掺量对水泥冷再生混合料劈裂强度的影响见下页表9。表中Ri(0)、Ri(20)、Ri(40)表示新集料掺量分别为0、20%和40%时的劈裂强度。

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由表9可知,与不添加新集料相比,掺加新集料20%的水泥冷再生混合料的劈裂强度可提高4%~29%,掺加新集料40%时可提高8%~44%。由此可知,新集料掺量每提高20%,劈裂强度提高4%~26%。为了能够最大程度利用回收料,建议在满足水泥冷再生混合料强度标准的前提下,尽量降低新集料掺量。


3.2.4养生龄期的影响


不同基面层比例、新集料掺量和养生龄期对水泥冷再生混合料Ri(T)/Ri(∞)值的影响见下页图2。图中Ri(T)/Ri(∞)表示养生龄期为T与无数天时两者对应的劈裂强度比值。


由图2可知,水泥冷再生混合料的劈裂强度比值随龄期的增长而不断增大,各条曲线有所不同,但其斜率随龄期的增加而逐渐减小,且有着相似的变化规律。当龄期到达7d,其增长幅度最大;当龄期到达28d,其增长幅度逐渐变小当龄期到达60d,其增长幅度已经明显减小,曲线趋向平缓,最终将无限接近于极限值。


3.2.5与抗压强度之间关系


对比表7和表8可知:当基面层比例分别为0:1、1:1、7:3时,水泥冷再生混合料的抗压强度与劈裂强度比值范围分别为9.1~10.2、9.1~10.2、8.9~11.2。冷再生混合料无侧限抗压强度与劈裂强度比值有着良好的线性关系:Rc=9.78Ri,且不同试件劈裂强度随龄期增加的情况与抗压强度试验结果类似,这与已有研究结论相符[20]。

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3.3劈裂强度增长模型


根据已有研究[21],假设水泥冷再生混合料劈裂强度增长方程为

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根据式(1)分析表8中的数据,分析得到回归系数见下页表10。


由表10可知,判定系数R^2≥0.99,表明式(1)用于预测水泥冷再生混合料劈裂强度增长规律具有很强的实用价值。

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3.4新集料、基面层回收料最佳比例


水泥冷再生混合料95%保证率下,7d抗压强度与劈裂强度与新集料掺量之间的关系见下页图3。


由图3可知,水泥剂量和新集料掺量对水泥冷再生混合料强度影响最为显著。增大水泥剂量尽管可以提高水泥冷再生混合料的劈裂强度,但水泥剂量过大对路面的抗裂性能不利,且不经济;加入新集料能大幅改善水泥冷再生混合料的劈裂强度,但影响经济性,且不能充分利用回收的废旧集料。


已有研究提出水泥冷再生混合料强度设计标准[22]:水泥冷再生全面层回收料7d抗压强度大于等于3.5MPa,7d劈裂强度大于等于0.35MPa;水泥冷再生基面层混合回收料7d抗压强度大于等于4.0MPa,7d劈裂强度大于等于0.40MPa。结合该标准,当基面层比例为0∶1,水泥剂量为3.0%时,至少需要添加43%的新集料;水泥剂量为4.0%时,至少需要添加30%的新集料。即回收集料最大利用率为57%~70%;当基面层比例为1∶1,水泥剂量为3.0%时,至少需要添加28%的新集料;水泥剂量为4.0%时,无需添加新集料强度即可满足要求。即回收集料最大利用率为72%~100%;当基面层比例为7∶3,水泥剂量为3.0%时,至少需要添加15%的新集料;水泥剂量为4.0%时,无需添加新集料强度即可满足要求。即回收集料最大利用率可达85%~100%。建议基面层回收料比例为0∶1、1∶1和7∶3时,回收集料利用率分别为57%、72%和85%。


4结语


(1)研究了掺与不掺新集料、基面层比例对水泥冷再生混合料劈裂强度的影响,结果表明:28d两者劈裂强度比值达到最大;28d后两者劈裂强度比值呈降低趋势;基面层回收料比例增加,可提高其劈裂强度比值。


(2)研究了新集料掺量对水泥冷再生混合料劈裂强度的影响,结果表明:随着新集料掺量增加,水泥冷再生混合料劈裂强度随之增大;新集料掺量增加20%,水泥冷再生混合料劈裂强度提高4%~26%。


(3)基于水泥冷再生混合料劈裂强度特性、抗裂性能、回收料最大化利用等因素,建议当基面层比例为0:1、1:1和7:3时,回收料最大利用率分别为57%、72%和85%。


(4)上述研究成果尚需通过实际工程应用予以验证,并作进一步补充和完善。


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