水泥稳定基层中再生骨料的应用

摘要:由于公路养护部门处理废弃混凝土的量巨大,考虑到公路底基层或基层混合料的强度要求低,对天然骨料的需求量大,将再生骨料部分或全部代替天然骨料作为水泥稳定再生骨料混合料应用于公路底基层或基层仍是其应用的主要领域。因此开展水泥稳定再生骨料混合料配合比设计及其路用性能研究,为公路养护部门处理废弃混凝土提供技术支持和理论依据是摆在当今工程技术人员面前的重要课题而且意义重大。

关键词:水泥;基层路面;再生骨料

中图分类号:U214.15

文献标识码:B

文章编号:1005-569X(2010)06-0158-03

1 基层路面结构要求

在路面结构中,基层是直接位于面层下的结构层次,主要起承重、扩散荷载应力和改善路基水温状况的作用。为此需要对基层强度、刚度和水稳定性等方面提出要求。当然不同的路面结构型式,对基层的指标要求不尽相同。在半刚性基层沥青路面结构层中,基层的刚度较大,是主要的承重层,所承受的拉应力也较大,通常有以下几个方面的要求。

(1)具有足够的强度和刚度,能够承受车轮荷载的反复作用。在设计使用次数轴载的作用下,基层不应该产生过大的残余变形,更不应该产生剪切破坏或弯曲疲劳破坏。

(2)良好的水稳定性。从路表进入或路基渗入基层中的水不会引起基层整体性、强度和刚度明显的下降,并且在冬季有一定的承受冻融循环作用的能力。

(3)足够的抗冲刷能力。停留在基层和面层结合部位的水分在行车荷载作用下形成流动的水压力,对基层产生冲刷作用,基层对这种冲刷必须有足够的抵抗能力。

(4)比较小的收缩量。如果因温度和湿度变化而引起基层过大的收缩并出现裂缝后,这种裂缝很容易在面层上形成反射裂缝,因此希望基层收缩系数较小。由此可知,在用作路面基层时,半刚性材料必须具有良好的力学性能、水稳定性能、耐久性能、抗收缩性能等。

2 水泥稳定再生骨料基层设计控制参数

2.1 路面结构组合原则

影响路面使用性能的原因是多方面的,从原材料的选用到施工质量控制的水平,以及结构设计的合理性等均是路面使用性能的重要影响因素。建设一条优质道路的第一步就是进行合理的路面结构设计,使得既实用又经济。

路面结构组合的原则是要求整个路面结构既能经受住行车荷载和自然环境的作用,又要能充分发挥结构层材料最大效能,不同的路面组合在经济和使用上会产生不同的效果。半刚性基层沥青路面结构组合既符合沥青路面组合的一般规律,具有柔性路面的一些特征,同时由于基层水硬性材料形成“板体”,在受力行为上又具有刚性路面的一些特征。为了充分发挥各结构层材料的性能,组合时正常路面结构层强度应该从上至下递减,上层和下层之间模量比限定在一定范围内,但实际上许多半刚性材料的模量达到或超过了沥青面层,这样就事实上形成了“平装结构”或“倒装结构”。高等级半刚性基层沥青路面的结构组合同传统的柔性路面组合相比既有相同的地方,同时又具有独特的地方。因此,其路面结构组合的根本原则是:“各结构层处于最佳受力状态,为其上一层提供良好的支持,为下一层提供保护,便于养护和维修,达到最优的寿命费用效益”。

2.2 路面结构设计因素分析

目前,我国半刚性基层沥青路面的结构形式和组合基本固定。因此,路面结构设计中结构层材料的选择就比较简单,重点需要考虑各结构层厚度以及结构层的模量。合理的结构设计应该是对一定强度和厚度的结构层进行合理搭配,以使得路面的使用性能达到最优。

在路面结构设计中,经济合理始终是一个重要的制约条件,因此,在路面结构设计中,需要对其中的关键影响因素进行分析,以找出既能满足路面使用性能又经济合理的最优的结构组合。正交分析是在很多的可选方案中选取最优方案的有力的工具,它将各影响因素进行综合考虑,在总体评价的基础上做出最优选择。

在正交分析中,首先需要确定研究对象的主要影响因素。对于沥青面层,我国一般采用三层式沥青混凝土,总厚度在15～20cm之间,基本固定。底基层一般采用20～30cm厚的稳定土,同样可以认为是固定的。基层是路面结构的主要承重层,将由面层传递的荷载经过扩散后传入下层以保护土基。基层的强弱和好坏对整个路面特别是沥青路面的强度、使用性能和寿命等都有很重要的影响。因此,对于基层的强度和厚度应在路面结构设计中重点考虑。

2.3 路面结构设计影响因素

通过分析,在路面结构设计中主要考虑如下3个主要影响因素:基层厚度、基层模量和土基模量。

路面的使用性能,可以从路面表面弯沉、基层底面的拉应力和底基层底面的拉应力来反映。由于采用了半刚性基层,当模量变化较大时,沥青面层底部会从受拉状态转为受压状态。因此,选取这3个指标进行考核,它们也正是路面结构设计规范中相应的设计指标和验算指标。

以往试验和理论分析表明,各影响因素对路表弯沉的影响程度:基层模量=土基模量<基层厚度,因此若要降低路表弯沉,则应首先从基层的厚度指标出发。各影响因素对面层层底拉应力的影响程度:土基模量、基层厚度、基层模量。各影响因素对基层层底拉应力的影响程度:土基模量、基层模量、基层厚度。各影响因素对底基层层底拉应力的影响程度:基层厚度、土基模量、基层模量。

通过分析半刚性基层沥青路面的受力特点,我们不难看出控制设计的是各层层底的拉应力,尤其是基层层底的拉应力。直观和敏感性分析表明,基层的厚度和模量有着最重要的影响,而土基模量对该指标影响并不大。因此,必须控制这两个主要敏感因素的变化。

3 水泥稳定再生骨料基层力学性能研究

3.1 原材料

水泥:平塘32.5级普通硅酸盐水泥,细度为4%,初凝时间和终凝时间分别为170min、340min,3d的抗压强度和抗折强度分别为24.3MPa、4.1MPa,28d抗压强度和抗折强度分别为34.6MPa、5.6MPa,经检测其它各项指标均合格;碎石:粒径为5mm～25mm的石灰岩碎石;砂:湘江河砂,细度模数2.63,符合11区要求;细石:粒径为5mm～10mm的石灰岩碎石;再生骨料:来源是长益高速公路维修废弃的路面混凝土,经颚式破碎机破碎所得。并对其母岩强度,破碎后的堆积密度、表观密度、含泥量和空气中吸水率进行了测试。

3.2 试验方法

再生骨料性能试验均按《公路工程集料试验规程》规范执行。颗粒的级配调整参照规范《公路路面基层施工技术规范》,击实试验、无测限抗压强度试验、劈裂试验、抗压回弹试验均参照规范《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中对高等级公路水泥稳定粗粒土的要求进行。

3.3 水泥稳定再生骨料基层力学性能

水泥稳定类以其承载能力高,水稳性和冰冻稳定性好,施工方便等优点而广泛用于沥青路面基层,但水泥稳定粒料基层收缩性大,易于产生裂缝,而基层一旦开裂,不仅影响到基层的整体性和承载能力,而且可导致沥青路面结构破坏。影响水泥稳定粒料性能的主要因素有材料组成设计、施工质量及养生条件等方面。水泥稳定再生骨料混合料中掺用大量再生骨料,其粒料组成、粒料级配,水泥种类,及水泥掺量与基层性能直接相关,通过基层材料组成设计的优化可改善水泥稳定再生骨料的性能。

3.4 不同因素对水泥稳定再生骨料七天无侧限抗压强度影响研究

水泥稳定再生骨料基层为半刚性类基层,现行规范中,评价半刚性基层性能仅有七天无侧限抗压强度这一个指标,但在以往的道路施工中,有时由于过分强调混合料的无侧限饱水抗压强度,导致基层出现由其它性能不足而造成的破坏。因此在优化水泥稳定再生骨料混合料组成的基础上,还应从多方面考虑来研究水泥稳定再生骨料基层混合料的路用性能,研究不同影响因素对水泥稳定再生骨料基层力学性能的变化影响规律,为再生骨料应用于水泥稳定基层提供科学依据,可得出以下结论。

图1 七天无侧限抗压强度与再生骨料掺量关系

(1)由图1可以看出:在相同水泥剂量的条件下,再生骨料掺量和再生骨料自身性能两个方面均对水泥稳定再生骨料基层无侧限抗压强度产生影响,再生骨料掺量的影响表现的要强些,因此当再生骨料掺量在75%左右时,不同龄期下混合料的无侧限抗压强度随着再生骨料掺量的增加而增加,再生骨料掺量为75%时,强度达到最大,此后强度稍有下降。

2010年6月

绿 色 科 技

第6期

(2)水泥强度等级越高,水泥稳定再生骨料基层无侧限抗压强度也越高,32.5级平塘水泥稳定混合料的强度为4.67MPa,掺42.5级水泥的强度为5.85MPa,强度增加了1.18MPa,增幅20%,无侧限抗压强度远大于规范强度要求(3～5MPa)。建议在低强度等级水泥能满足要求的情况下,宜采用低强度等级的普通硅酸盐水泥,技术经济效益更高。

(3)不同颗粒级配对水泥稳定再生骨料基层无侧限抗压强度影响的研究表明,中限级配混合料的强度最大,其次是上限级配,强度最低的为下限级配,中、下限颗粒级配混合料七天无侧限抗压强度相差达1MPa。

(4)压实度越高,水泥稳定再生骨料混合料被压得更加密实,因此其强度越高。当压实度为98%时,其七天无侧限抗压强度最大,压实度95%时压实度最小,压实度从95%提高到98%,七天无侧限抗压强度增加了1.61MPa,增幅达到43.5%,为保证混合料的无侧限抗压强度,必须严格控制水泥稳定再生骨料混合料的压实度,使之达到规范要求,高等级公路至少要98%以上。

(5)因为未水化水泥颗粒进一步水化的缘故,水泥稳定再生骨料强度均随着龄期的增长而增加。不同水泥剂量条件下再生骨料掺量与7d、28d、90d龄期无侧限抗压强度存在较好的线性相关性,相关系数较高,均超过了0.9以上。

(6)不论水泥剂量是4%还是5%,每个龄期中不同再生骨料掺量混合料的间接抗拉强度波动很小,波动最大的也只有0.08MPa;自行研制的补平器,很好的解决了试验过程中左右两边变形相差过大的问题。在抗压回弹模量试验研究表明,不论水泥剂量是4%还是5%,随着龄期的增长,水泥稳定再生骨料混合料的抗压回弹模量值的均值也随之增加。

参考文献:

[1]

张虹,熊学忠.废弃混凝土再生骨料的特性研究[J].武汉理工大学学报,2006.28(3):64~66.

[2]李俊.再生骨料在混凝土路面快速修补中的研究与应用 [D].长沙:中南大学,2005.

[3]李征.再生骨料在道路基层中的应用[J].山西建筑,2006,32(3):168~169.

[4]杨庆国,易志坚.废弃混凝土再生骨料基层的新成型方法[J].交通科技,2007,(01):111~113.