垂直振动压实水泥冷再生混合料的回弹模量特性

李国伟，陈 豫，薛金顺，蒋应军，刘延金

垂直振动压实水泥冷再生混合料的回弹模量特性

李国伟1，陈 豫2，薛金顺3，蒋应军3，刘延金3

(1.河南省三门峡至淅川高速公路项目有限公司，河南三门峡 472000;2.金华市城区公路管理段，浙江金华 321000;3.长安大学公路学院，陕西西安 710064)

采用垂直振动试验研究了养生龄期、基面层回收料比例、新集料掺量、水泥剂量等因素对水泥冷再生混合料(CCRM)室内抗压回弹模量的影响。结果表明:CCRM的7 d模量约为极限模量的40%，28 d模量约为极限模量的80%，90 d模量约为极限模量的90%;随着基面层回收料比例增加，CCRM模量有所增大，CCRM 90 d模量约为水泥稳定碎石的0．5～0．7倍;与不掺新集料的CCRM相比，掺20%新集料CCRM的极限模量提高3%～18%，掺40%新集料CCRM的极限模量提高13% ～29%;CCRM模量随水泥剂量的增加而增大，但幅度不大。

道路工程;水泥冷再生混合料;垂直振动试验法;回弹模量

0 引言

近几年，水泥冷再生技术在沥青路面养护中被广泛应用，国内外道路工作者对此也开展了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果［1］。国外，Issa等研究了影响水泥冷再生混合料(Cement Cold Recycling Mixtures，简称CCRM)强度的因素，指出水泥剂量、回收料掺量、养生时间等对CCRM的物理力学特性有着重要的影响［2-5］;Alex研究了室内成型CCRM试件与现场芯样的力学性能，指出两者对混合料的工程特性影响差别不大［6］;Michael通过对冷再生混合料的设计方法进行研究，指出满足设计要求的最大回收料掺量为75%［7］。国内，陈向上等研究了CCRM的力学性能影响因素，揭示了回收料级配及添加剂对 CCRM的作用机理;曾石发等研究了CCRM疲劳特性的影响因素，指出CCRM在较低应力水平下疲劳性能较优，且其敏感性相对于普通半刚性基层材料较优［8-9］;苗乾等通过对比分析振动和静压2种成型方法对水泥稳定冷再生混合料试件抗压强度的影响，指出采用振动成型法能提升水泥稳定冷再生混合料的性能，从而有助于路面承载能力以及稳定性的提升;刘涛等人分析了水泥冷再生混合料路用性能的影响因素，提出采用旋转压实方法来确定混合料的最佳含水量和最大干密度［10-11］;曾梦澜等人通过研究冷再生沥青路面的结构组合形式，提出应采用改建路面设计方法对冷再生沥青路面厚度进行设计［12］。

目前对CCRM回弹模量的研究相对较少，而作为再生沥青路面结构设计的重要参数之一，回弹模量对路面结构组合设计有着重要影响，因此，研究CCRM回弹模量的变化规律具有重要意义。其次，目前对冷再生混合料性能的研究大多采用静压法成型试件，而相关研究表明，室内静压法成型的试件与现场芯样的相关性较差，这就使得静压法成型的试件无法揭示冷再生材料本质属性及其内在规律，致使难以有效地指导冷再生材料优化设计，无法为路面设计提供准确参数［13］，而垂直振动试验法成型的试件与路面芯样的物理力学性能相关性可达90%［14］。因此，本文依托河南省S325省道许昌市境内改建工程，采用垂直振动试验法，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CCRM抗压回弹模量的影响。

1 原材料与研究方案

1．1 原材料

水泥采用郑州天瑞牌复合硅酸盐水泥;新集料采用河南许昌浅井乡生产的石灰岩碎石;路面回收集料为面层回收集料(Reclaimed Asphalt Pavement Material，简称RAP)与基层回收集料(Reclaimed Cement Base Material，简称 RCB)。

1．2 研究方案

(1)基面层回收料比例。S325省道许昌市境内改建工程原面层为7 cm厚沥青混凝土(3 cm AC-13和4 cm AC-16)，原基层为18 cm厚水泥稳定碎石。根据原路面铣刨情况选取3种基面层材料比例进行研究，分别为沥青面层全铣刨;基层部分、沥青面层全部铣刨;基层全部、面层全部铣刨。对应室内基面层比例为0∶1、1∶1、7∶3。路面结构具体铣刨厚度见表1。

表1 路面结构铣刨厚度

(2)新集料掺量(VAG)。为了改善回收集料的级配，在回收集料中分别掺20%和40%的新集料，以研究新集料掺量对CCRM模量的影响。为方便叙述，不掺新集料的CCRM用100%CCRM表示，掺20%新集料的CCRM用80%CCRM表示，掺40%新集料的CCRM用60%CCRM表示。

(3)水泥剂量。水泥剂量(Ps)拟分别采用3%、4%。

(4)矿料级配。采用骨架密实级配［15］，拟定10组CCRM试验级配，研究级配对CCRM模量的影响，结果见表2。

1．3 试验方法

(1)振动试验方法。垂直振动击实仪工作时只产生垂直振动力而没有水平力，振动参数配置为:工作频率为30 Hz，激振力为7．6 kN，名义振幅为1．2 mm，上车重力为1．2 kN，下车重力为1．8 kN。

采用垂直振动击实仪将不同含水量的CCRM振动击实100 s，击实后测试不同含水量CCRM的密度，绘制CCRM的干密度与含水量的曲线，确定最大干密度和最佳含水量［16-18］。

采用垂直振动击实仪成型圆柱体试件，试件尺寸为15 cm×15 cm，压实度达98%。

(2)抗压回弹模量测试方法。CCRM室内抗压回弹模量试验采用顶面法。

2 室内试验结果及分析

2．1 室内抗压回弹模量

根据垂直振动击实确定的最大干密度与最佳含水率成型试件，养生至规定龄期，测试CCRM试件不同龄期的抗压回弹模量代表值，结果见表3。

表2 矿料级配

表3 CCRM室内抗压回弹模量代表值

2．2 养生龄期的影响

2．2．1 回弹模量增长模型

假设CCRM抗压回弹模量的增长方程满足公式

式中:T为养生龄期(d);Ec为抗压回弹模量(MPa);E0为初始抗压回弹模量(MPa);E∞为极限抗压回弹模量(MPa);ηc为回归系数。

采用式(1)对CCRM回弹模量进行回归，不同的回归方程抗压回弹模量增长模型见表4。

表4 CCRM抗压回弹模量增长模型

由表4可知，采用式(1)拟合的CCRM抗压回弹模量的相关系数较高，这说明该公式能较好地预测回弹模量的增长规律。

2．2．2 回弹模量增长曲线

图1是根据表3、4中数据得到的Ec/E∞与龄期之间的关系。如图1所示，随着养生龄期的增加，CCRM的抗压回弹模量增大，28 d以前回弹模量增长速率较快，28 d以后回弹模量增长速率逐渐趋于平缓，并趋于零。28 d的CCRM回弹模量约为极限模量的80%，90 d的CCRM回弹模量约为极限模量的90%。因此，为了保证CCRM具有足够的强度与刚度，必须加强CCRM的养生，尤其是早期养生。

图1 E c/E∞随养生龄期变化规律曲线

2．3 RCB/RAP 的影响

CCRM与水泥稳定碎石抗压回弹模量的比值和龄期之间的关系，如图2所示。图中P1B0/P0B0表示RCB∶RAP=0∶1的CCRM与水泥稳定碎石的抗压回弹模量之比，其他类推。

图2 抗压回弹模量比值随养生龄期变化规律曲线

由图2可知，随着养生龄期的增加，CCRM与水泥稳定碎石抗压回弹模量的比值先增大，然后缓慢减小直至稳定。作为设计参数，运营期间的模量具有工程实际意义，也就是说，后期模量是值得关注的重点，而养生90 d的CCRM的模量达极限模量的90%。因此，应重点讨论90 d龄期的模量。

水泥剂量为3%时，100%CCRM、80%CCRM、60%CCRM的90 d抗压回弹模量约为水泥稳定碎石的0．53 ～0．67、0．55 ～0．65、0．59 ～ 0．72，其中RCB越大，比值越大;水泥剂量为4%时，100%CCRM、80%CCRM、60%CCRM 的90 d抗压回弹模量约为水泥稳定碎石的 0．58 ～0．76，0．55 ～0.70、0．57～0．71。可知，RCB 对 CCRM 的抗压回弹模量有着显著影响。

2．4 新集料掺量的影响

新集料掺量对CCRM抗压回弹模量的影响见表5。表中Ec20/Ec0表示80%CCRM与100%CCRM的抗压回弹模量之比，其他类推。

表5 不同新集料掺量下的抗压回弹模量

由表5可知:CCRM的极限模量随着RCB增大而有所增大;与100%CCRM的极限模量相比，80%CCRM的极限模量提高了3% ～18%，60%CCRM的极限模量提高了13%～29%。

2．5 水泥剂量的影响

由表5可知，CCRM的极限模量均随水泥剂量的增加而增大，但增大幅度不明显。同时，过多的水泥剂量对CCRM基层的抗裂性能不利［15］。

3 结语

(1)研究了养生龄期对CCRM室内抗压回弹模量的影响。结果表明，随着养生龄期增加，CCRM抗压回弹模量随之增大，且28 d之前模量增长速率较快，28 d之后增长速率变缓，最后逐渐趋于零。28 d的CCRM回弹模量约为极限模量的80%，90 d的CCRM回弹模量约为极限模量的90%。建议加强CCRM的养生，尤其是早期养生。

(2)研究了基面层回收料比例对CCRM室内抗压回弹模量的影响。结果表明，水泥剂量为3%时，100%CCRM、80%CCRM、60%CCRM 的 90 d抗压回弹模量约为水泥稳定碎石的0．53～0．67、0.55～0．65、0．59 ～0．72，其中 RCB 掺量越大，比值越大;水泥剂量为4%时，100%CCRM、80%CCRM、60%CCRM的90 d抗压回弹模量约为水泥稳定碎石的 0．58 ～0．76，0．55 ～0．70、0．57 ～0.71。可知，RCB掺量对CCRM的抗压回弹模量影响显著。

(3)研究了新集料掺量对CCRM室内抗压回弹模量的影响。结果表明，CCRM的极限模量随着RCB掺量增大而有所增大;与100%CCRM的极限模量相比，80%CCRM的极限模量提高了3% ～18%，60%CCRM的极限模量提高了13% ～29%。

(4)研究了水泥剂量等对CCRM室内抗压回弹模量的影响。结果表明，CCRM的极限模量均随着水泥剂量的增加而增大，但增大幅度不明显。

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Modulus of Resilience of Cement Cold Recycling Mixtures Under Vertical Vibration Compaction

LI Guo-wei1，CHEN Yu2，XUE Jin-shun3，JIANG Ying-jun3，LIU Yan-jin3
(1．Henan Sanmenxia-Xichuan Expressway Co．，Ltd．，Sanmenxia 472000，Henan，China;2．Wucheng District Highway Management of Jinhua City，Jinhua 321000，Zhejiang，China;3．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China)

The effects of the factors such as the curing time，the proportion of reclaimed base course and surface course materials used in the mixture，the amount of virgin aggregate and the cement dosage on the compressive modulus of resilience of the cement cold recycling mixtures(CCRM)were studied by the vertical vibration test．The results show that after 7 d，28 d and 90 d of curing，the modulus of CCRM reaches 40%，80%and 90%of the ultimate modulus of resilience;with the increase of the proportion of the recycled material，the modulus of CCRM increases，and its 90 d modulus is about 0．5 ～0．7 times of the cement stabilized macadam;compared with CCRM without virgin aggregate，the ultimate modulus of CCRM mixed with 20%virgin aggregate increases by about 3% ～18%，and that of CCRM mixed with 40%virgin aggregate increases by 13%～29%;the modulus of CCRM increases in line with the increasing amount of cement in an unremarkable scale．

road engineering;cement cold recycling mixture;vertical vibration test method;modulus of resilience

U414．01

B

1000-033X(2017)10-0058-05

2017-04-14

河南省交通运输科技项目(2014K49-1)

李国伟(1977-)，男，河南驻马店人，工程师，主要从事道路、桥梁工程建设工作。

［责任编辑:杜敏浩］