水泥稳定就地冷再生结构与材料设计优化

尚同羊+马庆伟+弥海晨

摘 要：通过对某国道旧路面状况评价及交通量调查，确定水泥稳定就地冷再生的再生厚度；并在配合比设计中添加不同规格的新料，分析其对混合料强度的影响。结果表明：当旧沥青路面材料骨料偏少时，掺加规格为10～20 mm的新料可以有效提高再生混合料的强度。

关键词：就地冷再生；骨料；配合比；混合料强度

中图分类号：U418.8 文献标志码：B

0 引 言

水泥稳定就地冷再生技术，可以100%利用旧沥青面层和基层旧料，不仅能提高路面的整体强度，还有利于节约能源和大量筑路材料，降低工程造价。因此，将旧沥青路面水泥稳定就地冷再生技术在公路改建和大中修建设中推广应用非常必要[1-2]。

本文依托陕西省某国道，对其旧路面状况进行评价，选取水泥稳定就地冷再生作为旧沥青路面修补方案，并着重对冷再生结构与材料设计进行优化，以期提高水泥稳定就地冷再生的应用效果。

1 工程概况

1.1 结构设计依据

本试验段位于陕西省某国道，通过对旧路面状况评价、交通量调查及相关材料指标测定，得到本试验段路面结构及设计依据，见表1。

1.2 旧路病害调查

因车辆超重超载，旧路面产生了比较严重的损坏，主要表现为：表面层剥落、坑槽、网裂和局部沉陷等（图1）；且由于老路局部路段线形较差，导致路表面积水比较严重（图2）。通过对旧路弯沉的调查，发现弯沉值为70～80（0.01 mm），说明旧路承载力不足。

通过对该路段交通量调查发现，货车在通行车辆中所占比重较大，超限超载现象严重，再加上重载车辆车流量持续增长，导致路面产生各种病害，交通事故频发。

2 再生厚度的确定

2.1 路面再生结构组合及参数

根据本地区的路用材料，结合已有工程经验与典型结构[3-4]，拟定路面再生结构组合及参数见表2。

采用BISAR3.0软件对上述路面结构层进行计算，其中采用双圆均布竖向荷载作为作用荷载，荷载圆半径为10.65 cm，轮胎压力为0.7 MPa。

2.2 确定再生厚度

经计算知，当再生厚度H=15 cm时，设计弯沉LS=33.9（0.01 mm）；当H=20 cm时，LS=29.9 （0.01 mm）；当H=25 cm时，LS=26.5（0.01 mm）。由此拟定，满足设计弯沉LS为30（0.01 mm）要求的再生层厚度为20 cm。

对再生厚度为20 cm时的各结构层层底拉应力σm验算可知：上面层为-0.14 MPa（即该层底仅受压、不受拉），下面层为0.037 MPa，再生层为0.27 MPa。该路面结构满足设计弯沉与容许拉应力的设计要求，因此确定再生厚度为20 cm。

3 配合比设计

3.1 换算公式

再生混合料中基层、面层以及新料所占比例既影响再生混合料的级配组成和强度，也直接决定再生厚度。本节利用换算公式确定新料的添加比例以及添加规格，其中单位面积内不同材料的质量换算公式如式（1）所示，不同材料的质量比换算如式（2）所示。

（2）式中：Mi为每平方厘米面积内不同材料在再生混合料中的质量（g）；i表示面层、基层、新料和再生层不同的结构层；Hi为不同结构层的厚度（cm）；ρi为不同结构层的混合料的毛体积密度（g·cm-3）；Pi为不同材料在再生混合料中的质量比（%）；Mr为再生层在每平方厘米面积内的质量（g·cm-2）。

按照相关试验规程规定的方法对本工程所用的面层铣刨料、基层铣刨料以及新料的毛体积相对密度进行测定，并通过本路段相关试验资料及类似工程经验拟定再生层的最大干密度，结果如表3所示。

3.2 试验条件

本次试验按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ E51—2009）中有关规定进行，采用重型击实确定混合料的最大干密度和最佳含水量。试件均按最大干密度和最佳含水量以试件容量控制，采用静力压实法制备。在养生室常温湿气养生7 d（饱水24 h）。无侧限抗压强度试验采用Φ15×15 cm试件。将饱水24 h后的试件放到路面材料强度试验仪的升降台上，使试件的形变以1 mm·min-1的等速率增加，进行抗压强度试验。

3.3 旧铣刨料的评价

本着节约资源、充分利用旧料的原则，在保证下承层不小于12 cm的前提下，拟将面层7 cm全部铣刨，基层铣刨13 cm，可见旧铣刨料的铣刨厚度为20 cm可满足设计中对再生厚度的要求（如铣刨厚度不满足再生厚度要求，则跳过此步骤直接进行添加新料的配合比设计）。因此首先对旧铣刨料进行级配合成，看其合成级配能否满足再生级配要求。

图3 铣刨沥青面层和基层混合料合成级配 由表4和图3可以看出，作为再生基层，铣刨旧料的合成级配中，19 mm筛孔超出规定的级配范围上限，且合成级配中大于4.75 mm的集料含量为61.9%（合成级配总质量百分率100%减去4.75 mm通过率38.1%之差），说明旧铣刨料中粗集料过少，应采取添加新骨料的方式来增加骨料比例。

考虑到铣刨料中所含灰土比例较大，所以在确定水泥现场冷再生时也需要添加一部分骨料来优化级配，以提高其强度。另一方面，由于现场通过再生机铣刨基层和面层时难免会破碎大颗粒的骨料，所以添加的新料粒径不能太小。

基于上述对旧铣刨料的分析评价，在配合比设计中决定分别添加10～20 mm和10～30 mm的新料，对比分析不同规格的新料对混合料强度的影响，以确定添加新料的规格。

3.4 配合比设计

3.4.1 添加水泥+10～20 mm新料

出于节省新料的考虑，先拟定再生厚度增加至22 cm。经式（1）、（2）计算可知，Pb=60%，Ps=38%，Pn=2%。此再生方案反映在级配组成上如表5所示。endprint

由表5可知，添加2%的10～20 mm新料后，再生料合成级配有所改善，但4.75 mm以上集料含量为62.7%，骨料含量偏少，说明还需要添加新骨料。

将再生厚度增加至24 cm，经式（1）、（2）计算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反应在级配组成上如表6所示。通过重型击实试验，确定水泥剂量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，测定其7 d无侧限抗压强度。结果不满足规定中“7 d无侧限抗压强度不小于2.5 MPa”的要求。因此，旧料经铣刨破碎后粗料减少，添加10%的10～20 mm新料不足以改善级配，不能满足强度要求。

3.4.2 添加水泥+石灰+10～20 mm新料

根据第一组试验情况，基于该段基层是二灰土基层的考虑，第二组试验通过添加石灰以提高再生混合料的强度，级配同第一组试验。

通过重型击实试验，确定各水泥和石灰剂量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，并测定其7 d无侧限抗压强度，结果仍然不符合规定，说明本级配也不满足要求。

3.4.3 添加水泥+10～30 mm新料

根据上述两组试验结果，发现添加10～20 mm新料虽能提高再生混合料中的粗骨料比例，但再生混合料骨架效果不明显，强度无法满足规范要求。因此，第三组试验采用10～30 mm的新料来改善基层灰土，以便提高其强度，级配同第一组试验。

经式（1）、（2）计算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反映在级配组成上如表7所示，合成级配曲线如图4所示。

通过重型击实试验，确定各水泥剂量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，如表8所示。由图4 旧路面混合料水泥冷再生合成级配表8可知，水泥用量为5%时，混合料效果最佳。并在此基础上静压成型试件，测定其7 d无侧限抗压强度为3.103 MPa，达到规定要求，说明添加10～30 mm新料后对骨料强度提高显著。

根据式（1）可得，再生层Mr=Hrρ=24×2=48 g，再由式（2）推导得M10～30= P10～30×Mr=4.8 g，进而得出H10～30 =M10～30/ρ10～30=4.8/1.523=3.15 cm≈3 cm。

4 结 语

通过试验得出以下结论。

（1） 针对旧沥青路面材料骨料偏少的情况，通过掺加10%偏大粒径的新骨料，可有效提高混合料的强度，并且可以有效利用旧路面材料。

（2） 根据室内对比试验研究得出，在5%水泥用量下，面层∶基层∶10～30 mm添加新料=35∶55∶10时，再生混合料的合成级配较好，再生混合料的各项指标均满足规定要求，且能最大程度地利用废旧料，可应用于工程实践。

（3） 根据本路段路面结构状况，建议本路段的施工方案为：铣刨原路面的7 cm沥青面层和13 cm基层，在原路面上松铺3 cm厚的10～30 mm碎石新料，采用5%的水泥进行水泥稳定就地冷再生。该施工方案可供其他工程借鉴。

参考文献：

[1] 王 艳，倪富健，李再新.水泥稳定碎石混合料疲劳性能[J].中国公路学报，2009，9（4）：10-14.

[2] 陈玉红.水泥稳定再生混合料的力学性能分析[J].筑路机械与施工机械化，2012，29（10）：65-67.

[3] 眭封云.对水泥稳定就地冷再生技术设计的探讨[J].盐城工学院学报：自然科学版，2012，25（2）：70-73.

[4] 薛跃武，贾广平.沥青路面水泥就地冷再生施工技术[J].筑路机械与施工机械化，2012，29（1）：50-63.

[责任编辑：袁宝燕]endprint

由表5可知，添加2%的10～20 mm新料后，再生料合成级配有所改善，但4.75 mm以上集料含量为62.7%，骨料含量偏少，说明还需要添加新骨料。

将再生厚度增加至24 cm，经式（1）、（2）计算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反应在级配组成上如表6所示。通过重型击实试验，确定水泥剂量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，测定其7 d无侧限抗压强度。结果不满足规定中“7 d无侧限抗压强度不小于2.5 MPa”的要求。因此，旧料经铣刨破碎后粗料减少，添加10%的10～20 mm新料不足以改善级配，不能满足强度要求。

3.4.2 添加水泥+石灰+10～20 mm新料

根据第一组试验情况，基于该段基层是二灰土基层的考虑，第二组试验通过添加石灰以提高再生混合料的强度，级配同第一组试验。

通过重型击实试验，确定各水泥和石灰剂量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，并测定其7 d无侧限抗压强度，结果仍然不符合规定，说明本级配也不满足要求。

3.4.3 添加水泥+10～30 mm新料

根据上述两组试验结果，发现添加10～20 mm新料虽能提高再生混合料中的粗骨料比例，但再生混合料骨架效果不明显，强度无法满足规范要求。因此，第三组试验采用10～30 mm的新料来改善基层灰土，以便提高其强度，级配同第一组试验。

经式（1）、（2）计算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反映在级配组成上如表7所示，合成级配曲线如图4所示。

通过重型击实试验，确定各水泥剂量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，如表8所示。由图4 旧路面混合料水泥冷再生合成级配表8可知，水泥用量为5%时，混合料效果最佳。并在此基础上静压成型试件，测定其7 d无侧限抗压强度为3.103 MPa，达到规定要求，说明添加10～30 mm新料后对骨料强度提高显著。

根据式（1）可得，再生层Mr=Hrρ=24×2=48 g，再由式（2）推导得M10～30= P10～30×Mr=4.8 g，进而得出H10～30 =M10～30/ρ10～30=4.8/1.523=3.15 cm≈3 cm。

4 结 语

通过试验得出以下结论。

（1） 针对旧沥青路面材料骨料偏少的情况，通过掺加10%偏大粒径的新骨料，可有效提高混合料的强度，并且可以有效利用旧路面材料。

（2） 根据室内对比试验研究得出，在5%水泥用量下，面层∶基层∶10～30 mm添加新料=35∶55∶10时，再生混合料的合成级配较好，再生混合料的各项指标均满足规定要求，且能最大程度地利用废旧料，可应用于工程实践。

（3） 根据本路段路面结构状况，建议本路段的施工方案为：铣刨原路面的7 cm沥青面层和13 cm基层，在原路面上松铺3 cm厚的10～30 mm碎石新料，采用5%的水泥进行水泥稳定就地冷再生。该施工方案可供其他工程借鉴。

参考文献：

[1] 王 艳，倪富健，李再新.水泥稳定碎石混合料疲劳性能[J].中国公路学报，2009，9（4）：10-14.

[2] 陈玉红.水泥稳定再生混合料的力学性能分析[J].筑路机械与施工机械化，2012，29（10）：65-67.

[3] 眭封云.对水泥稳定就地冷再生技术设计的探讨[J].盐城工学院学报：自然科学版，2012，25（2）：70-73.

[4] 薛跃武，贾广平.沥青路面水泥就地冷再生施工技术[J].筑路机械与施工机械化，2012，29（1）：50-63.

[责任编辑：袁宝燕]endprint

由表5可知，添加2%的10～20 mm新料后，再生料合成级配有所改善，但4.75 mm以上集料含量为62.7%，骨料含量偏少，说明还需要添加新骨料。

将再生厚度增加至24 cm，经式（1）、（2）计算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反应在级配组成上如表6所示。通过重型击实试验，确定水泥剂量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，测定其7 d无侧限抗压强度。结果不满足规定中“7 d无侧限抗压强度不小于2.5 MPa”的要求。因此，旧料经铣刨破碎后粗料减少，添加10%的10～20 mm新料不足以改善级配，不能满足强度要求。

3.4.2 添加水泥+石灰+10～20 mm新料

根据第一组试验情况，基于该段基层是二灰土基层的考虑，第二组试验通过添加石灰以提高再生混合料的强度，级配同第一组试验。

通过重型击实试验，确定各水泥和石灰剂量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，并测定其7 d无侧限抗压强度，结果仍然不符合规定，说明本级配也不满足要求。

3.4.3 添加水泥+10～30 mm新料

根据上述两组试验结果，发现添加10～20 mm新料虽能提高再生混合料中的粗骨料比例，但再生混合料骨架效果不明显，强度无法满足规范要求。因此，第三组试验采用10～30 mm的新料来改善基层灰土，以便提高其强度，级配同第一组试验。

经式（1）、（2）计算可知，Pb=55%，Ps=35%，Pn=10%。此再生方案反映在级配组成上如表7所示，合成级配曲线如图4所示。

通过重型击实试验，确定各水泥剂量下冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，如表8所示。由图4 旧路面混合料水泥冷再生合成级配表8可知，水泥用量为5%时，混合料效果最佳。并在此基础上静压成型试件，测定其7 d无侧限抗压强度为3.103 MPa，达到规定要求，说明添加10～30 mm新料后对骨料强度提高显著。

根据式（1）可得，再生层Mr=Hrρ=24×2=48 g，再由式（2）推导得M10～30= P10～30×Mr=4.8 g，进而得出H10～30 =M10～30/ρ10～30=4.8/1.523=3.15 cm≈3 cm。

4 结 语

通过试验得出以下结论。

（1） 针对旧沥青路面材料骨料偏少的情况，通过掺加10%偏大粒径的新骨料，可有效提高混合料的强度，并且可以有效利用旧路面材料。

（2） 根据室内对比试验研究得出，在5%水泥用量下，面层∶基层∶10～30 mm添加新料=35∶55∶10时，再生混合料的合成级配较好，再生混合料的各项指标均满足规定要求，且能最大程度地利用废旧料，可应用于工程实践。

（3） 根据本路段路面结构状况，建议本路段的施工方案为：铣刨原路面的7 cm沥青面层和13 cm基层，在原路面上松铺3 cm厚的10～30 mm碎石新料，采用5%的水泥进行水泥稳定就地冷再生。该施工方案可供其他工程借鉴。

参考文献：

[1] 王 艳，倪富健，李再新.水泥稳定碎石混合料疲劳性能[J].中国公路学报，2009，9（4）：10-14.

[2] 陈玉红.水泥稳定再生混合料的力学性能分析[J].筑路机械与施工机械化，2012，29（10）：65-67.

[3] 眭封云.对水泥稳定就地冷再生技术设计的探讨[J].盐城工学院学报：自然科学版，2012，25（2）：70-73.

[4] 薛跃武，贾广平.沥青路面水泥就地冷再生施工技术[J].筑路机械与施工机械化，2012，29（1）：50-63.

[责任编辑：袁宝燕]endprint