水泥就地冷再生基层的级配优化设计

贾敬立，张渊龙，杨玉庆，赵大闯，王 绪，赵啟旸

（河南黄河河务局工程建设中心，河南郑州450003）

1 引 言

临黄堤顶道路不仅是黄河下游防洪工程体系的重要组成部分和防汛抢险的交通要道，也是发展沿黄地区经济不可或缺的组成部分。然而经过多年运行，堤顶路面破损严重，影响抢险车辆通行，亟需进行升级改造。本项目有以下主要特点：①施工里程长，“十三五”期间河南段道路全长469.33 km，其中基层改造段长370.12 km；②运营时间长，最早完工的路段已经使用17 a，完工时间跨度大，从1999年、2000年、2003年到2005年；③原路面基层材料种类多，主要有石灰稳定土、水泥石灰碎石土、水泥稳定碎石等3种。

基于减少旧路开挖，循环利用旧路材料，减少旧路材料堆放，保护环境的原则，对基层翻修路段采用水泥就地冷再生20 cm（旧沥青面层5 cm+旧基层10 cm+加铺新集料5 cm）后加铺5 cm热拌沥青混凝土的方案，该方案占本次改造总里程的78.86%。

由于现行《公路沥青路面再生技术规范》（JTG F41—2008）中无机结合料稳定冷再生混合料级配范围过宽，对设计者的指导意义较弱，实际施工中无法实现对施工质量的有效控制[1]，因此本文采用N法、I法和K法对水泥就地冷再生基层级配进行研究，然后利用贝雷法CA、FAc、FAf三参数进行级配优化，结合混合料在击实和现场压实过程中的压碎情况，对理论级配范围进行修正，得到了工程上适用的级配范围，在黄河堤顶道路郑州段旧路基层为水泥稳定碎石的沥青路面进行了实体验证，各项指标均较好地满足规范要求，本文对这一成果进行总结分析，以更好地指导黄河下游堤顶道路水泥就地冷再生施工。

2 水泥就地冷再生混合料级配研究

2.1 标准级配设计研究

水泥就地冷再生技术采用了原有路面铣刨材料，在设计时有别于传统水泥稳定材料的级配设计，我国在再生技术方面也形成了一定的标准，具体级配范围见表1。

表1 无机结合料冷再生混合料规范级配范围

黄河堤顶道路按三级公路标准设计，采用表1中二级及二级以下公路的级配范围，由于此级配上下限范围太宽，在实际工程应用时目标级配很容易达到，但对设计者的指导意义较弱，致使工程质量难以保证，因此在标准要求的基础上，对级配进一步优化就显得特别重要。

2.2 级配优化设计研究

在填充理论嵌挤原则指导下，冷再生混合料良好的设计级配会使集料紧密孔隙率较小，大大提高相应混合料摩阻力，有效保证基层再生路面的结构强度[2]。

2.2.1 N法、K法、I法和贝雷法对比分析

N法是由美国学者Fuller根据最大密度理论提出的，通过工程实践不断优化，最终形成成熟的级配设计技术。

K法是由苏联学者伊迈万诺夫和奥浩欣提出，该矿料级配是采用颗粒分级质量递减系数k，粒径按1/2递减，最小粒径dn=0.004 mm通过率为0来决定总级数n的一种级配设计技术[3]。

I法是由同济大学林绣贤教授在K法和N法基础上，提出直接采用质量通过百分率递减系数i为参数的矿料级配组成计算方法[4]。

贝雷法采用参数CA（粗集料比）评价矿料中粗集料的含量和分析孔隙特征、FAc（细集料中粗料部分和细料部分的比例）反映细集料中粗料部分与细料部分的嵌挤与填充情况、FAf（细集料中最细的部分与次细部分的比例）反映合成集料中最细一级的嵌挤情况，采用这3个参数进行级配检验，是比较系统的级配合成设计方法，粗、细集料可以更好搭配，粗集料间相互嵌挤形成骨架，细集料进行填充，可以获得合适的矿料间隙率（VMA），混合料拥有较高耐久性[5]。N法、K法、I法和贝雷法对比见表2。

表2 N法、K法、I法和贝雷法对比

2.2.2 级配优化设计分析

在研究过程中借鉴已有研究成果和工程经验，n、i、k的取值应分别在 0.5、0.7、0.7 左右较为合适[6]，最后各系数分别以间隔0.05、0.02、0.05对N法、I法以及K法进行混合料级配设计计算，并结合规范上下限将级配计算曲线汇总，如图1～图3所示。

图1 N法设计级配曲线

图2 I法设计级配曲线

图3 K法设计级配曲线

由图1～图3可知，采用N法、I法和K法计算级配均在规范规定上下限范围内，当n=0.45、0.50、0.55，i=0.68、0.70、0.72，k=0.70、0.75、0.80 时对应的级配均满足要求。为检验级配设计合理性，采用贝雷法3参数CA、FAc、FAf进行检验。根据铣刨料的粒径，本项目混合料的最大粒径取31.5 mm，公称最大粒径为26.5 mm，计算贝雷法参数，结果见表3。

表3 贝雷法级配检验结果

从已有的贝雷法检验级配研究结果可知：①参数CA决定了粗集料颗粒的填充及对细集料颗粒的压实，取值范围为0.4～0.8；②参数FAc决定了细集料中较粗部分的填充，取值范围为0.35～0.50；③参数FAf决定了细集料中较细部分的填充，取值范围为0.35～0.50。通过对表3中贝雷法的参数值分析，采用n=0.50、0.55，i=0.68、0.70 和 k=0.70、0.75 时的级配较优，表 4为经过贝雷法检验的合格级配。

表4 经贝雷法检验的合格级配

根据表4给出的级配范围，选择每级筛孔通过率的最大值和最小值，初步得到堤顶道路水泥稳定冷再生混合料用做基层时的推荐理论级配范围，见表5。

表5 堤顶道路水泥稳定冷再生基层混合料的理论级配范围

2.2.3 级配修正分析

冷再生混合料中的旧路铣刨料在击实和压实过程中易发生颗粒破碎现象，导致冷再生混合料的级配产生变化[7]。在采用冷再生技术施工时，若想得到表5中提出的理论级配，就要将容易发生破碎的集料质量减少，将级配变化考虑在内，对理论级配进行修正，降低施工过程中冷再生混合料颗粒破碎对级配变化的影响。通过室内击实研究颗粒破碎对级配变化影响，对2.2.2节提出的理论级配范围进行修正。

室内击实试验可以近似反映现场压实时的情况，按表5提出的冷再生混合料理论级配范围的中值取试样5 kg，不加结合料，在最佳含水率状态下进行室内击实试验，烘干、筛分后得到击实前后的级配变化情况，具体见表6。

由表6可知，粒径在 26.5～31.5 mm、19.0～26.5 mm和4.75～19.0 mm范围的集料质量减少了，说明击实过程中主要是这几档集料发生了破碎，为了降低颗粒破碎对冷再生混合料级配变化的影响，可以将冷再生混合料的理论级配和击实过程中的级配变化叠加，对理论级配进行修正，得到工程上适用的级配范围，结果见表7。

表6 理论级配范围中值各个档位的分计筛余量

表7 工程级配范围

3 水泥就地冷再生配合比设计

根据上述级配设计研究的优化结果，在黄河堤顶道路郑州段进行水泥就地冷再生配合比设计，并铺筑试验段对本研究的工程级配范围进行验证。

3.1 原材料

原材料有水稳碎石基层路面铣刨料、10～30 mm碎石、石屑及缓凝普通水泥P.C 42.5，其中铣刨料为旧路面水泥稳定碎石基层和沥青面层的混合铣刨料，并对各原材料指标进行室内试验，测试结果见表8～表11。

表8 铣刨料检测项目与检测结果

表9 粗集料技术性质

表10 细集料技术性质

表11 水泥的技术指标检测结果及技术要求

3.2 郑州段再生段级配设计研究

3.2.1 郑州段合成级配

在工程级配范围内，调整10～30 mm碎石、石屑和铣刨料的比例得到了粗、中、细3种不同的级配组成，如图4所示。

图4 郑州段再生段级配设计矿料合成级配

3.2.2 最佳含水率、最大干密度的确定

3种级配混合料的水泥剂量分别取4.0%、4.5%、5.0%、5.5%，每种水泥剂量下取5个不同的含水率进行重型击实试验，可得到不同水泥剂量下3种级配的最佳含水率和最大干密度，结果见表12。

表12 不同水泥剂量下的最佳含水率及最大干密度

3.2.3 最佳水泥剂量确定

不同水泥剂量混合料的7 d无侧限抗压强度试验结果见表13。

表13 无侧限抗压强度试验结果

由表13可以看出，在最佳含水率状态下，粗、中、细3种级配的抗压强度与水泥剂量成正比，粗级配和中级配在4.5%的水泥剂量下满足设计要求，细级配混合料在水泥剂量为5.0%时，满足设计要求。

3.2.4 配合比确定

根据前述击实试验和7 d无侧限抗压强度试验确定的粗、中、细3种级配的最大干密度、最佳含水率、最佳水泥剂量等关键参数，可以得到3种级配的配合比设计结果，具体见表14。

表14 水泥稳定碎石基层路面水泥就地冷再生混合料配合比设计结果

4 郑州段3种级配水泥就地冷再生路用性能研究

4.1 3组级配路用性能试验结果

为更加合理地确定水泥就地冷再生混合料的最佳级配，对不同级配的再生混合料路用性能进行试验研究，将路用性能指标检测结果汇总，见表15。

表15 不同级配路用性能指标检测结果

通过检测数据可见，3种级配混合料的强度和刚度指标均满足设计要求。其中细级配强度指标最优，中级配刚度最大，满足水泥稳定类基层抗压回弹模量在1 300～1 700 MPa的要求。

在干缩性能方面，细级配干缩系数最大，粗级配最小，同时在试验过程中发现，在试验开始后的0～10 h内，试件的干缩系数不断增大，10 h后干缩系数逐渐减小，主要是因为初期混合料含水量大，水分散失速度快，干缩应变变大，当含水率减小到一定程度后，水分散失速度变慢，试件干缩应变变小，干缩系数逐渐减小；在温缩性能方面，3种级配的平均温缩系数均较小，具有较好的抗温度收缩性能。

经过6 000次冲刷，粗级配混合料的抗冲刷性能较优，粗级配混合料的贝雷法参数CA为0.79，介于0.70～0.85之间，混合料结构平衡，便于压实，中级配次之。

4.2 最佳配合比的确定

根据各种级配混合料路用性能的对比分析研究，将性能最好的记为“3”，性能居中的记作“2”，性能最差的记为“1”，结果如图5所示。

图5 3组级配的各项指标对比

从5图可以看出，粗级配混合料有5个“3”、2个“2”、2 个“1”，中级配混合料有 3 个“3”、6 个“2”，细级配混合料有 2个“3”、3 个“2”、4 个“1”。 为合理判断石灰稳定土基层路面水泥就地冷再生混合料的最佳配合比，先根据上述评价等级，分别赋予“3”“2”“1”3个等级为90分、60分和30分，计算粗、中、细3种级配得分为630分、630分和480分，由于施工过程中粗级配比中级配难以压实，施工难度大，因此最终确定本项目采用中级配混合料，同时考虑就地冷再生技术属于路拌法施工，水泥剂量增加1%，采用5.5%，配合比设计结果见表16。

表16 郑州段水泥就地冷再生混合料配合比设计结果

5 郑州段水泥就地冷再生试验段的结果分析

在黄河堤顶道路郑州段K30+500—K30+700，进行了200 m试验路段的铺筑，严格控制施工过程，对再生混合料级配、水泥剂量、含水率、压实度、7 d无侧限抗压强度等关键技术指标进行了检测，结果分别见表17和表18，各检测指标均较好地满足设计要求。

表17 再生混合料筛分试验结果

表18 再生混合料现场试验检测结果

6 结 论

通过N法、I法和K法对水泥就地冷再生基层混合料的级配进行优化，并用贝雷法进行检验，结合混合料在击实和现场压实过程中的压碎情况，对理论级配范围进行修正，得到了工程上适用的级配范围。在黄河堤顶道路郑州段旧路基层为水泥稳定碎石的沥青路面进行了试验，各项指标均较好地满足规范要求，主要结论如下。

（1）通过贝雷法的3参数分析，采用 n=0.50、0.55，i=0.68、0.70 和 k=0.70、0.75 时的级配较优，由此总结出水泥就地冷再生的理论级配范围。

（2）结合混合料在击实和现场压实过程中的压碎情况，对理论级配范围进行修正，得到了工程级配范围。

（3）在工程级配范围内的粗、中、细3组级配，经室内7 d无侧限抗压强度、劈裂强度、抗弯拉强度、刚度、干缩和温缩系数等路用性能验证，得到最佳配比为中级配，即10～30 mm碎石、石屑、铣刨料比例为20%、6%、74%，水泥剂量为4.5%，最佳含水率为6.5%。考虑到就地冷再生路拌法施工的实际情况，现场将水泥剂量增加1%，即采用5.5%，最佳含水率为18.2%，最大干密度为2.169 g/cm3。

（4）黄河堤顶道路郑州段试验路段的再生混合料级配、水泥剂量、含水量、压实度、7 d无侧限抗压强度等技术指标均较好地满足规范要求。