水稳基层多次冷再生混合料的路用性能

聂欣，李向阳

1.重庆交通大学 工程设计研究院有限公司，重庆 400074；2.泰安市公路事业发展中心，山东 泰安 271000

0 引言

随着我国对低碳经济与可持续发展理念越来越重视，路面冷再生技术作为一种低碳节能环保的绿色养护技术，在路面工程中得到广泛运用［1-5］。但日渐增加的行车荷载及环境因素使已建成通车的冷再生路面陆续出现各种病害或结构性破坏，亟待翻修重建［6-10］。研究表明：冷再生路面材料在达到使用寿命后，可以被铣刨并作为集料继续运用于二次冷再生中，研究再生二次旧料在二次及多次冷再生中的性能衰减趋势及其改进措施具有现实意义。再生二次旧料具备一定强度，继续运用的残留价值仍较高。再生二次混合料在二次冷再生过程出现强度增长过快、干缩时间延长、抗水损性能衰减等主要问题，一定程度上制约了水泥稳定碎石混合料再生二次的应用与发展［11-16］。

本文对水稳基层多次冷再生混合料的路用性能进行试验研究，从机理方面探究多次冷再生水泥稳定碎石基层混合料路用性能的衰减变化，以延长其多次冷再生再利用的寿命周期，发挥原有路面旧料的最大剩余价值，实现路面的可持续使用。

1 性能形成机理分析

1.1 强度

水泥稳定基层混合料中的水泥遇水进行水化作用和离子交换，形成质地坚硬的碳酸盐类产物，可提高混合料强度［17］。因此，水泥稳定基层混合料中水泥的质量分数、配合比、混合料成型后温度与养生龄期等因素都对混合料强度影响较大。混合料中水泥的质量分数越大，混合料强度越大。

1.2 干缩机理

水泥稳定碎石基层混合料的水化作用及部分水分的蒸发作用使混合料内部水分减少，内部毛细管张力变大，吸附水及分子间力作用增大，矿物晶体或凝胶体的层间水作用、碳化脱水作用等引起宏观体积变化，混合料干燥收缩。研究表明：水泥的型号、混合料中水泥和水的配比、集料的粒径和级配及其他施工因素等影响水泥稳定碎石混合料的干缩，膨胀剂与水泥干缩性能互补，可有效减少水泥稳定碎石基层混合料的干缩［18］。

1.3 抗水冲刷机理

水泥稳定碎石基层混合料的抗冲刷性能是指混合料抵抗从面层缝隙或边缘等部位渗入基面层界面的水，在重复多次的车辆高压荷载瞬间作用下产生的抵抗高强冲刷力的性能。抗冲刷性能的主要影响因素有水泥质量分数、集料级配、空隙率、细料质量分数及细度、粗集料压碎值及内摩阻力等。研究表明，聚丙烯纤维可以有效增强集料黏结力，增大混合料的整体连接性，从而提升混合料的抗冲刷性能［19］。

本文针对水泥稳定碎石混合料在多次冷再生过程中的力学性能、收缩性能以及抗水损性能的衰变特性，根据各类性能的形成机理，研究减少水泥含量及外掺膨胀剂、聚丙烯纤维等对改善混合料性能的作用。

2 最佳掺配比

运用正交分析法，分别对水泥质量分数为4%、5%、6%，纤维质量分数为 0.2‰、0.4‰、0.6‰及膨胀剂质量分数为1.5‰、3.0‰、4.5‰的水泥稳定碎石再生混合料进行7 d无侧限抗压强度与干缩试验，通过比对各项性能指标，优选各添加剂的最佳质量分数。

由表1可知：水泥的质量分数对混合料强度影响最大，膨胀剂与纤维可有效降低混合料的干缩系数，对混合料强度及干缩性能的影响程度由强到弱依次为水泥、膨胀剂和纤维。

根据7 d无侧限抗压强度优选纤维及膨胀剂的最佳质量分数，试验结果如图1所示。

混合料的7 d无侧限抗压强度随纤维或膨胀剂质量分数的增加呈现先增长后稳定的趋势。当纤维质量分数增至0.5‰，膨胀剂质量分数超过3‰后，抗压强度增长的趋势明显变缓。

表1 水泥、纤维、膨胀剂质量分数及混合料性能参数

图1 最佳掺配比例结果分析图

3 多次冷再生混合料性能

3.1 力学性能

为研究多次冷再生周期下水泥稳定碎石基层混合料性能的衰变规律，在实验室将新料混合料试件模拟疲劳、老化后，对混合料进行破碎回收作为冷再生一次混合料用集料，将所得集料与水泥、膨胀剂及聚丙烯纤维混合制备冷再生一次混合料，按照上述步骤依次循环得到冷再生二次混合料。

对上述一次、二次冷再生水泥稳定混合料进行无侧限抗压强度试验，得到7 d及28 d龄期的无侧限抗压强度衰变比

式中：RC0为新料无侧限抗压强度，RCi为第i次冷再生混合料无侧限抗压强度。

不同再生次数时，掺加和未掺加纤维膨胀剂的冷再生混合料的强度衰变比Ei如表2、3所示。

表2 多次冷再生混合料7 d强度及衰变比

表3 多次冷再生28 d强度及衰变比

由表2、3可以看出：1）不同龄期条件下，掺加纤维和膨胀剂后，混合料在冷再生不同次数下的RCi均比新料强度低，在保证使用强度的条件下，稳定混合料脆性在合适范围内，可有效避免混合料因强度过大而增大收缩，从而影响混合料的使用性能。2）不同龄期下，掺加膨胀剂及纤维后，各冷再生周期内混合料的Ri比未掺前显著降低，二次强度衰变比由-31.75%变为-11.11%，说明掺加膨胀剂及纤维可明显减缓各冷再生周期混合料无侧限抗压强的增长幅度。

3.2 收缩特性

根据规范进行收缩性能试验，得到不同冷再生周期内混合料的失水量、干缩量，计算可得各冷再生级别混合料的失水率、干缩应变、干缩系数随龄期增长的变化曲线，如图2～4所示。

图2 多次冷再生混合料失水率随龄期变化曲线

图3 多次冷再生混合料干缩应变随龄期变化曲线

图4 多次冷再生混合料干缩系数随龄期变化曲线

由图2～4可知：混合料的失水率、干缩应变及干缩系数随龄期呈现先增长后稳定的趋势。掺加纤维及膨胀剂后，相同冷再生次数的混合料均明显降低，说明添加纤维及膨胀剂可有效降低混合料再生过程中的干缩应变，延缓混合料的干燥收缩，有效防止由于干缩太大产生的收缩裂缝，延缓了收缩特性稳定时间滞后的趋势，这有利于在多次冷再生利用中，缩短养生时间，提前开放交通。

3.3 水稳特性

对不同冷再生次数水稳混合料进行水稳性能试验，测试并计算动水冲刷后混合料的无侧限抗压强度比及动水冲刷后的质量损失率。

3.3.1 动水冲刷后的无侧限抗压强度

计算不同冷再生次数混合料在动水冲刷试验后的无侧限抗压强度冲刷损失比

式中：RC为一定龄期的无侧限抗压强度，RS为一定龄期的动水冲刷后的无侧限抗压强度。

纤维膨胀剂掺加前后混合料的试验结果，如表4所示。由表4可知：同一再生周期下，掺加纤维膨胀剂混合料28 d龄期的动水冲刷后无侧限抗压强度损失比明显比7 d小；掺加纤维膨胀剂后，二次冷再生混合料的强度损失比差值比一次冷再生小，试验表明掺加纤维及膨胀剂后，混合料抵抗水冲刷的能力明显提升。

3.3.2 动水冲刷后的质量损失率

掺加纤维膨胀剂前后各冷再生级别混合料的质量损失率，如表5所示。

从表5可见：随冷再生次数的增加，掺加纤维及膨胀剂后，混合料的质量损失率明显降低，且一次再生与二次再生后质量损失率的差值均减小，表明纤维、膨胀剂可明显改善冷再生混合料在不同再生次数下的抗冲刷能力。

4 结论

表4 动水冲刷后无侧限抗压强度损失比

表5 动水冲刷后混合料的质量损失率

1）分析水稳基层混合料的强度、干缩及抗冲刷机理，确定调整水泥质量分数可有效减缓混合料强度的增长速率及增加幅度，添加聚丙烯纤维及膨胀剂可有效增强混合料的干缩及抗冲刷性能。试验得到聚丙烯纤维、膨胀剂的最佳质量分数分别为0.5‰、3.0‰。

2）添加聚丙烯纤维及膨胀剂后，不同冷再生次数混合料的无侧限抗压强度增长趋势明显减缓，二次强度衰变比由-31.75%变为-11.11%，有效遏制了强度增长过快带来的混合料脆性增强、收缩加剧等病害，能延长混合料使用寿命。

3）在相同龄期、相同冷再生周期下，混合料掺加纤维及膨胀剂后的失水率、干缩应变及干缩系数均有所降低，延缓了收缩特性稳定时间的滞后趋势，有利于在多次冷再生中缩短养生的时间，提前开放交通。

4）掺加纤维及膨胀剂后，水泥稳定碎石混合料在多次冷再生过程中的力学强度、收缩特性、水稳特性等各项性能指标的衰减趋势明显减缓。