基于旋转压实法的水泥冷再生混合料性能研究

杨秋菊，陈 芳

(新疆交通建设集团股份有限公司，乌鲁木齐 830015)

半刚性基层沥青路面作为我国公路的主要路面结构形式，经历了快速发展的阶段。随着其使用年限增加，大量半刚性沥青路面进入大中修养护期，因此，沥青路面冷再生技术被广泛应用在沥青路面大中修养护中[1-2]。20世纪末，我国已开始了沥青路面冷再生技术研究，但是早期研究主要集中在施工现场的经验性探索，随着大量实践的积累，才逐渐开始重视沥青路面冷再生技术的室内试验研究[3-4]。国内专家学者针对冷再生混合料配合比组成设计[5-6]、性能影响因素[7]、耐久性[8]等方面开展了深入研究，但是室内成型方式多为传统马歇尔击实法，也有部分学者采用振动成型方法就水泥冷再生混合料的性能开展室内试验研究[9-10]。但是，传统马歇尔击实法存在击实功小、击实对再生混合料破碎率影响大等缺点，振动成型法虽比马歇尔击实法成型效果好，但是其认可度有待提升。为此，考虑采用模拟路面压实的旋转压实法制备水泥冷再生混合料试件，开展水泥冷再生混合料性能研究，以期为相关工程的设计、施工提供参考。

1 原材料技术性质

1.1 铣刨料

本文采用的铣刨料取自某干线公路铣刨现场，铣刨厚度约20 cm，铣刨料中基层、面层比例约为1∶1。铣刨料筛分后粒径小于19 mm，在设计时需添加新集料提升混合料性能。

1.2 新集料

本文采用19～31.5 mm档集料，选用山西石佳建材有限公司生产的19.0～31.5 mm碎石，其压碎值为13.6%、针片状含量为8.1%，其他指标略。

1.3 混合料组成设计

为降低成本，综合考虑混合料级配要求，新集料掺量不宜超过50%。结合筛分结果，本文选定0、10%、20%、30%、40%的新集料掺量，研究不同新集料掺量下水泥冷再生混合料的性能变化规律，不同新集料掺量下水泥冷再生混合料级配合成结果如表1所示，不同新集料掺量下水泥冷再生混合料击实试验结果如表2所示，试验采用的水泥剂量为4%和5%。

表1 不同新集料掺量下水泥冷再生混合料级配合成结果

表2 不同新集料掺量下水泥冷再生混合料击实试验结果

由表2可知，新集料掺量对水泥冷再生混合料的最佳含水量和最大干密度的影响呈现一定的规律，即随着新集料掺量增加，其最佳含水量降低、最大干密度增加。这是因为再生料掺有面层和基层材料，其密度相对较低、吸水率偏大，导致冷再生混合料整体吸水率增加、密度降低，进一步说明了再生料中掺加新集料提升混合料整体性能的必要性。

2 水泥冷再生混合料力学性能研究

按照表2的水泥冷再生混合料击实试验结果，采用旋转压实法分别成型不同类型的水泥冷再生混合料试件，标准养生条件下养生7 d，测试其无侧限抗压强度、劈裂强度及回弹模量。

2.1 无侧限抗压强度

不同新集料掺量下水泥冷再生混合料7 d无侧限抗压强度测试结果如表3所示。

表3 不同新集料掺量下水泥冷再生混合料7 d无侧限抗压强度测试结果

由表3可知，相同水泥剂量下，掺加新集料后，水泥冷再生混合料7 d无侧限抗压强度明显提升，提升幅度均在20%以上；且随着新集料掺量增加，水泥冷再生混合料无侧限抗压强度不断增加，新集料用量越大，提升幅度越明显，掺加30%新集料的水泥冷再生混合料无侧限抗压强度相对于未掺加新集料的试件提升了约50%。这是因为再生料粒径较细，且因面层、基层材料自身强度较低，导致其混合料强度不高，而掺加新集料后，大粒径的新集料在水泥冷再生混合料中起到了骨架支撑的作用，提升了混合料的抗压强度，且随着新集料用量增加越大，新集料的骨架结构作用越明显，其抗压强度提升也越明显[11]。

2.2 劈裂强度

不同新集料掺量下水泥冷再生混合料劈裂强度测试结果如表4所示。

表4 不同新集料掺量下水泥冷再生混合料劈裂强度测试结果

由表4可知，掺加10%新集料后水泥冷再生混合料的劈裂强度相比未掺加新集料的混合料提升了25%以上；且随着新集料掺量增加，水泥冷再生混合料的劈裂强度提升幅度较无侧限抗压强度提升更明显，掺加30%新集料的水泥冷再生混合料无侧限抗压强度相对于未掺加新集料的试件提升超过80%。这是因为冷再生混合料扁平状颗粒含量相对较大，且颗粒成分复杂，导致其劈裂强度较小[12]，而新集料的掺加，明显提升了水泥冷再生混合料的劈裂强度。

2.3 回弹模量

不同新集料掺量下水泥冷再生混合料回弹模量测试结果如表5所示。

表5 不同新集料掺量下水泥冷再生混合料回弹模量测试结果

由表5可知，掺加新集料后水泥冷再生混合料的回弹模量提升明显，且随着新集料掺量增加，水泥冷再生混合料的回弹模量逐渐增加，这与无侧限抗压强度和劈裂强度结果一致；掺加30%新集料的水泥冷再生混合料回弹模量相对于未掺加新集料的试件提升了45%以上。这是因为冷再生混合料的粒径多小于19.5 mm，且颗粒强度较小，使得未掺加新集料的冷再生混合料回弹模量较小，掺加新集料后，水泥冷再生混合料的回弹模量提升。

3 水泥冷再生混合料稳定性研究

冷再生混合料具有自身吸水率大、颗粒致密性差等特性，会导致水泥冷再生混合料遇水后强度降低，从而导致路面结构破坏。为此基于软化系数和耐冻系数研究水泥冷再生混合料的水稳定性和冻稳定性，对其稳定性进行评价。

3.1 水稳定性

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中的方法分别测试不同新集料掺量下水泥冷再生混合料饱水、未饱水劈裂强度，测试结果如表6所示，水泥冷再生混合料软化系数如表7所示。

表6 不同新集料掺量下水泥冷再生混合料饱水、未饱水劈裂强度测试结果

由表6、表7可知，随着水泥剂量增加，水泥冷再生混合料的软化系数略有提高；相同水泥剂量下，未掺加新集料的水泥冷再生混合料试件的软化系数不足0.80，掺加新集料后其软化系数明显提高，新集料掺量大于20%、水泥冷再生混合料的软化系数超过0.90，表明掺加新集料后其水稳定性提升明显。

表7 水泥冷再生混合料软化系数

3.2 冻稳定性

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中的要求分别测试未经冻融循环和经过5次冻融循环的水泥冷再生混合料试件的无侧限抗压强度，不同新集料掺量下水泥冷再生混合料冻融、未冻融抗压强度测试结果如表8所示，水泥冷再生混合料耐冻系数如表9所示。

表8 不同新集料掺量下水泥冷再生混合料冻融、未冻融抗压强度测试结果

表9 水泥冷再生混合料耐冻系数

由表8、表9可知，相同水泥剂量下，未掺加新集料的水泥冷再生混合料试件的耐冻系数约为0.85，掺加新集料后其耐冻系数明显提高，新集料掺量大于20%时，水泥冷再生混合料的耐冻系数超过0.93，这是因为冷再生混合料的吸水率高、空隙率大，冻融过程中水分反复作用使混合料内部结构破坏，导致其强度下降，而掺加新集料后其吸水率和空隙率均降低，且结构稳定性提升，使得其抗冻融能力提升，耐冻系数明显提高[13]。

4 旋转压实水泥冷再生混合料可靠性验证

在对旋转压实法成型水泥冷再生混合料性能进行研究的基础上，新集料掺量30%、水泥剂量4%时，分别采用传统静压成型法和旋转压实法制备水泥冷再生混合料试件，对比其性能以验证旋转压实法成型水泥冷再生混合料的可靠性。两种成型方法的水泥冷再生混合料性能测试结果如表10所示。

表10 两种成型方法的水泥冷再生混合料性能测试结果

由表10可知，相对于传统的静压成型方法，旋转压实法制备的水泥冷再生混合料试件的力学性能和稳定性能明显提升，其中力学性能提升幅度在30%以上，且稳定性能也略有提升。这是因为旋转压实法采用揉搓压实工艺，混合料颗粒移动更充分，使其制备混合料的密实度更高、性能更优，可缓解静压成型法制备试件与现场芯样性能相关性较低的问题；也说明相较于传统静压成型法，旋转压实法用于室内制备水泥冷再生混合料试件的可靠性更好。

5 结论

(1) 随着新集料掺量增加，水泥冷再生混合料最佳含水量降低、最大干密度增加。

(2) 相同水泥剂量下，掺加新集料后水泥冷再生混合料的力学强度明显提升，提升幅度均在20%以上；掺加30%新集料的水泥冷再生混合料无侧限抗压强度、劈裂强度及回弹模量相较于未掺加新集料的试件分别提升了约50%、80%和45%。

(3) 相同水泥剂量下，随着新集料掺量增加，水泥冷再生混合料的稳定性逐渐增加，掺加30%新集料的水泥冷再生混合料的软化系数和耐冻系数分别达到0.93和0.95以上。

(4) 相对于传统的静压成型方法，旋转压实法制备的水泥冷再生混合料试件的力学性能提升幅度在30%以上，且稳定性能也略有提升。