沥青路面水泥碎石基层现场冷再生施工技术及质量控制措施研究

董志刚，杨文强，荣华玉

（广饶县交通运输局，山东 广饶 257300）

0 引言

水泥就地冷再生施工技术是在旧路面维修过程中，使用专用的机械设备，并采用水泥材料为活性填料，在正常温度下对旧路进行现场铣刨、破碎，并在旧路铣刨料中掺加一定比例的新集料，现场拌和、摊铺及碾压，从而利用再生的旧路材料实现路面修复的施工技术。该技术与其余养护技术相比，施工工序简单，对于各等级公路维修养护均较为适用，并能充分利用旧路铣刨材料，大幅节省了废料转运及处置费用及新集料使用量。当前，水泥路面就地冷再生施工技术已经在我国高速公路以及普通国省干线公路改扩建维修养护施工中普遍应用。

1 工程概况

某国道起讫桩号K278+200—K310+100 段全长31.9km，该路段在设计及审核过程中一直按照一级公路处理，在该路段长期运行过程中，由于原路面结构层设计较为薄弱，且大型重型车辆运行频繁，公路上下行方向沥青面层及水泥稳定碎石基层承载力逐渐减弱，并先后出现较为严重的路面整体结构损坏和局部变形问题。为保证该路段公路性能的持续发挥，保证其服役年限，必须尽快进行病害处理。结合路面现场勘察结果，并综合考虑施工技术能力，决定对原水泥稳定碎石基层进行20cm 厚现场冷再生施工，并在交通荷载量较大、重载车辆多的路段加铺5cm 厚高模量AC-13C热拌沥青混合料面层、其余路段加铺5cm 厚SBS改性沥青AC-13C 面层。为保证施工质量，必须加强旧沥青路面水泥碎石基层铣刨再生混合料配合比设计，并通过试验路段的施工以确定具体施工参数。

2 旧路铣刨料级配特性

旧路面铣刨料是国省干线公路沥青路面水泥碎石基层现场冷再生养护施工中使用量最多的材料，其在再生混合料中的占比至少达到60%。旧路铣刨料的级配组成对于再生混合料级配特性及配合比等均存在直接影响；此外，旧路铣刨料因受到铣刨深度、铣刨施工速度等的影响，其级配也存在较大程度的变异特征[1]，为此，必须在沥青路面水泥碎石基层现场冷再生混合料配合比设计前，加强对铣刨料级配性能等的综合分析。

考虑到该国省干线公路工程实际情况、施工机械和施工技术水平，铣刨深度控制在20cm、铣刨速度控制在6.0m/min，并对铣刨材料进行级配性能分析，以确保室内试验材料与现场施工材料基本一致。所取得的旧沥青路面铣刨材料级配情况详见表1。

表1 旧沥青路面铣刨料级配情况

根据所得出的质量筛分结果，该旧沥青路面铣刨料内粒径19mm 以上的集料占比8%，而粒径26.5mm 以上的集料占比1.7%，粒径2.36mm 以下的集料占比27.6%，其中粒径在0.075～0.6mm、0.6～1.18mm、1.18～2.36mm 范围内的集料占比分别为4.8%、3.8% 和5.2%。总之，在现有施工情况下，旧沥青路面铣刨料中粗集料和细集料均占比过少，多为粉料，再生料制备过程中必须掺加一定比例粒径为10～30mm 的石屑和碎石料，以确保再生料具有合理的级配。

3 混合料配合比设计

3.1 原材料

结合以上对旧沥青路面水泥碎石铣刨料级配性能的分析，在进行再生料制备时必须掺加一定比例的碎石料和石屑，此外，还需要水泥作为基础材料。

根据《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）的具体要求，一级国省干线公路基层所使用的粗集料，其针片状颗粒含量及石料压碎值必须严格按照该规范确定，为此，本公路采用粒径10～30mm 的石屑和碎石料的性能参数必须符合表2要求。

表2 粗细集料技术指标

根据表2 中试验结果和技术要求的比较可以看出，本工程所选用的粗细集料性能均符合规范及设计要求。

水泥材料主要采用公路段所在地区政府采购协议供货品牌P·O 42.5缓凝型普通硅酸盐水泥，其性能参数取值情况具体见表3。

表3 缓凝型普通硅酸盐水泥性能参数

在确定旧沥青路面水泥碎石铣刨再生混合料配合比设计时，还必须全面测定铣刨料级配性能、实际含水率、塑性指数等参数取值，并将试验结果和技术要求进行比较。该国省干线公路旧沥青路面水泥碎石基层铣刨料实际含水率为1.5%，塑性指数为3.1%，符合规范要求。

3.2 配合比设计

3.2.1 矿料级配

在该国省干线公路旧沥青路面水泥碎石基层再生混合料矿料级配设计时，必须沿用相关规范所规定的水洗法进行石屑、碎石料等的筛分处理[2]。根据水洗法矿料级配筛分处理结果，为确保再生混合料力学强度及路用性能，避免混合料温缩、干缩等问题的出现，必须严格按照规范要求掺加细集料和中粗集料，并严格控制粉料用量。

3.2.2 再生料含水量和干密度

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ 057—1994）所给定的方法分别进行水泥掺量4%、4.5%、5%、5.5%时该旧沥青路面水泥碎石基层铣刨混合料重型击实试验，从而进行水泥掺量不同时混合再生料最大干密度和最佳含水率取值的确定。试验结果显示，当水泥掺量分别为4%、4.5%、5%、5.5%时，铣刨再生料最大干密度分别取1.990g/cm³、1.995g/cm³、2.014g/cm³和2.019g/cm³；最佳含水量分别取8.6%、9.1%、9.4%和10.2%。

3.2.3 目标配合比

根据试验所确定出的铣刨再生料级配，通过静压法测试该国省干线公路旧沥青路面水泥碎石铣刨再生混合料无侧限抗压强度，并将压实度控制在设计值的97%以上。水泥掺加量分别为4%、4.5%、5%、5.5%的情况下再生料7d 无侧限抗压强度分别为2.56MPa、3.12MPa、3.23MPa、4.09MPa；考虑变异系数的强度值为2.4MPa、2.9MPa、3.1MPa 和3.6MPa。此外，应用养护90d后的标准圆柱体试件进行铣刨再生料抗拉伸形变性能及劈裂强度试验，根据试验结果，当水泥掺加量分别为4%、4.5%、5%、5.5%时，试件劈裂强度均值分别为 0.40MPa、0.46MPa、0.48MPa 和 0.53MPa，考虑变异系数的强度代表值为0.38MPa、 0.41MPa、0.45MPa、0.49MPa。

综合考虑以上试验结果，若取4%的水泥掺加量，则铣刨再生混合料劈裂强度及抗压强度均不符合规范；而取4.5%及以上的水泥掺量时，再生混合料各项性能均满足规范要求。但考虑到水泥类材料会因水泥掺量的增大而增加结构强度，也会因水泥掺量增加而更容易引发干缩开裂[3]，且不利于工程造价的控制。所以，本次施工过程中，将水泥用量控制在4.5%，由此而确定出的再生混合料矿料比例为10～30mm 粒径碎石料∶石屑∶铣刨料=10∶10∶74，混合料最大干密度1.996g/cm³，最佳含水量9.1%。

4 施工控制及施工质量评定

4.1 施工控制

在结束配合比设计的基础上，在该国省干线待养护段选择长度200m 的路段进行了旧沥青路面水泥碎石基层铣刨冷再生试验。考虑到待养护路段交通量较大，决定采用半幅封闭施工的方式。开始施工前，先将路段封闭，并设置警示牌。冷再生基层厚20cm，从下至上分别为5cm 厚的新增石屑及碎石料层、10cm 厚的水泥石灰碎石土基层、5cm 厚的旧沥青面层，其上再加铺5cm 厚的热拌沥青混合料面层。结合《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）的具体要求，采用路拌法进行施工时，水泥掺量应在设计配合比的基础上增加1%，为此，在试验路段施工过程中，将水泥掺量确定为5.5%，此时所对应的再生混合料最大干密度2.019g/cm³，最佳含水率10.2%。

采用德国产功率522kW、施工宽度2.5m 的维特根WR-2500 型再生设备，并配备26t 悍马压路机、22t 柳工压路机及12t 三一光轮压路机各1 台，平地机1 台，洒水车及自卸车各4辆。施工时，必须在铣刨后再次核实铣刨料级配，并将再生机组的运行速度严格控制在9～12m/min 的设计范围内，并随时检查铣刨料拌和深度、水泥含量及含水率。

试验段施工结束并按要求养生后钻芯取样，芯样密实完整，长度在18.0～22.8cm范围内变动，且长度均值为21.0cm，符合规范要求。在此基础上，将芯样切割成标准试件进行了无侧限抗压强度试验，试验结果表明，芯样强度最大最小值分别为4.8MPa、2.7MPa，强度均值3.6MPa，超出规范所要求的2.5MPa。

4.2 施工质量控制及效果评价

考虑到当前我国并无可以参考和遵循的旧沥青路面冷再生结构质量评定标准，故该国省干线公路沥青路面水泥碎石基层现场冷再生养护施工质量主要参照现行沥青混凝土面层和半刚性基层检验标准。在进行正式施工前应选择试验段试铺，待冷再生结构层压实度、结构强度等参数取值均符合设计要求后再开始正式施工。该公路沥青路面冷再生混合料级配、水泥用量等必须严格按照设计控制；通过重型压路机将混合料碾压至设计平整度和密实度，从掺水拌和至碾压结束全过程应严格控制在4h 以内，且不超出水泥终凝时间。碾压施工结束后应及时按设计要求覆盖养生。该工程施工质量检测及控制要求具体见表4。

表4 施工质量检测及控制要求

对冷再生路段进行7d 无侧限抗压强度检测，根据检测结果，9 份试样7d 无侧限抗压强度均值为3.4MPa，偏差系数取4.2，施工质量为合格。对冷再生路段所进行的弯沉检测结果显示，冷再生处理后弯沉均值为54.9，而评定值为97，结果表明，冷再生处理后该沥青路面弯沉值明显降低，且弯沉值均匀性也得到显著改善。

就地冷再生技术在该工程中的应用，有效避免了传统旧路改造方式下对旧路面的挖除处理环节，同时也省去了旧路挖除后废料丢弃处理及基层所需原材料采购等环节，施工成本大幅降低，施工工期也得到缩短，且最大程度避免了对环境的不利影响。该公路铣刨料中细集料及中粗集料占比较小、粉料较多，在进行铣刨再生料制备时必须掺加粒径10～30mm 的石屑和碎石料；综合考虑再生混合料结构强度、路用性能及干缩、温缩特性和工程造价，确定的最佳水泥掺量为4.5%，并根据相关规范，在试验段施工过程中按照5.5%的比例掺加水泥。工程应用结果表明，就地冷再生旧路改造技术可100%回收利用旧路面层及基层铣刨料，使废料运输、堆放及处理费用大幅降低，其与传统的铣刨重铺以及加铺水泥石灰碎石灰土基层新材料等处治技术相比，所节约的直接施工成本近50%，社会效益、经济效益均十分显著。

5 结语

由本文分析结果可知，旧沥青路面就地冷再生施工技术属于新型公路养护技术，其与传统挖除技术相比，既能充分利用旧水泥路面材料，节省原材料使用量，降低养护施工成本，又符合国家环保要求，还能减轻一线施工人员劳动强度，可在同类工程中推广应用。