（交通运输工程专业论文）全深式就地冷再生路面基层质量控制.pdf

i i i 1 iii l l li l lll ll li y 17 3 013 2 q u a l i t y c o n t r o lo ft h ef u l ld e e p c o l d - p l a c er e c y c l i n g p a v e m e n tb a s e ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c ei ne n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：s ux i a o y a n s u p e r v i s o r ：a s s p r o f c h e nh u a x i n c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：细p 年占具向e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丐渺为p 年二月，多日 导师签名：户听知 加，口年乡月f 日 摘要 我国早期修建的公路大多已进入大、中修期，每年有大量沥青路面需要维修、改建， 若在旧路基础上重新铺筑新路面结构，不仅抬高了路面，使原路面配套设施不再适用， 维修成本高昂，而且造成资源浪费。采用再生技术，使得旧路面的材料可重新利用，且 能恢复路面的使用性能，是可持续发展战略的需要，也是需要工程技术人员需要深入探 索的问题。 论文在国内外已有研究成果的基础上，采用全深式就地冷再生技术( f d r ) 处理半 刚性基层沥青路面，探讨f d r 技术机理和可靠的结构设计方法，分析了f d r 混合料路 用性能，并结合国道1 0 8 西宝南线户县段养护工程，对f d r 施工工艺以及质量控制进 行深入分析和研究。结果表明全深式就地冷再生( f d r ) 路面基层技术的理论上可行、 操作性强，经济性好。论文提供了一套f d r 施工质量控制方法，为以后路面基层中冷 再生技术工程的实施提供了理论依据和实践经验。 关键词：全深式就地冷再生技术，路面基层，路面结构设计方法，混合料性能，机理研 究，施工工艺，质量控制 a b s t r a c t h i g h w a y sc o n s t r u c t e db e f o r ea r ea l m o s tn e e dr e c o n s t r u c t i o nn o w e a c hy e a r , t h e r ea r e n u m e r o u sa s p h a l tp a v e m e n t sn e e dt ob er e p a i r e do rr e c o n s t r u c t e d r e p a i r i n gn e wp a v e m e n t s o nt h eo l do n e ，w i l ln o to n l yr a i s et h er o a ds u r f a c ec a u s i n ge q u i p m e n t sc a l ln o tb er e u s e d ，b u t a l s o ，r e s u l ti naw a s t eo fr e s o u r c e s i nc o n s t r u c t ，b yt h ea d o p t i o no fc o l di n p l a c er e c y c l i n g t e c h n o l o g y , t h em a t e r i a l so fo l dp a v e m e n tc a l lb er e s t o r e da g a i n s oc o l di n - p l a c er e c y c l i n g t e c h n o l o g yi st h en e e df o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，a n di sac h a l l e n g ef o ro u rr e s e a r c h e sa n d b a s e do nr e s e a r c hr e s u l t sf r o mh o m ea n da b r o a d ，t h ef d rt e c h n o l o g yw a su s e df o r s e m i r i g i dp a v e m e n t ，t h em e c h a n i s mo ff d ra n dt h ed e s i g nm e t h o dw e r es u m m a r i z e d ，a n d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ef d rm i x - m a t e r i a l sw e r ea n a l y z e d a i m e da tn a t i o n a lr o a d10 8 ，t h e c o n s t r u c t i o nc r a f ta n dq u a l i t yc o n t r o lt e c h n o l o g yo ff d rw e r ea n a l y z e da tl e n g t h i ti ss h o w n t h a tf d rf e a s i b l e ，e a s yt ou s ea n d c a ns a v eal o to fm o n e y ，t h ep r o p o s e dm e t h o df o r c o n s t r u c t i o nq u a l i t yc o n t r o lp r o v i d e st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n de x p e r i e n c ef o rf d r k e yw o r d s ：f u l ld e e pc o l d - p l a c er e c y c l i n gt e c h n o l o g y , p a v e m e n tb a s e ，d e s i g nm e t h o do ft h e p a v e m e n t s ，p e r f o r m a n c eo ft h em i x t u r e ，m e c h a n i s ms t u d y , t h ec o n s t r u c t i o n c r a f t ，q u a l i t yc o n t r o l i i 目录 第一章绪论1 1 1 问题提出及研究意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 主要研究内容3 第二章全深式就地冷再生( f d r ) 机理及结构设计方法研究5 2 1 全深式就地冷再生技术概述5 2 1 1 全深式就地冷再生技术简介5 2 1 2 就地冷再生的优点5 2 1 3 全深式就地冷再生类型6 2 1 4 化学稳定全深式就地冷再生( f d r ) 添加剂选择【i - 9 6 2 2 实体工程及现场调查9 2 2 1 实体工程9 2 2 2 旧路面调查分析9 2 3 全深式就地冷再生路面结构设计1 2 2 3 1 交通量调查1 2 2 - 3 2 设计弯沉值计算1 3 2 3 3 路面材料设计参数一1 3 2 4 全深式就地冷再生配合比设计一1 4 2 4 1 再生材料级配的确定1 4 2 4 2 确定配合比1 4 2 5 本章小结1 7 第三章全深式就地再生( f d r ) 混合料性能研究1 9 3 1 再生材料回弹模量与材料组分关系研究1 9 3 1 1 再生材料的构成与微观结构1 1 1 9 3 1 2 回弹模量与材料组分关系2 0 3 2 冷再生混合料性能分析一2 6 3 2 1 劈裂强度和抗压回弹模量。2 6 3 2 2 收缩特性研究2 8 3 2 3 稳定特性研究3 0 3 2 4 疲劳特性研究31 i i i 3 3 本章小结3 2 第四章全深式就地冷再生施工工艺及质量控制3 3 4 1 全深式就地冷再生施工工艺3 3 4 1 1 施工工艺原理3 3 4 1 2 施工工艺控制3 4 4 2 质量控制与评价4 0 4 2 1 施工控制要点4 0 4 2 2 质量控制指标4 1 4 2 3 检查项目4 2 4 2 4 工程实体指标试验检测结果4 3 4 3 技术应用前景4 7 4 4 本章小结4 8 主要结论及进一步研究建议4 9 参考文献。 j ! i ：谢5 3 i v 长安大学硕士学位论文 1 1 问题提出及研究意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 目前，我国公路建设飞速发展，每年投资规模已经超过2 0 0 0 亿元。截至2 0 0 9 年底， 全国公路总里程达到3 8 7 万公里，其中高速公路6 5 万公里，已居世界第二位。在公路 建设事业蓬勃发展的同时，交通量不断增长、轴载明显增加，超限超载车辆给沥青路面 带来明显的损坏特别是早期破坏。同时，我国九十年代陆续建成的高等级路面己进入大、 中修期，我国的公路基础设施已由以建设为主，转为建设、养护并重，公路的养护技术 和养护管理已经得到人们越来越多的重视。 在我国已建成的高级和次高级路面中，沥青路面的数量占了很大的比重。按照这些 沥青路面的设计寿命( 1 5 - 2 0 年) 和实耐8 】使用情况，从现在起，每年将有1 2 左右的沥 青路面需要翻修，可再生的沥青混合料预计将达到每年2 0 0 0 万吨左右，并还将以15 的速度增长。1 0 年以后，我国沥青路面的大、中修产生的旧沥青混合料预计将达到8 0 0 0 万吨左右。对于这些被铣刨下来的材料( r a p ) ，如果仅仅采用抛弃这种简单的处理方式， 不仅会占用大量的土地，而且还会造成周边环境的污染，就材料本身而言，也是一种极 大的资源浪费。采用再生技术，使得旧路面的材料得到重新利用，是一项符合可持续发 展规律的有效措施，也是摆在研究人员、工程技术人员面前的一个实际问题。 随着公路建设投资多元化体制的不断深入，公路建设受市场经济制约的特点越来越 突出，对公路建设投资效益的要求也越来越高，为了使有限的资金能够发挥最大的效能， 新技术、新材料和新工艺逐渐受到建设单位和工程技术人员的重视，也越来越多的应用 于公路工程建设中。再生技术由于其快速、经济、环保、节约资源等优点而得到广泛的 利用。 1 1 2 研究意义 沥青路面再生适用于道路的铺筑、翻修、养护与维修。随着人们对环保、社会效益 的关注及技术的进步，沥青路面再生利用技术越来越受到人们的重视，它具有以下几方 面意义： 第一章绪论 1 ) 沥青路面冷再生比传统的维修方法更节约成本。 2 ) 可以缩短施工期，提高施工区域行车安全水平。冷再生施工工艺简单，施工进 度快，开放交通早，可以不中断交通施工，保证道路的畅通。 3 ) 可再生利用和保护不可再生自然资源，保护环境，节约能源。对砂石等自然资 源进行二次利用，同时避免了砂石材料的过度开采，节约沥青能源，避免因旧路面材料 废弃占用土地，同时对环境造成污染。 4 ) 采用冷再生技术，保留了现有道路的几何结构和净空，纠正路面纵断面和横坡， 提高路面平整度，提高路面力学性能。 5 ) 全深式就地冷再生适用于道路大面积变形和破坏的情况，再生后的沥青路面与 新铺沥青路面性能基本相当。 由于冷再生技术具有以上优点，因此实施冷再生技术对于节约自然资源，保护自然 环境以及在高速公路的维护中具有非凡的意义。 1 2 国内外研究现状 国外对沥青路面再生利用研究，最早从1 9 1 5 年在美国开始的，但由于以后大规模 的公路建设而忽视了对该技术的研究。1 9 7 3 年石油危机爆发及1 9 7 5 年大规模冷刨设备 的发展和使用，伴随可替换铣刀的出现，美国对这项技术重新引起重视，并在全美范围 内进行广泛研究，到2 0 世纪8 0 年代末美国再生沥青混合料的用量几乎为全部路用沥青 混合料的一半，并且在再生剂开发、再生混合料的设计、施工设备等方面的研究也日趋 深入。沥青路面的再生利用在美国已是常规技术应用于生产，目前其重复利用率高达 8 0 。 西欧国家也十分重视这项技术，联邦德国是最早将再生料应用于高速公路路面养护 的国家，1 9 7 8 年就将全部废弃沥青路面材料加以回收利用。芬兰几乎所有的城镇都组 织旧路面材料的收集和储存工作，用于各类道路路面工程。法国现在也已开始在高速公 路和一些重交通道路的路面修复工程中推广应用这项技术。日本于1 9 7 4 年开发，到2 0 0 0 年全国再生的沥青混合料的生产量超过全部沥青混合料的3 0 ，达到4 0 0 0 万吨。 我国在上世纪五十到七十年代，曾在不同程度上利用过废旧沥青混合料来修路，但 均作为废物利用考虑，所得的成品一般只用于轻交通道路、人行道或道路的垫层。山西、 湖北、河北等省的公路养护单位是国内较早回收利用废旧渣油路面材料的部门，他们在 2 长安大学硕士学位论文 七十年代初期就将开挖的废旧油面层在维修养护时用于铺作基层。到1 9 8 2 年山西省结 合油路的大中修工程共铺筑重点试验段8 0 余公里，湖北省公路局发动全省各公路养护 单位进行了广泛系统的再生利用试验研究，对各种等级的路面、各种交通量、各种地形 气候条件、各种路面结构类型的旧油面层的再生利用进行了系统的试验研究，共铺筑各 种类型的试验路8 8 公里。在国家“七五”和“八五”科技攻关中，对沥青路面的再生机理、 再生设计方法和再生施工工艺实用技术进行了比较系统的研究。 我国是从八十年代初开始旧沥青路面再生利用研究的，但由于公路建设重心的转 移，养护工作得不到足够的重视，路面再生技术研究也处于停滞状态，再加上当时的公 路等级低，旧沥青路面再生的问题不是特别突出，故迟迟没有研制开发出实用性的旧沥 青路面再生技术及设备投入工程应用。随着大量沥青路面已陆续进入了维修或改建期， 开发适用于沥青路面的再生技术这一工作已成为公路工作者的议题。国家“十一五”规划 的编制建议中提出，今后我国的资源利用率要显著提高，单位国内生产总值能源消耗要 比“十五”期末降低2 0 左右。北京首次采用废旧沥青混合料再生利用技术，在海淀区羊 坊店路铺设了第一条环保沥青道路。随着我国高等级沥青路面维修养护量的不断增加， 对沥青混合料再生技术有必要进行深入、系统的研究。目前我国已有不少单位购买了国 外的再生设备，并开始对旧沥青路面的再生技术进行应用研究。 在我省2 0 0 5 年4 月，西宝高速公路首次采用厂拌冷再生工艺在高速公路上翻修施 工。2 0 0 6 年，西安市公路局对g 1 0 8 国道k 1 4 4 2 + 0 0 0 一k 1 4 4 4 + 0 0 0 段共2 公里沥青路面 采用全深式就地冷再生技术进行翻修。 与发达国家相比，我国的沥青路面再生现状，无论从再生利用方式、材料性能还是 到实用施工技术以及质量控制关键环节的研究均处于起步阶段，尚未形成系统、深入的， 适合我国路用材料的配合比设计方法、施工工艺和质量控制标准。而且我国沥青混凝土 路面的破坏往往伴随着基层的破坏，因此，全深式路面就地冷再生作为结构补强的再生 方式，这方面的研究工作将会越来越受到重视。 1 3 主要研究内容 本文在国内外己有研究成果的基础上，根据国内普遍采用半刚性基层沥青路面这一 结构特点，以及路面大面积损坏的情况，研究旧沥青路面的全深式就地冷再生技术 ( f d r ) ，重点解决沥青路面就地冷再生的材料配合比设计、施工工艺以及质量控制与 评价，将再生的混合料应用于路面基层，满足相应的路用性能要求。为沥青路面全深式 3 全深式就地冷再生配合比设计； 2 全深式就地冷再生混合料性能研究 再生材料回弹模量与材料组分关系研究； 冷再生混合料性能分析； 3 施工工艺及质量控制 工程施工工艺及质量控制； 工程质量检验与评价； 工程应用前景分析； 图1 1 研究流程图 4 长安大学硕士学位论文 第二章全深式就地冷再生( f d r ) 机理及结构设计方法研究 2 1 全深式就地冷再生技术概述 2 1 1 全深式就地冷再生技术简介 采用专用的就地冷再生设备，对旧沥青路面进行现场冷铣刨，破碎和筛分( 必要时) ， 掺入一定数量的新集料、再生结合料、活性填料( 水泥、石灰等) 、水，经过常温拌和、 摊铺、碾压等工序，一次性实现旧沥青路面再生的技术，它包括沥青层就地冷再生和全 深式就地冷再生两种方式。再生层既包括沥青材料层又包括非沥青材料层，称为全深式 就地冷再生。 2 1 2 就地冷再生的优点 与其它再生方式相比，在旧路维修改造工程中采用全深式就地冷再生有以下优点： 1 、简化施工工序 不存在旧路材料的运输和弃置问题，需要的机械设备很少。沥青材料层和部分基层 材料全部现场利用，同时拌和破碎，并就地碾压成型。只需要一台复拌机和平地机、碾 压设备即可开展再生作业。 2 、可以显著提高结构使用性能 通过使用稳定剂，可使结构承载力大大改善，老化路面基层通过改造可以恢复表面 状况和排水，使厚结合层均匀，同时消除拥抱、车辙、坑槽、坑洞和裂缝。 通过基层承载力的提高，从根本上实现公路等级的提高，这一点对低等级公路的提 级改造尤其具有特殊意义。 3 、磨耗层类型和厚度有更多的选择余地 全深式就地冷再生是结构性补强，路面的承载能力大大加强，因此，对上部的磨耗 层要求较低，磨耗层可以进行多种选择。 4 、保护环境 因为旧料的利用大大减少了新材料的开采量，也不存在废弃旧料的运输和堆放问 题。现代再生机械所具有的封闭式自动控制添加系统，不仅配备精确，而且防止了粉尘 的飞扬，从根本上满足了环境保护的要求。因此，它是一项绿色( 公路维修改造) 技术。 5 、适用范围广 5 第二章全深式就地冷再生( f d r ) 机理及结构设计方法研究 适用于所有需要提级的旧路改建工程，及高等级公路和部分城市道路的维修改造。 总而言之，全深式就地冷再生技术是工艺简单，节省能源，保护环境、交通干扰少 且经济节约的结构补强方式，根据国外的施工资料介绍，与在旧路面上加铺新材料的维 修改造方法相比，就地冷再生形成面层可降低成本2 0 ，全深式就地冷再生形成基层约 可降低成本4 6 。 2 1 3 全深式就地冷再生类型 全深式就地冷再生有三种类型的稳定方法： ( 1 ) 机械稳定通过添加粒状材料( 如新集料) 或再生材料( 如回收沥青路面材 料( 凡廿) ) 或粉碎的水泥混凝土获得。 ( 2 ) 化学稳定通过添加石灰、水泥、粉煤灰、石灰或水泥窑渣等各种化学产品 获得。 ( 3 ) 沥青稳定通过使用液体沥青、乳化沥青或泡沫沥青获得。 对于全深式就地冷再生，水泥、石灰或水泥与石灰或水泥与粉煤灰的混合物及高炉 炉渣的添加可以采取预先撒布方式，也可以通过机载一体式撒布装置撒布。乳化沥青和 泡沫沥青均为液态，应该将运输罐车与冷再生主机用输送管道相连，通过主机上的计量 控制系统自动添加。水泥既可撒布，也可作为稀浆添加，但出于环保及精确考虑，最好 采用专用水泥稀浆搅拌输送车，它能够按比例连续地将水泥搅拌成稀浆( 悬浊液) ，并通 过计量控制系统输送给主机。不仅计量精确，而且可以防止材料损失和粉尘污染。 2 1 4 化学稳定全深式就地冷再生( f d r ) 添加剂选择1 叫 常用添加剂为水泥( 干粉或稀浆) 、石灰( 熟或生石灰) 、粉煤狄( c 或f 型) 、氯 化钙、氯化镁及石灰粉煤灰、水泥粉煤灰等化学品。添加剂材料的各种性能指标是影响 旧路材料再生 1 水泥 水泥属于 浆体变成坚硬 水泥浆既能在 泥的品种很多 水泥及火山灰 长安大学硕士学位论文 矿渣硅酸盐水泥及火山灰质硅酸盐水泥。硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥早期强度高，凝 结硬化快，抗冻性好，但耐腐蚀性较差；矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥早期强 度低，但后期强度增长快，耐腐蚀性好。建议选用早期强度高的普通硅酸盐水泥，如能 保证养生条件，也可采用矿渣硅酸盐水泥。水泥标号可选用p c 3 2 5 级、p 0 4 2 5 级，高 标号水泥在使用剂量上可酌情减量，但需经过试验达到要求的强度。要求水泥的厂家提 供出厂合格证及质量检验报告。使用之前要复测水泥强度、初凝时间、终凝时间和安定 性等。 2 石灰粉煤灰 石灰粉煤灰俗称二灰，它是由石灰和粉煤灰按一定比例掺合而成的无机混合稳定材 料，稳定效果分别与石灰、粉煤灰的性能及两者的掺合比例有关。二灰的稳定作用主要 取决于它们的火山灰反应程度，火山灰反应是指c a o 水化产生的c a ( o h ) 2 为火山灰反 应提供了碱性环境，粉煤灰中活性s i 0 2 、a 1 2 0 3 等物质在碱性激发下，在水的参与下 与c a ( o h ) 2 作用生成水硬性物质一水化硅酸钙( c s h ) 、水化铝酸钙( c a h ) ，这些 水化产物与水泥水化产物类似，与集料胶凝在一起形成强度。石灰粉煤灰( - - 灰) 作为冷 再生混合料的添加剂与单纯石灰添加剂相比，具有强度高、耐久性好、水稳性好、整体 性强的优点。 1 ) 石灰 石灰是由石灰石、白云石、方解石等原材料锻烧而得的，石灰石的主要成份是碳酸 钙( c a c 0 3 ) ，还含少量碳酸镁( m g c 0 3 ) 。石灰材料的工程性能与以下技术指标有关： 石灰中有效氧化钙和氧化镁( c a o 十m g o ) 的含量。石灰中产生粘结的有效成份 是活性氧化钙和氧化镁，它们的含量是评价石灰质量的主要指标。 生石灰产浆量和未消化残淹含量。产浆量是单位质量的生石灰经消化后，所产 石灰浆体的体积。石灰产浆量愈高，则表示其质量愈好。未消化残渣含量是生石灰消化 后，未能消化而存留在2 3 6 m m 方孔筛上的残渣占试样的百分率。 二氧化碳( c 0 2 ) 含量。生石灰或生石灰粉中c 0 2 含量指标，是为了控制石灰石 在锻烧时“欠火”造成产品中未分解完成的碳酸盐增多。 消石灰粉游离水含量。游离水含量是指化学结合水以外的含水量，游离水蒸发 后留下孔隙会加剧消石灰粉碳化现象的产生，因而影响其使用质量。 细度。细度与石灰的质量有密切关系，通过一定孔径的筛余百分率来控制，过 量的筛余物影响石灰的粘结性。 7 第二章全深式就地冷再生( f d r ) 机理及结构设计方法研究 2 ) 粉煤灰 粉煤灰是火力发电厂的副产品，它是磨细煤粉燃烧后从烟筒排出的废品。有湿排灰 和干排灰两种。粉煤灰是一种硅质的或硅铝质火山灰材料。它本身很少或没有粘结性， 但是当它以细分散的状态与水和消石灰或水泥混合时，在常温下与氢氧化钙发生反应能 形成一种具有粘结性的化合物。粉煤灰颗粒是实心的或空心的球状颗粒，玻璃含量( 非 晶质材料) 占7 1 - 8 8 。粉煤灰的非晶质成份是石灰粉煤灰火山灰反应的主要成份。 粉煤灰中硅含量最高，其次是铝，以复杂的复盐形式存在，酸溶性较差；铁含量相对较 低，主要以氧化物形式存在，酸溶性好；此外还有未燃尽的炭粒、c a o 和少量的m g o 、 n a 2 0 、k 2 0 、s 0 3 等氧化物。粉煤灰的颗粒尺寸变化在o o l m m - - 一o 2 5 m m 之间，小于 0 7 5 m m 的颗粒含量可变化在6 0 - - 9 8 之间，它的比面积一般在2 0 0 0 c m 2 g , - 一3 5 0 0 c m 2 儋之间。粉煤灰的性能跟以下技术指标有关。 含碳量( 在8 0 0 。c - 9 0 0 c 温度下能烧失的量) ，粉煤灰中的含碳量过多会影响其 活性。 氧化物含量( s i 0 2 + a 1 2 0 3 十f e 2 0 3 ) ，粉煤灰中氧化物的含量对二灰混合料的强 度有明显影响。 细度，粉煤灰颗粒的粗细直接影响与石灰或水泥混合后反应生成物的数量，从 而影响混合料的强度。粉煤灰的颗粒越细，比表面积越大，粉煤灰的活性越强，从而增 加混合料的抗压强度。 3 水泥粉煤灰 粉煤灰具有火山灰活性，但粉煤灰本身没有水硬性，与水拌和后也不能产生明显的 强度。粉煤灰与石灰或水泥混合后，加水后能跟氢氧化钙发生反应。水泥粉煤灰是一种 用水泥代替石灰作粉煤灰活性激发剂的稳定混合材料。水泥的水化产物氢氧化钙正是粉 煤灰所需的活性激发剂，粉煤灰中的氧化硅、氧化铝等活性物质能和水泥发生反应，形 成强度，水泥的技术特性、粉煤灰的质量以及水泥粉煤灰比例是影响水泥粉煤灰添加剂 稳定性的重要因素。 粉煤灰与水泥的反应机理如下：粉煤灰在水泥粉煤灰稳定集料中的有效效应包括形态 效应、火山灰效应和微集料效应三种。其中粉煤灰的形态效应和微集料效应主要和耐久性 有关，而和强度最相关的火山灰效应是指粉煤灰中玻璃质的触2 0 3 、s i 0 2 能和水泥水化产 生的高碱型水化硅酸钙凝胶及c a ( o i 4 ) 2 晶体发生反应( 即火山灰反应) ，生成低碱型的水化 硅酸钙凝胶，有利于混合料中凝胶数量的增多和结构的增密。其化学反应式如下： 8 长安大学硕士学位论文 2 ( 3 c a 0 s i 0 2 ) + 5 5 4 2 0j3 c a o 2 s f o = 2 5 h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2 2 ( 3 c a 0 0 2 ) + 5 5 4 2 0 岭3 c a o 2 s i o = 4 鸠0 + 3 c a ( o h ) 2 x c a ( o h ) 2 + q + 0 1 ) z 4 2 0 _ x c a o & 0 2 n i l 2 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) x c a ( o h ) 2 + 彳乞0 3 + ( 刀一1 ) h 2 0 专x c a o 么如q 尼以d ( 2 4 ) 式中x 表示1 或2 ，( 1 ) 、( 2 ) 是水泥水化产生c a ( o h ) 2 ，( 3 ) 、( 4 ) 是粉煤灰玻璃体与 c a ( o h ) 2 发生火山灰反应。由于水泥水化初期产生的c a ( o h ) 2 晶体较纯且易溶于水，离 解出大量的c a 2 + 和o h 一，使粉煤灰水化加快，同时水泥产生c s h 和c a h ，因此混 合料一般具有较高的早期强度。随着混合料在一定温度和湿度条件下养生时间的增长， 水分通过各种毛细孔供给，c a ( o h ) 2 继续溶解，含有c a 2 + 和o h 一的溶液通过粉煤灰表面 水化胶凝物间的缝隙向里渗透，使火山灰反应继续进行，增加了混合料中胶凝物的数量， 填充了颗粒间的孔隙，使结构整体变得紧密；同时，水化粉煤灰颗粒间胶凝物相互交叉 嵌锁，增加了界面间的摩阻力，使混合料的后期强度有很大增长。 2 2 实体工程及现场调查 2 2 1 实体工程 本研究依托g 1 0 8 西宝南线( k 1 3 2 8 + 6 0 0 - 、一, k 1 3 4 7 + 1 0 0 ) 户县段养护工程。该项目 全长1 8 5 公里，1 9 9 8 年按旧路改建工程设计为平原微丘区双向两车道二级公路，设计 车速8 0 k m h ，路基宽度1 2 米。原路面结构为3 c m 细粒式沥青混凝土+ 4 c m 中粒式沥青 混凝土+ 1 8 c m 二灰碎石基层+ 2 0 c m 石灰土底基层。2 0 0 5 年对该段道路局部破损严重路 段进行了挖补罩面维修。 2 2 2 旧路面调查分析 l 、原路面主要调查分析内容如下： 1 ) 调查破损情况，包括裂缝率、车辙深度、修补面积等。 2 ) 评价原路面结构承载能力。 3 ) 根据破损情况调查和承载能力测试与评价，选择路面外观为好、中、差的典型 使用状况，进行分段钻芯或探坑取样，采集沥青混合料和基层、底基层、土样的样品试 验，分析破坏原因，判断其破坏层位及是否可以利用。 4 ) 取样调查路床范围内路基土的分层含水量、土质类型及承载力等，分析路基的 9 第二章全深式就地冷再生( f d r ) 机理及结构设计方法研究 稳定性、强度以及路基范围内排水状况等。 2 、弯沉调查及旧路面强度评定 1 ) 弯沉调查。 路面实测弯沉值是路面结构承载能力的综合反映，是计算路面强度指数s s i 的重要 参数。每公里代表弯沉值见表图2 1 。 夏 | r 入 一l 芦n - ，、l 叫r w 飞 一 图2 1 左、右幅路面弯沉值比较图 从2 1 图可看出右幅k 1 3 3i + 0 0 0 - k 1 3 3 2 + 0 0 0 段代表弯沉较大，其原因是路面结构 承载力下降，且不同地段强度不均匀性较大，离散性大。k 1 3 3 5 + 0 0 0 k 1 3 4 3 + 0 0 0 段代 表弯沉左幅明显大于右幅。左幅重载车辆较多，是造成路面承载力下降的主要原因。 2 ) 旧路面强度评定 根据检测结果及各测点的弯沉值接近原则，来划分处治段落，计算各路段代表弯沉、 原路面当量回弹模量、路面强度指数( s s i ) 及强度等级。各分段数值见表2 1 。 表2 1 西宝南线左、右幅弯沉对照表 左幅 右幅 分段桩号 平均弯标准差代表弯 强度 平均弯标准差 代表弯 强度 沉l p s 沉l r 等级 沉l p s沉l r 等级 k 1 3 2 8 + 6 0 0 3 3 l l 6 9 5 0中 2 81 3 k 1 3 2 9 + 4 0 0 6 6 6 9 中 k 1 3 2 9 + 4 0 0 4 41 9 4 71 91 0 6 0 0 次 1 0 1 7 9 次 k 13 3 0 + 3 5 0 k 1 3 3 0 + 3 5 0 4 52 01 0 5 3 0 次 3 81 3 8 0 7 3 次 k 1 3 3 l + 4 5 0 1 0 扣 们 加 0 i 长安大学硕士学位论文 表2 1 西宝南线左、右幅弯沉对照表( 续) 左幅右幅 分段桩号 强度强度 平均弯 标准差 代表弯平均弯标准差代表弯 沉l p s 沉l r 等级等级 沉l p s沉l r k 1 3 3 1 + 4 5 0 - - 5 52 41 2 7 7 6 差 5 33 0 1 3 7 5 9 差 k l3 3 2 + 2 0 0 k 1 3 3 2 + 2 0 0 3 31 5 k 13 3 9 + 4 0 0 4 72 ll l o 2 1次7 7 9 2次 k 1 3 3 9 + 4 0 0 3 42 0 8 9 8 6次 1 9 1 1 4 9 8 4 良 k l3 4 0 + 0 8 0 kl3 4 0 + 0 8 0 - 2 41 1 k 1 3 4 2 + 5 0 0 3 91 89 2 6 6次5 6 8 6中 kl3 4 2 + 5 0 0 - 2 7 1 1 6 1 0 7 中 2 41 3 6 1 0 7中 k 1 3 4 7 + 1 0 0 3 、路况调研及路面破损状况评定 根据公路沥青路面养护技术规范j t t 0 7 3 2 2 0 0 1 表4 5 2 1 对路面破损进行检测 并分类统计汇总，确定破损状况等级见表2 2 。 表2 2 路面破损状况评定表 左幅右幅 分段桩号 综合破损 路面状综合破路面状 况指数 破损评 损率况指数 破损评价 价等级等级 率( d r ) ( p c i )( d r )( p c i ) kl3 2 8 + 6 0 0 - - kl3 2 9 + 4 0 02 3 0 84 5 3 3次 2 9 0 7 6 7 4良 k 13 2 9 + 4 0 0 - k l3 3 0 + 3 5 04 1 3 13 0 5 2 差 9 6 8 6 1 7 9 中 k 1 3 3 0 + 3 5 0 k l3 31 + 4 5 02 3 0 24 5 3 9次 5 1 6 7 0 5 2 良 k 1 3 3 l + 4 5 0 - k 1 3 3 2 + 2 0 05 3 6 42 2 6 2差 3 2 2 2 3 7 2 8差 k 1 3 3 2 + 2 0 0 k 1 3 3 9 + 4 0 01 1 6 15 8 8 l 中 5 9 5 6 8 7 3 中 k 1 3 3 9 + 4 0 0 k 1 3 4 0 + 0 8 02 8 6 54 0 2 4 次 6 1 6 6 8 2 8中 k 1 3 4 0 + 0 8 0 - k 1 3 4 2 + 5 0 02 8 1 8 4 0 6 4 次 7 2 0 6 6 1 7 中 k 1 3 4 2 + 5 0 0 k 1 3 4 7 + 1 0 01 0 6 56 0 2 5 中 5 4 4 6 9 8 7 中 同时，对弯沉值较大以及路面调查损坏较为严重的路段进行了钻孔取芯检测，并通 过钻芯取样调查明确几点内容：判断上、下面层的损坏程度，以确定挖补的厚度；判断 基层的损坏程度，确定是否维修基层；横缝的性质，是属于温缩裂缝还是半刚性基层的 反射裂缝：局部网裂是如何出现的，是否属于面层疲劳损坏；沉陷产生的原因。 4 、评价结论 根据公路沥青路面养护技术规范j t t 0 7 3 2 2 0 0 1 、公路沥青路面设计规范j t g 1 1 第二章全深式就地冷再生( f d r ) 机理及结构设计方法研究 d 5 0 2 0 0 6 ，调查分析旧路现状及病害发生的原因，结合目前国省干线公路的大修现状， 以路面强度指数( s s i ) 和路面状况指数( p c i ) 两项主要指标结合路面平整度、路面抗 滑性能确定处理方案。 路面结构强度指数( s s i ) 为中等以下，采用大修补强措施。 根据以上计算数据及分析，对于左、右幅路面结构强度指数不等路段，由于整幅路 面左、右幅标高应相等，采用冷再生基层方案时基层厚度相同，按最不利结果确定方案， 由上表确定，k 1 3 2 8 + 6 0 0 k 1 3 2 9 “0 0 、k 1 3 4 2 + 5 0 0 k 1 3 4 7 + 1 0 0 段结构强度指数左、 右幅均为中，根据规范采用中修罩面处理；k 1 3 2 9 + 4 0 0 k 1 3 4 2 + 5 0 0 段结构强度指数最 不利结果为次、差，故对以上路段采用水泥冷再生基层方案。 2 3 全深式就地冷再生路面结构设计 2 3 1 交通量调查 通过对西宝南线的交通量调查及从西宝南线沣河收费站处收集的交通量数据分析， 可知本次大修工程的基本交通组成和交通量。交通量增长率为2 ，设计年限为8 年。 表2 3 西宝南线现状交通量表 小客小货中货大客大货拖挂绝对数折算数 0 7 年1 8 2 88 8 98 6 33 6 67 8 45 34 7 8 36 2 8 7 0 8 年 1 8 6 5 9 0 78 8 03 7 38 0 05 44 8 7 96 4 1 3 0 9 年 1 9 0 29 2 5 8 9 83 8 08 1 65 54 9 7 66 5 4 1 表2 4 轴载换算与累计轴载 前轴重后轴重后轴后轴距 序号车型名称后轴数交通量 ( k n )( k n )组数( m ) 1北京b j l 3 0 1 3 5 52 7 21双轮组9 2 5 2东风l z 3 4 02 76 4 6l双轮组 8 9 8 3 红旗c a 6 3 01 9 - 32 7 91双轮组3 8 0 4 黄河y n 2 5 3 5 56 6l双轮组 3 5 5 设计年限8 年车道系数0 7交通量平均年增长率( )2 路面竣工后第一年日平均当量轴次 8 6 7 设计年限内一个车道上累计当量轴次 1 9 0 1 2 8 6 1 2 长安大学硕士学位论文 2 3 2 设计弯沉值计算 l d = 6 0 0 n , o 2 a c a 。a b( 2 6 ) l d设计弯沉值( 0 0 1 m m ) 。 n 一设计年限内一个车道累计当量轴次( 次车道) 。 a 。公路等级系数。为二级公路1 1 。 a 一面层类型系数。沥青混凝土面层为1 o 。 a b路面结构类型系数。依据公路沥青路面再生技术规范及全深式就地冷 再生基层材料回弹模量试验结果表明，冷再生基层材料与典型半刚性基层回弹模量比较 接近，因此属于半刚性材料范畴，路面结构类型系数取1 0 。 经计算，路面设计弯沉值为3 6 6 ( o 0 1 m m ) 。 2 3 3 路面材料设计参数 结合料沥青选用a 级9 0 号，采用中粒式沥青混凝土。水泥冷再生混合料9 0 天抗 压回弹模量与七天龄期抗压强度值关系为： e 9 旷文4 2 0 - 4 8 0 ) r 7( 2 7 ) 根据调查的旧路结构，以及旧路面弯沉值，计算旧路面当量回弹模量，根据原路面 结构类型，考虑原路面混合料的强度折减系数，可以计算出冷再生底面层的弯沉值，由 分段弯沉值可以近似得出冷再生结构层以下不同路段旧路结构的当量回弹模量。 k 1 0 0 0 书等啦 ( 2 8 ) l o = 9 3 0 8 e 9 3 8 ( 2 9 ) i 昏路面实测弯沉值( o 0 1 m m ) p 、6 标准车型的轮胎接地压强( m p a ) 和当量圆半径( i i l l n ) f弯沉综合修正系数 a 。理论弯沉系数 e o土基回弹模量值( m p a ) i o土基顶面的回弹弯沉计算值( 0 0 1 m m ) 最终确定沥青混凝土路面材料设计参数见表2 5 。 1 3 第二章全深式就地冷再生( f d r ) 机理及结构设计方法研究 表2 5 沥青路面抗压模量及劈裂强度 抗压模量e 1 ( m p a )劈裂强度( m p a ) 材料名称 2 0 1 5 1 5 a c 1 6 f1 2 0 01 8 0 00 8 水泥冷再生基层 8 0 08 0 00 3 将冷再生结构层作为一个独立的结构层，根据设计弯沉值和层底拉应力要求，应用 路面结构补强设计程序，分别计算路面冷再生基层厚度，确定冷再生基层设计厚度。 经分析计算，g 1 0 8 西宝南线户县境k 1 3 2 9 “o o k 1 3 4 2 + 5 0 0 段长1 3 1 k m ，路面结 构采用5 c m a c 1 6 f 型中粒式沥青混凝土+ 2 5 ( 2 0 、2 2 ) c m 水泥冷再生基层补强。 2 4 全深式就地冷再生配合比设计 2 4 1 再生材料级配的确定 当再生材料的粉碎、拌和及压实不能提供所需的结构支撑时，需要通过添加粒料如 新集料、再生粒状材料或r a p 来改善，粒