CN104389253B - 一种水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑垃圾再利用技术领域，具体公开了一种水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法。步骤一，确定路面结构的各结构层材料与厚度；步骤二，根据各结构层材料与厚度，建立计算模型，根据计算模型确定水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准和7d无侧限抗压强度设计标准；步骤三，进行基层或底基层的水泥稳定再生集料的级配组成设计，计算确定满足7d劈裂强度设计标准和7d无侧限抗压强度设计标准的水泥稳定再生集料的设计水泥剂量Copt；如果Copt≤6％，则设计通过；如果Copt＞6％，则调整水泥稳定再生集料的级配组成设计，使得Copt≤6％。该方法针对建筑垃圾再生集料的技术性质展开合理设计，投入成本低且使用操作简便，使用效果好。
Description
技术领域
本发明涉及建筑垃圾再利用技术领域，具体公开了一种水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法。
技术背景
建筑垃圾是指建(构)筑物建设与拆除、路面建设与翻修、混凝土生产和工程施工等状况下产生的固体废弃物。土木工程建设与拆除会产生大量建筑垃圾，我国正处于建设高峰期，每年产生的建筑垃圾达6亿吨，其中废弃的水泥混凝土占60％以上。
再生集料(Recycled Concrete Aggregate,RCA)是指建筑垃圾中的废弃水泥混凝土经分拣、剔筋、破碎、分级后形成的粒径小于40mm的集料，包括再生粗集料(4.75mm≤粒径＜40mm)和再生细集料(粒径﹤4.75mm)。自二次世界大战结束后，欧美等发达国家相继开展了建筑垃圾路用的研究，主要用于路面基层、路肩和路基，在少数情况下用于面层，美国有超过20个州在公路建设中采用再生骨料。中国各级政府部门鼓励建筑垃圾的资源化利用，全国人大于1995年11月通过了《城市固体垃圾处理》，要求“产生的部门必须交纳垃圾处理费”，但由于各种原因，我国目前仍有巨量的建筑垃圾被直接运往城市郊区露天堆放或简单的填埋，不仅占用了大量的土地，而且会造成严重的环境污染。另一方面，我国大规模的公路建设需要耗用大量石料，路面混合料中90％以上是集料，普遍选用玄武岩、花岗岩、石灰岩等优质集料，随着修筑公路过程中大量使用，高质量集料已被消耗殆尽，使得路面集料供需矛盾日益突出，价格越来越高。因此，利用再生集料替代天然集料进行路面建设，不仅能缓解天然集料紧缺的情况，同时也有助于解决建筑垃圾的处理问题，可以起到一箭双雕的作用，具有良好的经济效益与社会效益，是目前处理城市化过程中代谢大量建筑垃圾最为有效的途径。
水泥稳定类材料具有强度高、板体性好等优点，广泛应用于我国公路路面基层与底基层的建设。传统水泥稳定类材料由水泥与天然集料(或细粒土)按比例混合而成。为了再生利用建筑垃圾，近年来有研究者采用再生集料部分或全部替代天然集料以配制水泥稳定再生集料，用于修筑路面基层或底基层。现阶段我国尚没有水泥稳定再生集料的设计方法，在常规的使用方法中往往是按照现行《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2006的设计方法进行的，该方法的过程如下：首先选择水泥、碎石等材料并检验其技术性能，根据级配要求确定矿料组成；然后选择4-5个水泥剂量，进行击实试验确定混合料的最大干密度和最佳含水量；按照所确定的最大干密度和最佳含水量成型试件，标准养生，测试其7d无侧限抗压强度，根据水泥剂量与7d无侧限抗压强度的关系曲线，确定水泥剂量，要求7d无侧限抗压强度的代表值不小于《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中表6.1.5的规定值。
相比天然集料，再生骨料表面存在微裂缝与空隙，具有更高的表面粗糙度，这就在一定程度上提高了集料间的摩阻力；其次，再生骨料含有具备一定活性的硅酸盐，这些活性物质与水泥水化产物中的Ca(OH)2发生火山灰反应，生成水硬性产物进而形成附加强度；最后，再生骨料表面比天然碎石更粗糙、且有很多孔隙，混合料拌和过程中，水泥浆更易渗入RCA表面及内部空隙，进而提高界面强度，以上因素导致水泥稳定再生集料与传统水泥稳定类材料在力学特性、疲劳特性、刚度特性等方面存在较大差异，如果按照上述方法进行设计，会存在以下问题：(1)强度设计标准不合适，表现为强度设计标准有时过高，有时过低。设计强度过高，不仅会导致水泥剂量偏大，而且会影响混合料的抗裂性与经济性；设计强度过低，则会直接影响水泥稳定碎石基层的承载力和耐久性。(2)在传统设计方法中，水泥稳定碎石的劈裂强度、模量和抗拉强度结构系数是路面结构设计参数，而混合料设计的唯一指标为7d无侧限抗压强度，因此混合料设计时无法考虑路面结构对材料性能的要求，结构与材料设计相脱节，使得设计的混合料并不能有效控制路面结构开裂。
套用现有《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)的设计方法会导致设计出的水泥稳定再生集料基层或底基层具有较小的承载力、路面结构与水泥稳定再生集料的性质相脱节，以致路面容易开裂且耐久性不足。因此针对建筑垃圾再生集料本身的技术性质探索出合理的水泥稳定再生集料底基层或底基层的设计方法是正确使用建筑垃圾再生有效途径，有利于建筑垃圾再生集料在公路建设中的推广使用，是消纳城市建筑垃圾的有效途径。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法。该方法步骤简单，针对建筑垃圾再生集料的技术性质展开合理设计，投入成本低且使用操作简便，使用效果好，能有效解决现有的水泥稳定再生集料基层或底基层设计方法不能实现路面结构与材料一体化控制疲劳开裂的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，按照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)的设计方法，确定路面结构的各结构层材料与厚度，所述路面结构的结构层中至少包含有基层或底基层，以基层或底基层为设计层，所述基层或底基层的材料为水泥稳定再生集料。
步骤二，根据各结构层材料与厚度，建立计算模型，根据计算模型确定水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准和7d无侧限抗压强度设计标准。
具体包括以下子步骤。
2a)逐次建立计算模型，其序号记为i，并设水泥稳定再生集料基层或底基层铺筑且养生至规定龄期后的路面结构为第一次建立的计算模型1，即i＝1，此后每加铺一层且养生至规定龄期后的路面结构重新建立计算模型i+1；根据路面结构和各结构层的厚度，依次确定各计算模型的参数，参数包括各结构层对应的厚度、无侧限抗压回弹模量、泊松比和龄期t。
其中，无侧限抗压回弹模量的计算公式为：
式中，Ec,t为t龄期的无侧限抗压回弹模量，单位为MPa；Ec,∞为∞龄期的抗压回弹模量，单位为MPa，取1400MPa；ae＝0.514；be＝0.444；t为龄期，单位为d。
2b)根据各结构层厚度、施工期所用运料车载重量和运营期的路面轴载，计算确定各计算模型中水泥稳定再生集料基层或底基层的荷载作用次数ni；采用路面计算软件确定各计算模型中水泥稳定再生集料基层或底基层的层底拉应力σi。
确定各计算模型中水泥稳定再生集料基层的层底拉应力σi时，施工期荷载与运营期荷载均为标准轴载，即：双圆垂直均布荷载的接地压力为0.7MPa、直径为0.213m且双圆圆心距离为1.5倍直径；标准轴载作用下的计算模型中水泥稳定再生集料基层的层底拉应力为所述双圆垂直均布荷载的双圆轮隙中心下方层底的最大拉应力；
2c)确定计算模型1的水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度标准[Rw1]。
确定方法如下。
2c-1)设定计算模型1的水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度假定标准为[Rw1 0]。
2c-2)计算计算模型1以外其它计算模型中水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度标准[Rw,t]；弯拉强度标准的计算公式为：
式中，Rw,t为t龄期的弯拉强度，单位为MPa；Rw,∞为∞龄期的弯拉强度，单位为MPa，取0.895MPa；aw＝0.384；bw＝0.633；t为龄期，单位为d。
2c-3)利用公式Si＝σi/[Rw,t]，计算计算模型i中的水泥稳定再生集料基层或底基层的应力水平Si；其中，σi为计算模型i中水泥稳定再生集料基层或底基层的层底拉应力，单位MPa。
2c-4)通过应力水平Si计算计算模型i中的水泥稳定再生集料基层或底基层的疲劳寿命Ni；疲劳寿命Ni的计算公式为：
lgNi＝m-nSi
式中，Ni为疲劳寿命；Si为应力水平；m＝11.644；n＝10.206。
2c-5)利用公式Di＝ni/Ni，计算模型中i的水泥稳定再生集料基层或底基层的疲劳损伤率Di，ni为计算模型i中水泥稳定再生集料基层或底基层的荷载作用次数。
2c-6)利用公式D＝∑Di，计算水泥稳定再生集料基层或底基层的累积损伤D。
2c-7)判断累积损伤D是否介于0.95-1.0之间，如果介于0.95-1.0之间则接受弯拉强度假定标准[Rw1 0]作为计算模型1的水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度标准[Rw1]，否则，重新调整弯拉强度假定标准[Rw1 0]，使得累积损伤D介于0.95-1.0之间。
当累积损伤D＜0.95时，采用公式[Rw1r]＝[Rw1 0]-ΔRW调整[Rw1 0]，并重新计算累积损伤D，使得D介于0.95-1.0之间；ΔRW为弯拉强度标准调整幅值，[Rw1r]为弯拉强度标准的调整值；
当累积损伤D＞0.95时，采用公式[Rw1r]＝[Rw1 0]+ΔRW调整[Rw1 0]，并重新计算累积损伤D，使得D介于0.95-1.0之间；ΔRW为弯拉强度标准调整幅值，[Rw1r]为弯拉强度标准的调整值。
2d)确定水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准[Rs7d]和7d无侧限抗压强度设计标准[Rc7d]，具体子步骤依次为：
根据计算模型1的水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度标准[Rw1]，计算水泥稳定再生集料基层或底基层的7d弯拉强度标准[Rw7d]；弯拉强度标准的计算公式为：
式中，Rw,t为t龄期的弯拉强度，单位为MPa；Rw,∞为∞龄期的弯拉强度，单位为MPa，取0.895MPa；aw＝0.384；bw＝0.633；t为龄期，单位为d，取7。
根据水泥稳定再生集料基层或底基层的7d弯拉强度标准[Rw7d]，计算确定水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准[Rs7d]；劈裂强度设计标准的计算公式为：
Rw,t＝asRs,t
式中，Rs,t为t龄期的劈裂强度，单位为MPa；as＝1.402；t为龄期，单位为d，取7。
根据水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准[Rs7d]，计算确定水泥稳定再生集料基层或底基层的7d无侧限抗压强度设计标准[Rc7d]；无侧限抗压强度设计标准的计算公式为：
Rc,t＝acRs,t
式中，Rc,t为t龄期的无侧限抗压强度，MPa；ac＝9.284；t为龄期，单位为d，取7。
步骤三，进行基层或底基层的水泥稳定再生集料的级配组成设计，计算确定满足7d劈裂强度设计标准和7d无侧限抗压强度设计标准的水泥稳定再生集料的设计水泥剂量Copt。
水泥稳定再生集料的设计水泥剂量Copt的确定方法包括以下子步骤。
3a)在水泥剂量2％-8％范围内选择4-6个水泥剂量制备试验集料，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)进行重型击实试验，再按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)的标准方法确定水泥稳定再生集料的最大干密度和最佳含水量。
3b)根据最大干密度、最佳含水量和《公路沥青路面设计规范》所要求的压实度，成型不同水泥剂量的￠×h＝150×150mm的圆柱形试件，在温度为(20±2)℃、湿度为95％的标准环境下养生6天而后浸水1天，分别测试水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度与7d无侧限抗压强度，并计算95％保证率下的强度代表值；。
3c)绘制水泥剂量-7d劈裂强度代表值的关系曲线和水泥剂量-7d无侧限抗压强度代表值的关系曲线，计算确定满足7d劈裂强度设计标准的最小水泥剂量CS和满足7d无侧限抗压强度设计标准的最小水泥剂量Cc。
3d)取CS与Cc中数值大者作为水泥稳定再生集料基层或底基层的设计水泥剂量Copt。
如果Copt≤6％，则设计通过；如果Copt＞6％，则调整水泥稳定再生集料的级配组成设计，使得Copt≤6％。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明的设计方法为以水泥稳定再生集料为基层或底基层的设计提供了标准，解决当前普遍以水泥稳定碎石代替水泥稳定再生集料的设计方法的弊端，为充分利用再生骨料进行路面建设提供了基础解决方案，有助于解决建筑垃圾处理问题。
(2)本发明的设计方法实现了结构与材料一体化控制疲劳开裂。本发明在设计时充分考虑了施工期与运营期的路面结构对材料的性能要求，使得结构与材料相互配合，大大提高了半刚性基层沥青路面的使用寿命，延迟维修年限，大大节约养护资金。
(3)本发明的设计方法设计合理、操作简便且实现方便，大幅度简化了水泥稳定再生集料的强度设计标准确定过程，节省了大量的人力物力，并且无需借助任何试验数据便可自动完成。
(4)本发明实用价值高，应用前景广，能简便地投入实体工程设计，大幅提高设计合理性。
综上，本发明的水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法是基于结构与材料一体化控制疲劳开裂，设计合理，投入成本低，使用操作简便，使用效果好，不仅能为水泥稳定再生集料的设计强度提供标准，而且还能实现水泥稳定再生集料基层疲劳开裂的结构与材料一体化控制，延长路面的使用寿命，降低路面养护成本。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
图2为实施例1的计算模型示意图。
图2-a为实施例1的计算模型1示意图。
图2-b为实施例1的计算模型2示意图。
图2-c为实施例1的计算模型3示意图。
图2-d为实施例1的计算模型4示意图。
图2-e为实施例1的计算模型5示意图。
图3为水泥剂量-7d无侧限抗压强度代表值的关系曲线图。
图4为水泥剂量-7d劈裂强度代表值的关系曲线图。
图5为实施例2的计算模型示意图。
图5-a为实施例2的计算模型1示意图。
图5-b为实施例2的计算模型2示意图。
图5-c为实施例2的计算模型3示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
一种水泥稳定再生集料底基层的设计方法，方法流程参照图1，其具体步骤如下。
步骤一，确定路面结构组合和水泥稳定再生集料底基层的厚度。
(1)交通分析
某新建高速公路设计，通车第一年(2013年)的日平均交通量及车型如表1所示。
表1通车第一年交通量及车辆组成
路面结构组合设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载(BZZ-100)，将各种轴载换算为标准轴载，弯沉和半刚性基层层底拉应力的轴载换算结果分别如表2和表3所示。
表2轴载换算结果表(弯沉)
表3轴载换算结果(半刚性基层层底拉应力)
根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)，高速公路沥青路面设计年限为15年，四车道的车道系数在0.4-0.5之间，取0.45，交通量增长率为5.5％。
以设计弯沉作为设计指标计算路面厚度，验算沥青面层层底拉应力的累计当量轴次为：
验算半刚性基层层底拉应力的累计当量轴次为：
(2)路面结构
按照当地的典型路面结构，初拟的路面结构如表4所示。为了利用当地建筑拆迁的废弃混凝土，采用水泥稳定再生集料底基层。
表4初拟路面结构
(3)设计参数确定
设计弯沉值采用公式Ls＝600Ne -0.2AcAsAb计算。其中，该公路为高速公路，Ac＝1.0；沥青混凝土面层，As＝1.0；半刚性基层为底基层且厚度大于20cm，Ab＝1.0；经过计算，设计弯沉Ls为21.7(0.01mm)。
路面结构层材料的容许拉应力采用式(1)计算，沥青混合料的抗拉强度结构系数采用式(2)计算，水泥稳定碎石的抗拉强度结构系数采用式(3)计算，水泥稳定再生集料的抗拉强度结构系数采用式(4)计算。
Ks＝0.09Ne 0.22/AC (2)
Ks＝0.35Ne 0.11/AC (3)
Ks＝0.947Ne 0.057/AC (4)
式中：σR为容许拉应力，MPa；σs为极限劈裂强度，MPa；KS为抗拉强度结构系数；Ne为标准轴载作用次数；AC为公路等级系数，高速公路取为1.0。
路面各结构层的设计参数如表5所示。
表5路面结构设计参数
(4)路面结构厚度确定
采用路面软件计算确定水泥稳定再生集料底基层厚度为19.6cm，取设计层厚度为20cm。
步骤二，确定水泥稳定再生集料底基层的7d劈裂强度设计标准和7d无侧限抗压强度设计标准。
2a)确定施工期与运营期水泥稳定再生集料底基层的计算模型
上面层铺筑前的计算模型均为施工期计算模型，上面层铺筑结束后开放交通的计算模型为运营期计算模型。根据结构层确定如附图2所示的计算模型，其中附图2-a至2-d分别为基层、下面层、中面层和上面层的施工期计算模型，附图2-e为运营期计算模型。
水泥稳定基层的养生龄期为15d、沥青面层的施工龄期为15d，由此确定施工期水泥稳定再生集料的龄期分别为n1＝15d、n2＝30d、…、ni＝15×i(d)，运营期水泥稳定再生集料的计算龄期统一采用180d。采用公式Ec,t＝1400×0.514(lnt)0.444计算水泥稳定集料在不同龄期的模量，计算模型的龄期与模量的结果如表6所示。
表6计算模型的龄期与模量
2b)确定各计算模型的荷载作用次数ni
根据结构层厚度与运料车大小，确定施工期计算模型中的施工荷载作用次数分别为n1＝3000、n2＝1200、n3＝900、n4＝600；运营期荷载作用次数为结构组合设计时的标准轴载作用次数，即n5＝1631.41万次。
2c)计算各计算模型中水泥稳定再生集料底基层的层底拉应力σi
计算各模型在标准轴载作用下的水泥稳定再生集料底基层的层底拉应力。双圆垂直均布荷载的接地压力为0.7MPa、直径为0.213m且双圆圆心距离为1.5倍直径。层底拉应力计算结果如表7所示。
表7层底拉应力
| 计算模型 | 模型1 | 模型2 | 模型3 | 模型4 | 模型5 |
| 层底拉应力/MPa | 0.667 | 0.274 | 0.202 | 0.163 | 0.143 |
2d)确定水泥稳定再生集料底基层的弯拉强度标准[Rw1]
首先，假定计算模型1的水泥稳定再生集料底基层的弯拉强度标准为[Rw1 0]，利用公式Rw,t＝0.3438(lnt)0.633计算各计算模型的水泥稳定再生集料底基层的弯拉强度[Rwi]；其次，利用公式Si＝σi/[Rw,t]计算各计算模型中的水泥稳定再生集料底基层的应力水平Si，并将Si代入公式lgNi＝11.644-10.206Si计算疲劳寿命Ni；再次，利用公式Di＝ni/Ni计算各计算模型中的水泥稳定再生集料底基层的疲劳损伤率Di；然后，利用公式D＝∑Di计算水泥稳定再生集料底基层的累积损伤D；最后，判断累积损伤D是否介于0.95-1.0之间。实施例1的水泥稳定再生集料的弯拉强度标准计算结果如表8所示，计算模型1中所确定的弯拉强度标准[Rw1 0]为0.834MPa。
表8水泥稳定再生集料的弯拉强度标准计算
由计算结果可知，累积损伤D介于0.95-1.0之间，因此接受假定的[Rw1 0]作为水泥稳定再生集料底基层的弯拉强度标准[Rw1]。
2e)确定水泥稳定再生集料底基层的7d劈裂强度设计标准[Rs7d]和7d无侧限抗压强度设计标准[Rc7d]
由于弯拉强度标准[Rw1]为0.834MPa，利用公式Rw,t＝0.3438(lnt)0.633计算水泥稳定再生集料底基层的7d弯拉强度设计标准[Rw7d]＝0.677MPa；利用公式Rw＝1.402Rs计算7d劈裂强度设计标准[Rs7d]＝0.483MPa；利用公式Rc＝9.284Rs进一步计算确定水泥稳定再生集料底基层的7d无侧限抗压强度设计标准[Rc7d]＝4.48MPa。
设计标准结果如表9所示。
表9水泥稳定再生集料的设计标准
| 7d无侧限抗压强度标准/MPa | 7d劈裂强度标准/MPa |
| 4.5 | 0.48 |
步骤三，进行水泥稳定再生集料的级配组成设计，进行击实试验确定水泥稳定再生集料的最大干密度和最佳含水量，确定水泥剂量。
选择水泥、碎石和再生集料，根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30-2005)和《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)测试上述3种材料的技术性能，满足《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)的相关要求。级配组成如表10所示。
表10水泥稳定再生集料底基层的级配组成
选择水泥剂量分别为4％、5％和6％进行击实试验，确定最佳干密度与最佳含水量，结果如表11所示。
表11最佳含水量和最大干密度
| 水泥剂量/％ | 最佳含水量/％ | 最大干密度/(g/cm3) |
| 4.0 | 6.6 | 2.101 |
| 5.0 | 7.1 | 2.157 |
| 6.0 | 7.8 | 2.194 |
按照所确定的最大干密度和最佳含水量成型试件，标准养生并测试其7d无侧限抗压强度，抗压强度和劈裂强度与水泥剂量的关系见附图3和附图4。
根据附图3和附图4可计算出抗压强度4.5MPa、劈裂强度0.48MPa所对应的水泥剂量分别为5.2％和5.4％。取两者的较大者作为设计水泥剂量Copt为5.4％，满足小于等于6％的要求，设计通过。
实施例2
另一种水泥稳定再生集料底基层的设计方法，方法流程参照图1，其具体步骤如下。
步骤一、确定路面结构组合和水泥稳定再生集料基层的厚度。
(1)交通分析
某新建二级公路设计，通车第一年(2013年)的日平均交通量及车型如表12所示。
表12 2013年交通量及车辆组成
路面结构组合设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载(BZZ-100)，将各种轴载换算为标准轴载，结果如表13和表14：
表13轴载换算结果表(弯沉)
表14轴载换算结果(半刚性基层层底拉应力)
根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)，二级公路沥青路面设计年限为12年，四车道的车道系数在0.6-0.7之间，取0.65，交通量增长率为5.0％。
以设计弯沉作为设计指标计算路面厚度和验算沥青面层层底拉应力的累计当量轴次为：
验算半刚性基层层底拉应力的累计当量轴次为：
(2)路面结构
按照当地的典型路面结构，拟定的路面结构如表15所示。为了利用当地建筑拆迁的废弃混凝土，采用水泥稳定再生集料基层。
表15初拟路面结构
(3)设计参数确定
设计弯沉值采用公式Ls＝600Ne -0.2AcAsAb计算。其中，该公路为二级公路，取Ac＝1.1；沥青混凝土面层，取As＝1.0；半刚性基层，取Ab＝1.0；经过计算设计弯沉Ls为30.2(0.01mm)。
采用实施例1中的公式(1)、(2)和(4)计算各结构层的抗拉强度结构系数和容许拉应力，结果如表16所示。
表16路面结构设计参数
(4)路面结构厚度确定
根据设计弯沉及表16中的设计参数，采用路面软件计算确定水泥稳定再生集料基层厚度为30.9cm，取设计层厚度为31cm。
步骤二、确定水泥稳定再生集料基层的7d无侧限抗压强度设计标准和7d劈裂强度设计标准。
(1)确定水泥稳定再生集料基层的计算模型
上面层铺筑前的计算模型均为施工期计算模型，上面层铺筑结束后开放交通的计算模型为运营期计算模型。根据结构层确定如附图5所示的计算模型，其中附图5a和5b分别为下面层和上面层的施工期计算模型，附图5c为运营期计算模型。
按照实施例中的相关方法，计算确定不同计算模型中水泥稳定再生集料基层的龄期与模量，结果如表17所示。
表17各模型龄期与模量
(2)确定各计算模型的荷载作用次数
根据结构层厚度与运料车大小，确定施工期计算模型中的施工荷载作用次数分别为n1＝1050、n2＝750；运营期荷载作用次数为结构组合设计时的标准轴载作用次数，即n3＝499.98万次。
(3)计算各计算模型中水泥稳定再生集料基层的层底拉应力σi
计算各模型在标准轴载作用下的水泥稳定再生集料底基层的层底拉应力。双圆垂直均布荷载的接地压力为0.7MPa、直径为0.213m且双圆圆心距离为1.5倍直径。计算结果如表18所示。
表18层底拉应力
| 计算模型 | 模型1 | 模型2 | 模型3 |
| 层底拉应力/MPa | 0.517 | 0.388 | 0.257 |
(4)确定水泥稳定再生集料基层的弯拉强度标准[Rw1]
计算同实施例1。实施例计算结果如表19所示，模型1中所确定的15d弯拉强度标准为0.613MPa.
表19水泥稳定再生集料的弯拉强度标准计算
(5)确定水泥稳定集料基层的7d劈裂强度设计标准[Rs7d]与7d劈裂强度设计标准[Rc7d]。
15d弯拉强度标准为0.613MPa，根据强度增长模型Rw,t＝0.3438(lnt)0.633计算水泥稳定再生集料的7d龄期的弯拉强度标准[Rw7d]＝0.497MPa；根据公式Rw＝1.402Rs进一步计算7d劈裂强度设计标准[Rs7d]＝0.355MPa；根据7d劈裂强度设计标准[Rs7d]，借助强度关系模型Rc＝9.284Rs,计算确定7d无侧限抗压强度设计标准[Rc7d]＝3.29MPa。
表20水泥稳定再生集料的强度设计标准
| 7d无侧限抗压强度标准/MPa | 7d劈裂强度标准/MPa |
| 3.3 | 0.36 |
步骤三、进行水泥稳定再生集料的级配组成设计，进行击实试验确定水泥稳定再生集料的最大干密度和最佳含水量，确定水泥剂量。
具体步骤同实施例1。
7d无侧限抗压强度与7d劈裂强度如同实施例1中的图3与图4，计算抗压强度3.3MPa、劈裂强度0.36MPa所对应的水泥剂量分别为3.9％和4.1％。取两者的较大者作为设计水泥剂量Copt为4.1％，满足不大于6％的要求。设计通过。
以上所述，仅是本发明的较佳案例，并不对本发明做出任何限制，凡是针对本发明技术内容对以上实施案例所做的任何简单修改、变更、模仿均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (1)
1.一种水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，确定路面结构的各结构层材料与厚度，所述路面结构的结构层中至少包含有基层或底基层，以基层或底基层为设计层，所述基层或底基层的材料为水泥稳定再生集料；
步骤二，根据各结构层材料与厚度，建立计算模型，根据计算模型确定水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准和7d无侧限抗压强度设计标准；
步骤三，进行基层或底基层的水泥稳定再生集料的级配组成设计，计算确定满足7d劈裂强度设计标准和7d无侧限抗压强度设计标准的水泥稳定再生集料的设计水泥剂量Copt；如果Copt≤6％，则设计通过；如果Copt＞6％，则调整水泥稳定再生集料的级配组成设计，使得Copt≤6％；
其中，所述步骤二包括以下子步骤：
2a)逐次建立计算模型，其序号记为i，并设水泥稳定再生集料基层或底基层铺筑且养生至规定龄期后的路面结构为第一次建立的计算模型1，即i＝1，此后每加铺一层且养生至规定龄期后的路面结构重新建立计算模型i+1；根据路面结构和各结构层的厚度，依次确定各计算模型的参数，参数包括各结构层对应的厚度、无侧限抗压回弹模量、泊松比和龄期t；
其中，所述无侧限抗压回弹模量的计算公式为：
<mrow>
<mfrac>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mo>,</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<msub>
<mi>b</mi>
<mi>e</mi>
</msub>
</msup>
</mrow>
式中，Ec,t为t龄期的无侧限抗压回弹模量，单位为MPa；Ec,∞为∞龄期的抗压回弹模量，单位为MPa，取1400MPa；ae＝0.514；be＝0.444；t为龄期，单位为d；
2b)根据各结构层厚度、施工期所用运料车载重量和运营期的路面轴载，计算确定各计算模型中水泥稳定再生集料基层或底基层的荷载作用次数ni，i为计算模型的序号；采用路面计算软件确定各计算模型中水泥稳定再生集料基层或底基层的层底拉应力σi，i为计算模型的序号；
2c)确定计算模型1的水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度标准[Rw1]，包括以下子步骤：
2c-1)设定计算模型1的水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度假定标准为[Rw1 0]；
2c-2)计算计算模型1以外其它计算模型中水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度标准[Rw,t],t为龄期；
其中，所述弯拉强度标准[Rw,t]的计算公式为：
<mrow>
<mfrac>
<msub>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>w</mi>
<mo>,</mo>
<mi>t</mi>
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<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msub>
<mi>b</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
</msup>
</mrow>
式中，Rw,t为t龄期的弯拉强度，单位为MPa；Rw,∞为∞龄期的弯拉强度，单位为MPa，取0.895MPa；aw＝0.384；bw＝0.633；t为龄期，单位为d；
2c-3)利用公式Si＝σi/[Rw,t]，计算计算模型i中的水泥稳定再生集料基层或底基层的应力水平Si；其中，σi为计算模型i中水泥稳定再生集料基层或底基层的层底拉应力，单位MPa；
2c-4)通过应力水平Si计算计算模型i中的水泥稳定再生集料基层或底基层的疲劳寿命Ni；所述疲劳寿命Ni的计算公式为：
lg Ni＝m-nSi
式中，Ni为疲劳寿命；Si为应力水平；m＝11.644；n＝10.206；
2c-5)利用公式Di＝ni/Ni，计算模型i中的水泥稳定再生集料基层或底基层的疲劳损伤率Di，ni为计算模型i中水泥稳定再生集料基层或底基层的的荷载作用次数；
2c-6)利用公式D＝∑Di，计算水泥稳定再生集料基层或底基层的累积损伤D；
2c-7)判断累积损伤D是否介于0.95-1.0之间，如果介于0.95-1.0之间，则接受弯拉强度假定标准[Rw1 0]作为计算模型1的水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度标准[Rw1]，否则，重新调整弯拉强度假定标准[Rw1 0]，使得累积损伤D介于0.95-1.0之间；
其中，所述调整弯拉强度假定标准[Rw1 0]的具体子步骤为：
当累积损伤D＜0.95时，采用公式[Rw1r]＝[Rw1 0]-△RW调整[Rw1 0]，并重新计算累积损伤D，使得D介于0.95-1.0之间；△RW为弯拉强度标准调整幅值，[Rw1r]为弯拉强度标准的调整值；
当累积损伤D＞0.95时，采用公式[Rw1r]＝[Rw1 0]+△RW调整[Rw1 0]，并重新计算累积损伤D，使得D介于0.95-1.0之间；△RW为弯拉强度标准调整幅值，[Rw1r]为弯拉强度标准的调整值；
2d)确定水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准[Rs7d]和7d无侧限抗压强度设计标准[Rc7d]，其具体子步骤依次为：
根据计算模型1的水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度标准[Rw1]，计算水泥稳定再生集料基层或底基层的7d弯拉强度标准[Rw7d]；所述7d弯拉强度标准的计算公式为：
<mrow>
<mfrac>
<msub>
<mi>R</mi>
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<mi>w</mi>
<mo>,</mo>
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<mo>=</mo>
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<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msub>
<mi>b</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
</msup>
</mrow>
式中，Rw,t为t龄期的弯拉强度，单位为MPa；Rw,∞为∞龄期的弯拉强度，单位为MPa，取0.895MPa；aw＝0.384；bw＝0.633；t为龄期，单位为d，取7；
根据水泥稳定再生集料基层或底基层的7d弯拉强度标准[Rw7d]，计算确定水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准[Rs7d]；
所述劈裂强度设计标准的计算公式为：
Rw,t＝asRs,t
式中，Rs,t为t龄期的劈裂强度，单位为MPa；as＝1.402；t为龄期，单位为d，取7；
根据水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准[Rs7d]，计算确定水泥稳定再生集料基层或底基层的7d无侧限抗压强度设计标准[Rc7d]；
其中，所述7d无侧限抗压强度设计标准的计算公式为：
Rc,t＝acRs,t
式中，Rc,t为t龄期的无侧限抗压强度，MPa；ac＝9.284；t为龄期，单位为d，取7；
步骤三中所述设计水泥剂量Copt，采用以下子步骤确定：
3a)在水泥剂量2％-8％范围内选择4-6个水泥剂量制备试验集料，进行重型击实试验，再确定水泥稳定再生集料的最大干密度和最佳含水量；
3b)根据最大干密度、最佳含水量和压实度，成型不同水泥剂量的试件，标准养生后分别测试水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度与7d无侧限抗压强度；
3c)绘制水泥剂量-7d劈裂强度代表值的关系曲线和水泥剂量-7d无侧限抗压强度代表值的关系曲线，计算确定满足7d劈裂强度设计标准的最小水泥剂量CS和满足7d无侧限抗压强度设计标准的最小水泥剂量Cc；
3d)取满足7d劈裂强度设计标准的最小水泥剂量CS与满足7d无侧限抗压强度设计标准的Cc中数值大者作为水泥稳定再生集料基层或底基层的设计水泥剂量Copt。
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