半剛性基層材料振動成型設(shè)計方法\t

半剛性基層材料以其水、溫穩(wěn)性好、承載力高、強度和剛度大且較經(jīng)濟的特點已廣泛應用于高速公路基層中。但是在現(xiàn)時存在的超載運輸條件下，并未表現(xiàn)出令人滿意的使用效果。隨著時間的變化，該非均質(zhì)體系發(fā)生變化，混合料的宏觀物理性能如強度、抗收縮性和抗疲勞性均發(fā)生變化，并會帶來一些路面病害，諸如疲勞破壞、因開裂導致或誘發(fā)的系列病害。這些問題的存在與當前半剛性基層材料設(shè)計方法和評價標準相關(guān)。

一、半剛性基層材料設(shè)計現(xiàn)狀

1.室內(nèi)成型方式與現(xiàn)場碾壓方式不匹配

現(xiàn)今施工現(xiàn)場大量使用振動壓路機及輪胎壓路機，而室內(nèi)卻采用重型擊實法確定最佳含水量及最大干密度，用靜壓法試件強度作為設(shè)計標準控制水泥劑量。由此衍生出一系列問題：重型擊實法確定的最佳含水量及最大干密度作為現(xiàn)場振動壓實度的控制指標是否合適；混合料分別在靜壓與振動作用下其力學特性或許不同，那么用何種成型方式制作的試件，其強度控制現(xiàn)場質(zhì)量更有效；用靜壓法進行室內(nèi)研究所優(yōu)化的配合比（包括級配、水泥含量等）在振動壓實條件下路用性能是否最優(yōu)。

2.質(zhì)量控制指標單一

規(guī)范對混合料路用性能要求相對簡單。除原材料性質(zhì)外，對混合料只要求7天齡期的飽水無側(cè)限抗壓強度達到要求即可，而對混合料抗裂能力既無標準試驗方法，也沒有評價指標，這就使得設(shè)計或施工時只注重提高強度，甚至有可能導致強度過大；至于由此造成的許多負面影響（剛度過大、抗裂能力差等）卻很少引起重視。

3.壓實標準偏低

壓實度達到較高標準對水泥穩(wěn)定碎石混合料強度、抗裂能力及抗疲勞能力的提高均有顯著作用。壓實度的增加可以大幅度提高半剛性材料強度，與此相適應，在較低的膠結(jié)料劑量下即可滿足強度要求，而膠結(jié)料劑量的降低則可以顯著提高水泥碎石混合料的抗裂能力；另一方面，壓實度的提高可以大大減少水泥碎石混合料中的微裂隙，從而提高水泥碎石混合料抗疲勞能力。

4.規(guī)范規(guī)定的級配范圍太寬，難以保證工程質(zhì)量

規(guī)范規(guī)定的混合料級配范圍太寬。此范圍內(nèi)，不同級配的混合料其力學性能有很大差異，因此不同級配的水泥碎石混合料各種力學指標即使全部滿足規(guī)范要求，也很難說這些混合料具有良好的抗裂能力。

二、振動成型基本原理

我國公路、建筑部門室內(nèi)常用的確定材料最佳含水量及最大干密度的方法是擊實法，相應測定材料的技術(shù)指標的試件成型方式是靜力壓實方式。擊實方法在室內(nèi)通過施加沖擊荷載對被壓材料進行壓實，與現(xiàn)場夯實過程一致，與現(xiàn)場靜力壓路機的作用過程雖不盡相同，但就通過對材料產(chǎn)生剪應力使之壓實這一效果來說是相似的。但與振動壓實通過高頻振動作用使材料產(chǎn)生液化來壓密的過程是完全不同的。靜力壓實成型試件的方法和靜力壓路機滾壓的機理是相同的，但是和振動壓路機的振動壓實機理則不同。

由此衍生出一系列問題：重型擊實法確定的最佳含水量及最大干密度作為控制施工質(zhì)量的技術(shù)指標是否合適；以靜壓法或振動法成型的試件其物理力學性質(zhì)或許不同，那么用何種成型方式制作的試件強度控制現(xiàn)場質(zhì)量更有效；用靜壓法進行室內(nèi)研究所優(yōu)化的配合比（包括級配、水泥劑量等）在振動壓實條件下路用性能是否最優(yōu)。因此有必要使用新的室內(nèi)壓實試驗方法。

三、振動法設(shè)計半剛性材料步驟

1.原材料檢測：包括水泥、碎石、石灰、粉煤灰等。

2.骨架密實級配的確定：根據(jù)原材料篩分結(jié)果，確定特定工程的骨架密實結(jié)構(gòu)級配范圍，并確定目標級配。

3.根據(jù)確定的振動參數(shù)，用振動法確定半剛性材料的最佳含水量及最大干密度。同時采用重型擊實法確定最佳含水量與最大干密度，并與振動法設(shè)計結(jié)果進行對比。

4.振動成型半剛性材料試件，標準養(yǎng)生后進行無側(cè)限抗壓強度試驗，確定最佳水泥劑量。同時進行靜壓法無側(cè)限抗壓強度試驗，與振動法設(shè)計結(jié)果進行對比。（例略）

根據(jù)振動成型法試驗結(jié)果：

（1）比較強度概率保證值Rc0.95和設(shè)計強度值Rd，水泥劑量取3.5%，4.0%時，振動成型試件的強度概率保證值Rc0.95大于基層設(shè)計強度值Rd=4.0Mpa，即滿足R(1-ZaCv)≥Rd要求。

（2）從工程經(jīng)濟性和現(xiàn)場拌和、施工工藝考慮，水泥穩(wěn)定碎石基層的水泥劑量確定為3.5:100?，F(xiàn)場取料篩分檢檢驗結(jié)果表明生產(chǎn)中的級配可控制在設(shè)計級配范圍之內(nèi)，說明設(shè)計級配范圍確定的范圍合理。

（3）基層表觀及芯樣強度。現(xiàn)場攤鋪、碾壓過程中均未出現(xiàn)明顯的離析現(xiàn)象，碾壓后的基層表面粗糙、均勻。

試驗段芯樣強度為7.3MPa，室內(nèi)靜壓試件抗壓強度4.3MPa，室內(nèi)振動成型試件抗壓強度為7.5MPa。表明振動成型方式與現(xiàn)場振動碾壓效果更為吻合。

實驗表明，水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強度與裂縫間距有較顯著的相關(guān)關(guān)系?？箟簭姸仍礁?，裂縫間距越小，即相同長度段裂縫數(shù)量越少。說明為提高半剛性基層抗裂能力，不宜采用提高水泥劑量的途徑增加強度。另一方面，與靜壓成型試件強度相比，振動成型試件強度與裂縫間距相關(guān)關(guān)系更為顯著。證明用振動法設(shè)計的混合料強度參數(shù)控制工程質(zhì)量更為合理、有效。

四、結(jié)論

（1）規(guī)范所用的重型擊實法確定的半剛性材料最大干密度過小，以此為標準控制現(xiàn)場壓實度存在質(zhì)量隱患，而用振動法確定的混合料干密度控制現(xiàn)場質(zhì)量更為合理。

（2）振動法設(shè)計的水泥碎石混合料級配范圍較規(guī)范窄，上下限均為骨架密實結(jié)構(gòu)，0.075mm通過率低，可顯著提高基層抗裂能力；

（3）采用振動成型方式設(shè)計的水泥碎石半剛性材料級配組成與傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)果相比有重大改進，主要表現(xiàn)為水泥劑量降低，同時強度提高、抗裂能力提高。與靜壓法成型相比，水泥劑量降低1～1.5％，強度提高1.5～2倍，相同水泥劑量下，振動成型試件干縮抗裂系數(shù)是靜壓成型條件下的1.5倍，表明振動成型材料抗裂能力大幅度提高。不僅降低了工程造價，滿足強度設(shè)計要求，更重要的是顯著提高了半剛性基層的抗裂能力。

（4）與靜壓法成型相比，設(shè)計的半剛性材料密度標準提高1.02～1.03倍。且實際工程經(jīng)驗表明，用傳統(tǒng)的碾壓方式，在不增加設(shè)備投資的情況下完全可以達到新的設(shè)計方法的壓實度要求。