公路工程無機(jī)結(jié)合料擊實(shí)試驗(yàn)研究

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(天津開發(fā)區(qū)建設(shè)工程試驗(yàn)中心，天津 300457)

引言

標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)在公路工程施工中是非常重要的，其對于衡量路面基層材料的壓實(shí)度來說是必不可少的試驗(yàn)項(xiàng)目。它適用于在規(guī)定的試筒內(nèi)，對水泥穩(wěn)定材料(水泥水化前)、石灰穩(wěn)定材料及石灰(或水泥)粉煤灰穩(wěn)定材料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，以繪制穩(wěn)定材料的含水量-干密度關(guān)系曲線，從而確定其最佳含水量和最大干密度。

施工現(xiàn)場依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)提供的最佳含水量進(jìn)行拌料，最終以壓實(shí)系數(shù)作為質(zhì)量控制的指標(biāo)。壓實(shí)系數(shù)是由工地碾壓的干密度與室內(nèi)試驗(yàn)最大干密度的比值得到的，壓實(shí)系數(shù)越接近于1，則壓實(shí)質(zhì)量越高。施工現(xiàn)場對壓實(shí)系數(shù)的查驗(yàn)，一般可采用環(huán)刀法、灌砂(或灌水)法等來測定土的干密度，具體選用哪種方法，可依照現(xiàn)場的實(shí)際狀況而定。本文以JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[1]為擊實(shí)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法，說明影響擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的一些主要因素。

1 試料制備

1.1 取料

委托進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)所用的材料應(yīng)當(dāng)與施工現(xiàn)場所用材料一致。若不一致，則擊實(shí)試驗(yàn)所出的結(jié)果對于現(xiàn)場施工沒有任何指導(dǎo)作用。這就要求取樣人員和監(jiān)理人員負(fù)起應(yīng)有的責(zé)任，保證委托試樣的真實(shí)性。

1.2 試料制備方法

如果按GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[2]和JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[3]，試樣的制備可以分為干土法和濕土法。但是，在JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[1]中則明確規(guī)定，采用有代表性的風(fēng)干試料，必要時(shí)，也可以在50 ℃烘箱內(nèi)烘干。在這一點(diǎn)上，JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》與另兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有明顯區(qū)別。

采用風(fēng)干試料，主要是考慮所用原材料在大氣自然環(huán)境下的濕度平衡，使初始的含水率得到控制，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在實(shí)際的施工過程中也不存在濕法制樣的可能性，因?yàn)闊o機(jī)結(jié)合料尤其是當(dāng)結(jié)合料中的粗中顆粒較多時(shí)，例如水泥穩(wěn)定碎石達(dá)到最大干密度時(shí)含水率只有5%左右，若采用濕法制樣，含水率不便控制。

2 加水量的控制

確定加水量的多少是非常關(guān)鍵的一步，現(xiàn)以二灰碎石為例進(jìn)行說明。假設(shè)石灰∶粉煤灰∶碎石(質(zhì)量比)=6∶14∶80。①分別測定石灰、粉煤灰、碎石的風(fēng)干含水量，測定結(jié)果為石灰8%，粉煤灰15%，碎石1%；②預(yù)估每份試料的干質(zhì)量2.5 kg，依據(jù)石灰∶粉煤灰∶碎石=6∶14∶80的比例計(jì)算出石灰用量為150 g，粉煤灰用量為350 g，碎石用量為2 000 g；③通過對風(fēng)干含水量的結(jié)果，計(jì)算出各原材料自身的含水量為石灰12 g，粉煤灰52.5 g，碎石20 g，共計(jì)含水84.5 g；④預(yù)估最佳含水量為8%，則加水量為：2.5×1 000×8%-84.5=115.5(g)。因此，中間點(diǎn)的加水量為115.5 g，其他各點(diǎn)的加水量按±2%、±4%遞加、遞減。由此可以看出，風(fēng)干含水量必須進(jìn)行測量，否則直接影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 加料時(shí)間的控制

穩(wěn)定材料加水后按規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行浸潤，但當(dāng)所用的穩(wěn)定劑為水泥時(shí)，水泥應(yīng)在土樣擊實(shí)前逐個(gè)加入，因水泥遇水就開始發(fā)生水化反應(yīng)。從加水拌和到進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)間隔的時(shí)間越長，水泥的水化作用和結(jié)硬程度就越大。它會影響水泥混合料所能達(dá)到的密實(shí)度，間隔時(shí)間越長，影響也就越大。根據(jù)GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》[4]的規(guī)定，水泥初凝時(shí)間≮45 min。因此，對于拌和后超過1 h的試樣，應(yīng)予作廢。

4 余土高度的控制

試樣擊實(shí)后，總會有部分土超過筒頂高，這部分土柱稱為余土高度。標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)所得的擊實(shí)曲線是指余土高度為零時(shí)的單位體積擊實(shí)功能下的干密度和含水率的關(guān)系曲線。也就是說，此關(guān)系曲線是以擊實(shí)筒容積為體積的等單位功能曲線，由于實(shí)際操作中總是存在或多或少的余土高度，如果余土高度過大，則關(guān)系曲線上的干密度就不再是一定功能下的干密度，會使試驗(yàn)結(jié)果的誤差增大。根據(jù)單位體積擊實(shí)功的計(jì)算公式：單位體積擊實(shí)功=錘的質(zhì)量×落高×9.8×每層錘擊次數(shù)×錘擊層數(shù)/試筒容積，可以看出，錘的質(zhì)量、每層錘擊次數(shù)、錘擊層數(shù)、試筒容積均為定量，只有落高與余土高度有直接的關(guān)系。余土高度變高則落高變低，余土高度變低則落高變高。因此，為了控制人為因素造成的誤差，規(guī)定余土高度應(yīng)≯6 mm，超出高度過大的試件應(yīng)予作廢。

5 土樣的質(zhì)量控制

土是一種固、液、氣三相體，土顆粒之間被水和氣體所占據(jù)。在土體壓實(shí)的過程中氣體被擠出，部分顆粒被破壞，致使體積縮小，飽和度增加，從而改變了土體的級配及結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致粒徑變細(xì)、比表面積增大。而擊實(shí)試驗(yàn)后土樣被擊實(shí)，難再分散，不利于含水量的控制。擊實(shí)功越大，其干密度差別也越大，其恢復(fù)到原來的狀態(tài)更為困難，因此將影響試驗(yàn)精度。所以，一般情況下土樣不宜重復(fù)使用，而應(yīng)采用新土進(jìn)行試驗(yàn)。

6 擊實(shí)曲線的繪制

同一試樣需配制成5份以上不同含水量的樣品，分別測定含水量和相應(yīng)的試件質(zhì)量，從而得到不同含水量下的干密度。以干密度為縱坐標(biāo)，以含水量為橫坐標(biāo)，繪制含水量-干密度的關(guān)系曲線。JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[1]規(guī)定，試驗(yàn)各點(diǎn)采用二次曲線方法進(jìn)行擬合，當(dāng)采用EXCEL程序來實(shí)現(xiàn)這一功能時(shí)，具體步驟如下：

(1)打開EXCEL程序，輸入擊實(shí)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

(2)點(diǎn)擊格式工具欄的圖表向?qū)?，在?biāo)準(zhǔn)類型中選擇XY散點(diǎn)圖，在右側(cè)的子圖表類型中選擇沒有連接線的圖表，點(diǎn)擊下一步。

(3)選中輸入的擊實(shí)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，此時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域處會自動(dòng)出現(xiàn)所選的范圍。在系列產(chǎn)生在選擇列，點(diǎn)擊下一步。

(4)輸入圖表標(biāo)題，數(shù)值X、Y軸所代表的名稱，點(diǎn)擊下一步。

(5)選中作為其中的對象插入，點(diǎn)擊完成。

(6)選中圖表，點(diǎn)擊圖表菜單中的添加趨勢線，選中類型中的多項(xiàng)式，在階數(shù)處輸入2，在選項(xiàng)中選擇顯示公式，點(diǎn)擊確定，得到y(tǒng)=ax2+bx+c的曲線公式。如果趨勢線離散點(diǎn)較遠(yuǎn)，說明散點(diǎn)試驗(yàn)的結(jié)果離散較大，這與試驗(yàn)精度有關(guān)，但正常情況下得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用二次曲線擬合。

(7)y=ax2+bx+c這個(gè)函數(shù)是2次拋物線函數(shù)，頂點(diǎn)坐標(biāo)就是一次導(dǎo)數(shù)為0的點(diǎn)。對其求導(dǎo)dy=0，得出橫坐標(biāo)x為-b/(2a)，即為最佳含水量，代入公式計(jì)算，得到最大干密度y為(4ac-b2)/4a。

對于有條件的檢測單位，可以采用專門的試驗(yàn)軟件，只需輸入試筒與濕試樣的總質(zhì)量、試筒的質(zhì)量、試筒的容積、鋁盒和濕穩(wěn)定材料的合計(jì)質(zhì)量、鋁盒和干穩(wěn)定材料的合計(jì)質(zhì)量、鋁盒的質(zhì)量，然后點(diǎn)擊制作曲線圖，即可自動(dòng)生成最大干密度和最佳含水率。擊實(shí)曲線必須為凸形的曲線，如果試驗(yàn)點(diǎn)不足以連成完整的凸形曲線，則應(yīng)該進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)。同時(shí)應(yīng)做兩次平行試驗(yàn)，取兩次試驗(yàn)的平均值作為最大干密度和最佳含水量。

7 結(jié)語

擊實(shí)試驗(yàn)是工程中普遍應(yīng)用的方法，也是非常重要的試驗(yàn)。因此，操作人員必須熟悉影響擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的各種因素，在檢測工作中注意對各個(gè)環(huán)節(jié)的控制，從而得出精準(zhǔn)的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，以準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)來指導(dǎo)現(xiàn)場施工，最終保證工程施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] JTG E51—2009，公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2] GB/T 50123—1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計(jì)劃出版社，1999.

[3] JTG E40—2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2007.

[4] GB 175—2007，通用硅酸鹽水泥[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.