免振壓水泥穩(wěn)定碎石技術(shù)的研究與應(yīng)用

宋亞洲，潘 芳

（江蘇東交工程檢測(cè)股份有限公司，江蘇 南京 226004）

免振壓水泥穩(wěn)定碎石技術(shù)的研究與應(yīng)用

宋亞洲，潘 芳

（江蘇東交工程檢測(cè)股份有限公司，江蘇 南京 226004）

文章介紹了免振壓水泥穩(wěn)定碎石技術(shù)在居民區(qū)、商鋪等特殊條件下的應(yīng)用及最優(yōu)靜力壓實(shí)參數(shù)組合，確定了免振壓水泥穩(wěn)定碎石配合比組成，并進(jìn)行靜壓壓實(shí)試驗(yàn)，最后依托某工程實(shí)例，驗(yàn)證了靜壓壓實(shí)法的適用性以及免振壓水泥穩(wěn)定碎石技術(shù)的可行性。

免振壓水泥穩(wěn)定碎石；靜力壓實(shí)參數(shù)；配合比；壓實(shí)試驗(yàn)

振動(dòng)壓實(shí)是水泥穩(wěn)定碎石施工中應(yīng)用最廣泛的壓實(shí)方法，但是由于施工條件的約束，在居民區(qū)、商鋪或老舊建筑周?chē)忍厥饴范握駝?dòng)壓實(shí)受到極大限制。針對(duì)這一現(xiàn)象，提出了一種不需要振動(dòng)壓實(shí)，亦能滿足性能要求的新型水泥穩(wěn)定碎石技術(shù)，這種新型技術(shù)稱為“免振壓水泥穩(wěn)定碎石技術(shù)”。免振壓水泥穩(wěn)定碎石是一種借鑒自密實(shí)混凝土技術(shù)原理，通過(guò)添加外摻劑實(shí)現(xiàn)不振動(dòng)壓實(shí)情況下達(dá)到規(guī)定壓實(shí)度的水穩(wěn)技術(shù)［1-3］。作為一種新型技術(shù)，研究其設(shè)計(jì)方法、質(zhì)量控制要點(diǎn)以及相關(guān)施工工藝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 靜壓參數(shù)對(duì)壓實(shí)效果的影響

數(shù)控液壓壓力機(jī)壓實(shí)機(jī)理和靜壓壓路機(jī)是相似的。靜力壓實(shí)過(guò)程中，影響壓實(shí)效果的液壓壓力機(jī)參數(shù)主要有最大壓力值和加載速率。其中，最大壓力值與靜力壓路機(jī)的線壓力相關(guān)聯(lián)，而加載速率和穩(wěn)壓時(shí)間與靜力壓路機(jī)的碾壓速度和穩(wěn)壓時(shí)間密切相關(guān)。

對(duì)液壓壓力機(jī)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其與現(xiàn)場(chǎng)靜壓相吻合，有效地模擬靜力壓路機(jī)的實(shí)際情況。通過(guò)研究在不同最大壓力和不同加載速率下干密度變化規(guī)律和集料壓碎率變化規(guī)律，選取合適的參數(shù)組合。

1.1 靜壓壓實(shí)規(guī)律分析

試驗(yàn)選擇100 kN、200 kN、300 kN、400 kN、500 kN、600 kN、700 kN、800 kN 8組最大壓力值；考慮到實(shí)際碾壓速度，試驗(yàn)選擇0.5 kN/s、1.0 kN/s、2 kN/s 3組加載速率；實(shí)際碾壓時(shí)長(zhǎng)為每次加載達(dá)到最大值時(shí)，穩(wěn)定在最大值2 min后卸載。同時(shí)檢測(cè)水泥穩(wěn)定碎石的壓碎率，進(jìn)而確定合適的最大壓力和加載速率組合。

1.1.1 干密度與最大壓力值之間的關(guān)系

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)，分別得出含水量4.5%以及含水量5%的干密度與最大壓力值之間關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 干密度與最大荷載的關(guān)系（含水量4.5%）

圖2 干密度與最大荷載的關(guān)系（含水量5%）

由圖1和圖2數(shù)據(jù)結(jié)果分析可見(jiàn)：

（1）干密度值隨著最大壓力值的增加而不斷增加。在最大壓力值較小階段干密度迅速增長(zhǎng)，當(dāng)最大壓力值超過(guò)400 kN后干密度增加幅度較小。造成此現(xiàn)象發(fā)生主要源于以下兩個(gè)方面：一方面，松散材料在壓實(shí)初期提高干密度所需要能量較??；另一方面，松散材料吸收靜壓能量的性能比較好。集料空隙變小，嵌擠效果提高，傳遞靜壓壓力性能增強(qiáng)，集料難以進(jìn)一步壓實(shí)。表現(xiàn)為后期干密度增幅減小，干密度曲線趨于平緩。

（2）加載速率0.5 kN/s和加載速率1.0 kN/s的干密度曲線相近，干密度差值較小；當(dāng)加載速率達(dá)到2.0 kN/s時(shí)干密度的波動(dòng)性明顯變大，且干密度明顯偏小，說(shuō)明加載速率過(guò)大時(shí)集料沒(méi)有得到充分壓實(shí)。

1.1.2 壓碎率與最大壓力值之間的關(guān)系

壓碎率用測(cè)量壓實(shí)前后通過(guò)某篩孔的通過(guò)率的差值來(lái)表示。試驗(yàn)中選取9.5 mm、4.75 mm兩個(gè)篩孔的壓碎率來(lái)進(jìn)行分析。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)試件破碎集料均勻分布于整個(gè)試件中，破碎情況沒(méi)有出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。最大荷載0～800 kN，每級(jí)遞增100 kN；加載速度分為0.5 kN/S、1.0 kN/s、2.0 kN/s，含水量分為4.5%和5.0%兩個(gè)等級(jí)。不同篩孔集料壓碎率與最大壓力值之間的關(guān)系如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4分析看出：

（1）壓碎率隨著壓力值的增加而不斷增加。當(dāng)最大壓力值小于200 kN時(shí)，壓碎率較小，曲線平緩。此時(shí)壓力值不足以壓碎集料，只有極少部分易破碎集料被壓碎。當(dāng)壓力值在300～400 kN時(shí)，壓碎率急劇增加，壓碎率曲線較陡。此時(shí)，隨著壓力的增加，大部分針片狀集料被壓碎，導(dǎo)致壓碎率急劇增加。當(dāng)最大壓力值大于400 kN時(shí)，壓碎率變化較小。究其原因，主要是隨著最大壓力值的增加，集料間空隙減小，密實(shí)度增加，集料的承載能力加強(qiáng)，集料更難被壓碎。

圖3 9.5 mm壓碎率與最大壓力值關(guān)系

圖4 4.75 mm壓碎率與最大壓力值關(guān)系

（2）加載速率0.5 kN/s和加載速率1.0 kN/s的壓碎率隨最大壓力值變化規(guī)律相似；當(dāng)最大壓力值大于400 kN時(shí)加載速率2.0 kN/s的壓碎率明顯大于其他兩者，且波動(dòng)性較明顯。

1.2 靜壓壓實(shí)參數(shù)的確定

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及工程經(jīng)驗(yàn)確定最優(yōu)靜壓壓實(shí)的參數(shù)。

（1）靜力壓實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)碾壓，當(dāng)最大壓力值達(dá)到400 kN后，干密實(shí)度增加逐漸緩慢；最大壓力值超過(guò)400 kN后，壓碎值增加平緩，變化較小。

（2）加載速率0.5 kN/s與加載速率1 kN/s兩種加載速率下干密度曲線較為接近，且壓碎率曲線幾乎重疊，從試驗(yàn)的簡(jiǎn)便快捷方面考慮，加載速率1kN/s優(yōu)于加載速率0.5 kN/s。

（3）加載速率2 kN/s與加載速率1 kN/s相比，所得到的干密度普遍偏低，而壓碎率偏高，且兩者變異性均較大。從試驗(yàn)的可靠性分析，1 kN/s的加載速率優(yōu)于2 kN/s的加載速率。

通過(guò)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，靜壓壓實(shí)參數(shù)確定如下：最大壓力值400 kN，加載速率1 kN/s，維持最大壓力時(shí)間2 min［4-6］。

2 免振壓水泥穩(wěn)定碎石配合比組成設(shè)計(jì)

配合比組成設(shè)計(jì)是水泥穩(wěn)定碎石性能研究的基礎(chǔ)。在選定原材料后，分析原材料基本性能，級(jí)配設(shè)計(jì)采用沙慶林院士提出的瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，確定免振壓水泥穩(wěn)定碎石配合比組成，然后進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)，并研究減水劑和膨脹劑摻加工藝。

2.1 原材料

2.1.1 集料

水泥穩(wěn)定碎石顆粒間的粘結(jié)力和內(nèi)摩阻力對(duì)于混合料的強(qiáng)度起到了決定性的作用。集料的選擇對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石材料的性能顯得極為重要。表面粗糙有棱角、無(wú)風(fēng)化、潔凈的粗集料，可以與水泥粘結(jié)更加牢固；細(xì)集料主要起到填充粗集料空隙的作用，級(jí)配良好、質(zhì)地堅(jiān)硬、顆粒潔凈的細(xì)集料，是水泥穩(wěn)定碎石具有良好強(qiáng)度的前提。

2.1.2 水泥

水泥性能的優(yōu)劣對(duì)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能和路用性能影響巨大。水泥與砂石材料一起使用，通過(guò)水泥的水化作用產(chǎn)生的膠結(jié)能力，將砂石材料膠結(jié)為強(qiáng)度更高的整體。

2.1.3 外加劑

在借鑒自密實(shí)水泥混凝土技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)選擇添加減水劑和膨脹劑達(dá)到改進(jìn)免振壓水泥穩(wěn)定碎石性能的效果。

（1）減水劑

減水劑是指在混凝土流動(dòng)性和水泥用量相同的條件下，能減少拌合用水量、提高混凝土強(qiáng)度；或在和易性及強(qiáng)度不變條件下，節(jié)約水泥用量的外加劑。摻加減水劑后，不僅可以減少水的使用量，而且可以改善混凝土的施工和易性，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（2）膨脹劑

膨脹劑主要用于補(bǔ)償收縮、充分填充水泥間隙。水泥膨脹劑中的金屬與堿性水泥產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成氫氣，從而使水泥體積膨脹，進(jìn)而增強(qiáng)水泥強(qiáng)度。

2.2 級(jí)配選擇

試驗(yàn)級(jí)配采用懸浮密實(shí)型級(jí)配，如表1所示。

表1 懸浮密實(shí)型級(jí)配

2.3 配合比設(shè)計(jì)

免振壓水泥穩(wěn)定碎石采用：水泥用量為4.5%，在現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上考慮抗裂性優(yōu)化得到的懸浮密實(shí)型級(jí)配，并通過(guò)摻外加劑進(jìn)一步改善其收縮性能的水泥穩(wěn)定碎石。膨脹劑的推薦摻量為6%～10%，故選用6%、8%、10% 3種摻量。減水劑的推薦摻量為2%～6%，故選用2%、4%、6% 3種摻量。研究不同摻量下，減水劑和膨脹劑分別與最大干密度和含水量之間的關(guān)系。

2.4 靜壓壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

壓實(shí)試驗(yàn)是水泥穩(wěn)定碎石各種性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)。壓實(shí)試驗(yàn)影響到以后配料的精度，因此對(duì)各配合比進(jìn)行細(xì)致的壓實(shí)試驗(yàn)至關(guān)重要。通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

（1）在混合料中摻加膨脹劑后，對(duì)最大干密度和最佳含水量的影響極其微弱。當(dāng)膨脹劑摻量為8%時(shí)，達(dá)到最大干密度值。

（2）摻入減水劑后，最大干密度及最佳含水量均減小。減水劑的引氣效果增加了試件空隙率，導(dǎo)致最大干密度減少。隨著減水劑的增加，水泥流動(dòng)性變強(qiáng)，從而使得混合料更容易被壓實(shí)。當(dāng)減水劑摻量為2%，達(dá)到最佳效果。

3 工程實(shí)例

為了更好地研究免振壓水泥穩(wěn)定碎石的使用性能，依托X205江海高速公路海安南互通連接線工程，在南通市海安縣X205道路新建工程進(jìn)行了試驗(yàn)路基層的鋪筑工作，試驗(yàn)段樁號(hào)K0+010～K0+300，并對(duì)基層進(jìn)行了試驗(yàn)檢測(cè)和后期跟蹤觀測(cè)，以評(píng)價(jià)免振壓水泥穩(wěn)定碎石技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況。

根據(jù)X205道路工程實(shí)際情況以及靜壓壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)路面采用以下配合比設(shè)計(jì)：水泥用量4.5%；含水量4.4%；減水劑2%；膨脹劑8%。

3.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了掌握試驗(yàn)路情況，試驗(yàn)路施工單位從拌合樓取混合料樣品，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)路面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，具體的試驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）基本試驗(yàn)

通過(guò)取回的水泥穩(wěn)定碎石，進(jìn)行水泥含量滴定試驗(yàn)、含水量測(cè)定試驗(yàn)和篩分試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果可看出，水泥用量和級(jí)配均滿足施工指導(dǎo)意見(jiàn)要求。

（2）性能試驗(yàn)

在室內(nèi)進(jìn)行了水泥穩(wěn)定碎石混合料7 d無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，強(qiáng)度介于3.5～4.5 MPa，滿足規(guī)范要求。

（3）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

采用文中提出的靜壓壓實(shí)法進(jìn)行最佳含水量和最大干密度試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得，最大干密度為2.330 g·cm-3，最佳含水量為4.4%。

試鋪段碾壓結(jié)束，進(jìn)行了壓實(shí)度檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度均達(dá)到了≥98%的要求。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，免振壓水泥穩(wěn)定碎石施工質(zhì)量良好，達(dá)到試驗(yàn)路預(yù)期的效果。

3.2 后期跟蹤試驗(yàn)結(jié)果分析

為了更好地了解免振壓水泥穩(wěn)定碎石基層的施工情況，對(duì)X205免振壓水泥穩(wěn)定碎石施工路段進(jìn)行了后期跟蹤檢測(cè)。

（1）鉆芯取樣

7 d養(yǎng)生結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣，芯樣外觀完整，無(wú)裂縫，且厚度滿足要求。

（2）劈裂強(qiáng)度檢測(cè)

將鉆芯取樣試件帶回試驗(yàn)室，檢測(cè)其劈裂強(qiáng)度。試件裁為Φ150 mm×150 mm大小，殘缺部分用水泥漿補(bǔ)平。劈裂強(qiáng)度檢測(cè)情況如表2所示。

從表2中可以看出，摻加減水劑和膨脹劑后，在一定程度上明顯提高了免振壓水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度，且滿足規(guī)范要求。

表2 鉆芯取樣劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

免振水泥穩(wěn)定碎石不但具有強(qiáng)度高、承載力大、水穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，而且具有潛在的綜合經(jīng)濟(jì)效益［7-10］。在施工階段，其不需采用振動(dòng)壓實(shí)，各性能參數(shù)亦能達(dá)到相應(yīng)規(guī)范要求。作為一種在特殊條件下采用的水泥穩(wěn)定碎石技術(shù)，能有效地減少噪音對(duì)周邊環(huán)境的影響，滿足建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)的要求。

［1］張志峰.振動(dòng)壓實(shí)對(duì)環(huán)境的影響［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

［2］程箭.新型水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配組成及其路用性能研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

［3］張慧明.免振壓水泥穩(wěn)定碎石技術(shù)研究方向［J］.建筑知識(shí)，2013（3）：340-341.

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［5］JTG/T F20—2015公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則［S］.

［6］JTG E51—2009公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

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Research and Application of Free Vibration Pressure Technology of Cement Stabilized Macadam

Song Yazhou, Pan Fang
（Jiangsu Easttrans Engineering Detection Co. Ltd., Nanjing 226004, China）

This paper mainly introduced application of free vibration pressure cement stabilized macadam technology in residential areas, shops and other special conditions. It analyzed the optimal combination of the static compaction parameters to determine the free vibration of cement stable macadam mixture, and then conducted pressure and static compaction test. Based on an engineering example, the applicability of static compaction method and the feasibility of free vibration pressure cement stabibized macadam were verified.

free vibration pressure cement stabilized gravel; static compaction parameters; mixture ratio; compaction test

U415.6

A

1672-9889（2016）06-0022-04

2016-04-13）

宋亞洲（1984-），男，江蘇連云港人，工程師，主要從事道路研究與檢測(cè)工作。