靜壓穩(wěn)定碎石配合比試驗(yàn)研究

趙峰 耿正君 程寅 徐曉山 婁曉釗 沈君 桂啟濤

（1漯河市公路管理局，河南 漯河 462000；2交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029；3漯河信運(yùn)監(jiān)理咨詢有限公司，河南 漯河 462000；4漯河市公路工程建設(shè)總公司，河南 漯河 462300）

1 引言

振動壓實(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)、商鋪或老舊建筑周圍等特殊路段振動壓實(shí)受到極大限制。針對這一現(xiàn)象，提出了一種不需要振動壓實(shí)，亦能滿足性能要求的水泥穩(wěn)定碎石技術(shù)，即靜壓穩(wěn)定碎石技術(shù)[1]。

不同于道路基層目前所普遍采用的水泥穩(wěn)定碎石（砂礫）、石灰粉煤灰碎石（砂礫）等半剛性基層存在的石料短缺、成本高、施工影響大及生態(tài)破壞大等缺陷，靜壓穩(wěn)定碎石技術(shù)作為一種可充分利用當(dāng)?shù)赝馏w資源、經(jīng)濟(jì)高效且環(huán)保的道路基層修筑技術(shù)，可有效解決前述半剛性基層所遇到的建設(shè)難題[2]。

現(xiàn)有研究對穩(wěn)定碎石級配設(shè)計(jì)理論研究較多[3]，而對穩(wěn)定碎石的固化劑材料選用、穩(wěn)定工藝研究相對少。文獻(xiàn)[4-6]報(bào)道了近村鎮(zhèn)道路基層施工多需要機(jī)械振動壓實(shí)，對道路兩旁建筑民宅結(jié)構(gòu)影響極大，民眾實(shí)際訴求與現(xiàn)有施工工藝矛盾突出。因此，充分尋求經(jīng)濟(jì)適用高效、對周圍環(huán)境影響小的道路基層穩(wěn)定材料及施工工藝是公路工程中迫切的需要。

本文利用廢渣材料脫硫石膏作為膨脹劑，對靜壓穩(wěn)定碎石進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出可行的靜壓穩(wěn)定碎石配合比，為有效解決現(xiàn)有道路基層環(huán)境影響難題提出可行方案。

2 原材料

2.1 水泥及膨脹劑

本次試驗(yàn)選用標(biāo)號為42.5的普通硅酸鹽水泥，膨脹劑選用脫硫石膏，水泥主要技術(shù)指標(biāo)見表1，水泥與脫硫石膏主要化學(xué)成分見表2。

表1 水泥參數(shù)

表2 主要化學(xué)成分

2.2 粗集料

本次試驗(yàn)選用由北京懷柔石料場生產(chǎn)的粗集料，材料規(guī)格為15～25mm、10～15mm、5～10mm、0～5mm，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表3。

表3 粗集料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

2.3 纖維

按照《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》（GB/T 3354-1999），對三種不同纖維各項(xiàng)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果記錄如下表4。

表4 三種不同纖維力學(xué)參數(shù)

由表4可知，玄武巖纖維抗拉強(qiáng)度及彈性模量較聚丙烯纖維和玻璃纖維高，故本試驗(yàn)選取玄武巖纖維增強(qiáng)試樣的抗拉強(qiáng)度。碎石性能的效果。

2.4 級配選擇

試驗(yàn)級配采用懸浮密實(shí)型級配，見表5。

表5 懸浮密實(shí)型級配

3 靜壓成型參數(shù)確定

3.1 含水率與干密度之間的規(guī)律分析

為研究水泥穩(wěn)定碎石試樣在靜壓和擊實(shí)兩種不同情況下的含水率與干密度之間的關(guān)系，分別選取水泥摻量為4%、5%的兩種試樣進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)與靜壓試驗(yàn)，得到其含水率與干密度之間的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 不同水泥摻量試樣含水率與干密度關(guān)系曲線

由圖1可知，在室內(nèi)靜壓與擊實(shí)試驗(yàn)下，水泥摻量為4%、5%試樣的含水率與干密度呈顯著的二次函數(shù)關(guān)系。計(jì)算最優(yōu)含水率與最大干密度值見表6。

表6 最優(yōu)含水率與最大干密度

由表6可知，在水泥摻量為4%、5%時(shí)，通過室內(nèi)靜壓與擊實(shí)兩種試驗(yàn)方法得出的最佳含水率和最大干密度值均近似相同。

3.2 干密度與最大壓力值之間的規(guī)律分析

靜力壓實(shí)過程中，影響壓實(shí)效果的液壓壓力機(jī)參數(shù)主要包括最大壓力值、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)，加載速率與靜力壓路機(jī)的碾壓速度相關(guān)聯(lián)。試驗(yàn)選擇400kN、500kN、600kN、700kN、800kN、900kN、1000kN七組最大壓力值；考慮實(shí)際碾壓速度，試驗(yàn)選擇1.0kN/s、2.0kN/s、3.0kN/s三組加載速率；考慮實(shí)際碾壓時(shí)長，每次加載達(dá)到最大值時(shí)，穩(wěn)定在最大值2min后卸載。選取水泥摻量4%試樣，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)，得到含水率為5.5%的干密度與最大壓力值之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 干密度與最大壓力值關(guān)系曲線

由圖2可知，在三組不同加載速率下，試樣的干密度值均隨著最大壓力值的增加而不斷增加。在最大壓力值處于400～800KN時(shí)，試樣干密度值增長較快，當(dāng)最大壓力值超過800 KN后干密度增加幅度較小，且近似趨于平緩穩(wěn)定。在同組最大壓力值條件下，加載速率越大，試樣的干密度越大；在加載速率為2KN/s和3KN/s時(shí)，試樣的干密度值較為接近，說明干密度隨加載速率的增加而增大，且隨著加載速率的增加，干密度增幅減小。

3.3 壓碎率與最大壓力值之間的規(guī)律分析

壓碎率用測量壓實(shí)前后通過某篩孔的通過率的差值來表示。試驗(yàn)中選取xxmm篩孔的壓碎率來進(jìn)行分析。最大壓力值、加載速率及試樣同上。測得在xxmm篩孔集料壓碎率與最大壓力值之間的關(guān)系，繪制曲線如圖3所示。

圖3 壓碎率與最大壓力值關(guān)系曲線

由圖3可知，不同加載速率下，試樣的壓碎率隨著最大壓力值的增加而不斷增大，當(dāng)最大壓力值超過800kN后，壓碎率增長緩慢，曲線趨于平緩，主要原因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。同時(shí)，同組最大壓力值條件下，試樣的壓碎率隨著加載速率的增大而增大。

綜上所述：室內(nèi)靜力壓實(shí)模擬現(xiàn)場碾壓，當(dāng)最大壓力值達(dá)到800kN后，干密度曲線趨于平緩，密實(shí)度基本不再增加，當(dāng)最大壓力值超過800kN后，破碎率曲線趨于平緩，故選取最大壓力值為800KN；加載速率為3kN/s時(shí)的干密度較大，且試驗(yàn)效率更高，故加載速率選取3KN/s；維持最大壓力時(shí)間2 min[7-9]。

4 免振水泥穩(wěn)定碎石配合比試驗(yàn)

本試驗(yàn)免振水泥穩(wěn)定碎石采用：水泥摻量為4%，玄武巖纖維摻量為：0%、0.05%、0.1%、0.15%，膨脹劑的摻量選用0.16%、0.24%、0.32%、0.4%、0.48%、0.56%，開展室內(nèi)配合比強(qiáng)度試驗(yàn)研究。

為研究試樣在不同膨脹劑摻量下7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，故選用水泥摻量為4%的試樣，設(shè)計(jì)膨脹劑摻量變量為0.16%、0.24%、0.32%、0.4%、0.48%、0.56%六種，進(jìn)行室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 膨脹劑摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖4可知，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨膨脹劑摻量的增加而增加。當(dāng)膨脹劑摻量為小于0.4%時(shí)，強(qiáng)度增長較大，此后增加膨脹劑摻量，曲線趨于平緩。當(dāng)膨脹劑摻量為0.4%時(shí)，7d和28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為7.3MPa和8.9MPa，滿足規(guī)范強(qiáng)度要求，繼續(xù)增加摻量強(qiáng)度增加有限，且提高施工成本，因此選取膨脹劑最佳摻量為0.4%。

為研究試樣在不同玄武巖纖維摻量下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，故選用水泥摻量為4%、膨脹劑摻量為10%的試樣，設(shè)計(jì)18mm長的玄武巖纖維摻量變量為0%、0.05%、0.1%、0.15%，進(jìn)行室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并繪制其關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 玄武巖纖維摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖5可知，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量的增加而增大。纖維的加入在水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系，從而產(chǎn)生有效的二級加強(qiáng)效果，提高了結(jié)合料的力學(xué)強(qiáng)度。選取纖維摻量10%作為試驗(yàn)配合比使用較為合適。免振靜壓穩(wěn)定碎石在0.4%膨脹劑摻量、0.1%玄武巖纖維摻量下7d和28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為9.4MPa，10.3MPa，滿足基層設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，實(shí)際應(yīng)用具有可行性。

5 結(jié)語

1）應(yīng)用靜壓成型法，室內(nèi)靜力壓實(shí)模擬現(xiàn)場碾壓，當(dāng)最大壓力值達(dá)到800kN后，干密度曲線趨于平緩，密實(shí)度基本不再增加，當(dāng)最大壓力值超過800kN后，破碎率曲線趨于平緩，故選取最大壓力值為800KN；加載速率為3kN/s時(shí)的干密度較大，且試驗(yàn)效率更高，故加載速率選取3KN/s；維持最大壓力時(shí)間2min。

2）研究了膨脹劑摻量、纖維摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，確定膨脹劑摻量為0.4%、纖維摻量0.1%，可作為免振穩(wěn)定碎石配合比使用。摻入膨脹劑、纖維的免振水泥穩(wěn)定碎石具有更高的強(qiáng)度、較高的承載力，具有一定適用性。