水泥穩(wěn)定級配碎石振動成型試驗研究

劉俊瑞，劉 莎

(1.山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司) 太原市 030032； 2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津市 300000)

近年來，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國的公路建設(shè)也呈現(xiàn)飛速發(fā)展的態(tài)勢，在我國現(xiàn)有的公路中，路面結(jié)構(gòu)主要由面層、基層和墊層組成。基層是路面結(jié)構(gòu)的承重層，對路面整體質(zhì)量和性能有著重要影響。水泥穩(wěn)定碎石材料以其強度高、穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)良特點，被廣泛用于高等級公路路面基層。目前，在水泥穩(wěn)定碎石材料的試驗性能測試中，最佳含水率和最大干密度主要通過重型擊實試驗來確認，隨著大噸位壓路機的使用及規(guī)范對路面基層的更高要求，在實際施工過程中，重型擊實并不能很好地模擬現(xiàn)場的壓實狀況，得到的干密度偏小，造成與施工實際狀況不匹配，且由于水泥用量較高，在溫度應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生溫縮裂縫。因此，研究振動成型擊實試驗具有重要意義。依托廣東某高速公路，通過對比室內(nèi)振動擊實成型與重型擊實方式，分析振動擊實的特征，為路面現(xiàn)場施工提供一定的依據(jù)。

1 振動擊實與重型擊實的擊實原理分析

1.1 重型擊實原理

在沖擊力作用下，填料逐漸相互靠攏，使得粗顆粒之間增加了顆粒表面的摩擦力，細顆粒之間分子引力增強，最終依據(jù)級配大小的不同而嵌擠在一起，使填料達到密實，并組成新的結(jié)構(gòu)強度。然而緊靠上下方向的擊實，并不能使碎石達到最佳密實狀態(tài)，受填料的初始位置、形狀影響較大。

1.2 振動擊實原理

在振動作用下，填料的初始位置發(fā)生改變，內(nèi)部形成振動沖擊，填料運動狀態(tài)由靜止轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)，同時填料內(nèi)部水分產(chǎn)生離析，作為潤滑劑使顆粒之間位置更加密實，粗細顆粒之間的空隙更易被填充，形成穩(wěn)定的受力結(jié)構(gòu)，使得填料密實度提高，承載力增加。

2 水泥穩(wěn)定級配碎石試驗方案

2.1 原材料性質(zhì)

(1)水泥性能

試驗用水泥采用廣東韶關(guān)樂昌市中建材水泥有限公司生產(chǎn)的粵海P.C32.5R硅酸鹽水泥，相關(guān)技術(shù)指標如表1所示，滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)P.C32.5R水泥的技術(shù)要求。

(2)集料性能

試驗用集料來自廣東韶關(guān)九龍寨石場，集料的各項技術(shù)指標如表2所示，滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》(JTG/T F20-2015)的技術(shù)要求。

表2 集料技術(shù)指標

2.2 水泥穩(wěn)定碎石級配設(shè)計

依據(jù)集料的篩分特征，進行水泥穩(wěn)定級配碎石的級配設(shè)計，最終的級配方案見表3所示，滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》(JTG/T F20-2015)的技術(shù)要求。

表3 水泥穩(wěn)定級配碎石級配設(shè)計表

3 水泥穩(wěn)定級配碎石技術(shù)指標比對分析

根據(jù)試驗方案，分別對比水泥劑量4.0%、4.5%、5.0%振動擊實與重型擊實成型下碎石的最大干密度、最佳含水率、無側(cè)限抗壓強度等技術(shù)指標的變化情況。

3.1 最大干密度與最佳含水率比對分析

分別按照這兩種壓實試驗方法對不同水泥劑量的混合料進行壓實，確定各自的最大干密度和最佳含水率，試驗結(jié)果見圖1、圖2所示。從圖中可以得出：

(1)在同一水泥劑量下，振動擊實比重型擊實試驗確定的最大干密度大，在5.0%水泥劑量下，兩者的最大干密度分別為2.394g/cm3和2.312g/cm3，密度差值為0.082g/cm3，這是因為振動成型能夠使集料在保證擊實功的情況下，通過顆粒位置的變動使集料更加密實。

(2)在同一水泥劑量下，振動擊實比重型擊實試驗確定的最佳含水率小，在5.0%水泥劑量下，兩者的最佳含水率分別為4.86%和5.61%，差值達0.75%，這是由于重型擊實僅靠垂直方向的壓力使集料相互擠壓，需要較多的水分起到潤滑的作用，振動擊實通過振動使集料的位置發(fā)生改變，從而更快地達到密實狀態(tài)，故所需含水率相對較小。

(3)隨著水泥劑量的增加，混合料的最大干密度和最佳含水率也隨之增大，主要是由于隨著水泥的增多，需要更多的水發(fā)生水化反應(yīng)，同時顆粒之間的空隙被更多的水泥漿填滿，使得整體結(jié)構(gòu)更加密實。

3.2 無側(cè)限抗壓強度對比分析

依據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)，分別按照確定的最佳含水率和最大干密度通過靜壓法與振動成型法得到混合料的無側(cè)限抗壓強度試件，其中壓實度按98%控制，制備150×150mm的圓柱型試件，經(jīng)過7d標準條件養(yǎng)護后，測量其無側(cè)限抗壓強度，試驗結(jié)果如表4所示。從表中可以得出：

表4 無側(cè)限抗壓強度

(1)在同一水泥劑量下，振動擊實比重壓成型試件的7d無側(cè)限抗壓強度大，在5.0%水泥劑量下，兩者的強度分別為10.0MPa和5.4MPa，前者為后者的1.85倍。

(2)隨著水泥劑量的增大，兩種方法成型試件的強度均逐漸增大，且增長速度呈逐漸放緩的趨勢。振動成型試件在水泥劑量4.0%時強度為8.1MPa，能夠滿足規(guī)范要求，通過水泥劑量的降低，能有效避免溫縮裂縫的產(chǎn)生。

(3)結(jié)合以上兩點，可以得出成型方法對混合料的強度影響較大，振動成型對于重型擊實有較明顯的優(yōu)勢。對于重型擊實，在靜壓成型過程中，由于顆粒的位置變化較小，在壓力作用下顆粒間的摩阻力也逐漸增加，從而使試件無法達到最佳密實結(jié)構(gòu)；而振動成型試件，在高頻振動壓力下，顆粒間的摩擦力被相互抵消，且隨著顆粒位置的變動，顆粒之間結(jié)合更加緊密，試件內(nèi)部粗細集料嵌擠的更加均勻，形成了密實結(jié)構(gòu)，使試件無側(cè)限抗壓強度更高。

4 結(jié)論

(1)研究了水泥穩(wěn)定級配碎石不同成型方式對最大干密度和最佳含水率的影響，振動擊實最大干密度較重型擊實大，最佳含水率較重型擊實小，成型試件更加密實，性能較重型擊實有明顯優(yōu)勢。

(2)研究了水泥穩(wěn)定級配碎石的成型方式對其無側(cè)限抗壓強度的影響，振動擊實的試件強度要遠高于靜壓成型試件。在水泥劑量較小(4%)時即能滿足規(guī)范強度要求，能有效降低水泥穩(wěn)定級配碎石基層溫縮裂縫。

(3)研究了水泥劑量對水泥穩(wěn)定級配碎石各項指標的影響，隨著水泥劑量的增大，兩種成型方式的最大干密度、最佳含水率均呈增大趨勢，7d無側(cè)限抗壓強度也隨著增大。

(4)振動擊實成型方式在各方面都優(yōu)于重型擊實方式，且該種擊實方式與現(xiàn)場壓實更加匹配，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場情況，選擇合適的水泥劑量，將振動擊實方式予以推廣應(yīng)用。