基于振動(dòng)成型的水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度影響因素分析

高 昆

(新疆交建公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)有限公司， 烏魯木齊 830011)

半剛性基層一直是我國高等級公路的主要基層結(jié)構(gòu)形式，通常采用水泥穩(wěn)定碎石材料鋪筑而成[1-2]。良好的材料組成設(shè)計(jì)和施工方式對水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度形成與耐久性至關(guān)重要[3-5]。目前，工程一般采用振動(dòng)壓路機(jī)對水泥穩(wěn)定碎石層進(jìn)行碾壓，但在進(jìn)行材料組成設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常采用靜壓法成型試件進(jìn)行力學(xué)性能分析，這就使室內(nèi)設(shè)計(jì)與實(shí)際施工相去甚遠(yuǎn)，試驗(yàn)確定的配比設(shè)計(jì)往往無法滿足實(shí)際工程需求[6-10]。振動(dòng)法成型試件與現(xiàn)場施工方式較為接近，但由于振動(dòng)成型試件的影響因素尚缺乏全面認(rèn)識(shí)，振動(dòng)擊實(shí)能量與現(xiàn)場施工的壓實(shí)功關(guān)系尚未完全厘清[11]，因此該方法盡管得到了很多研究人員的重視，但是仍未改變實(shí)驗(yàn)室內(nèi)普遍采用靜壓法的現(xiàn)狀。鑒于振動(dòng)擊實(shí)能量與振動(dòng)作用時(shí)間關(guān)系密切，本文基于振動(dòng)法壓實(shí)成型試件，研究不同振動(dòng)時(shí)間下影響水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥穩(wěn)定碎石采用石灰?guī)r質(zhì)集料，其技術(shù)規(guī)格測試如表1所示，水泥采用P·O 425硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)如表2所示。拌和混凝土采用的水為室內(nèi)自來水，該水質(zhì)量滿足規(guī)范要求。本次試驗(yàn)結(jié)合四川省某高等級公路的半剛性基層施工工程進(jìn)行驗(yàn)證分析，選用3種粗細(xì)程度不同的級配，如圖1所示的C級配、M級配及F級配。該高等級公路半剛性基層的實(shí)際級配如圖1所示，該實(shí)際級配基于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的M級配進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 集料技術(shù)規(guī)格

表2 水泥技術(shù)指標(biāo)

注：實(shí)際級配基于M級配設(shè)計(jì)，圖中2條級配曲線重合。

圖1級配組成

Fig.1 Gradations of mixtures

1.2 試驗(yàn)方案

垂直振動(dòng)頻率和振幅是影響振動(dòng)壓實(shí)效果的關(guān)鍵因素，當(dāng)碎石的固有頻率與振動(dòng)頻率一致而產(chǎn)生共振時(shí)，集料能夠更好地重排形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，而振幅的大小直接影響沖擊能量的形成，決定集料重排過程中的遷移程度。此外，激振力對壓實(shí)效果的影響也不可忽視，激振力與振幅、頻率的選擇有關(guān)，激振力過大或過小都無法保證壓實(shí)質(zhì)量。參考文獻(xiàn)[6]研究，本試驗(yàn)采用振動(dòng)頻率為30 Hz，名義振幅為1.4 mm，激振力控制為6 900 kN，通過垂直振動(dòng)儀器成型直徑為150 mm、高度為150 mm的試件。采用3種級配(C級配、M級配、F級配)、3種水泥劑量(4.5%、5%、5.5%)、3個(gè)養(yǎng)生時(shí)間(7 d、28 d、60 d)及3個(gè)振動(dòng)時(shí)間(60 s、90 s、120 s)以研究不同的條件對振動(dòng)成型試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。為對比靜壓成型試件的抗壓強(qiáng)度，采用壓力試驗(yàn)機(jī)成型同樣尺寸的試件，選取的水泥劑量為5%，采用的級配為M級配。此外，對現(xiàn)場施工后不同養(yǎng)生時(shí)間下的水泥穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行鉆芯取樣，經(jīng)檢測，選取的路段實(shí)際級配如圖1所示，其水泥實(shí)際用量為5.0%。

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程測試不同養(yǎng)生齡期試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，其結(jié)果按照下式計(jì)算：

Rc=F/A

(1)

式中：Rc為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；F為試件破壞時(shí)的最大壓力，N；A為試件面積，mm2。

2 振動(dòng)成型試件抗壓強(qiáng)度的影響因素分析

水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度主要由集料之間的嵌擠作用及水泥漿凝結(jié)硬化后提供的粘結(jié)作用構(gòu)成。水泥的凝結(jié)硬化隨著時(shí)間延長而不斷發(fā)展，因此其粘結(jié)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。此外，水泥劑量的多少直接影響著水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度，而集料顆粒的粗細(xì)對于集料之間的嵌擠作用影響較大，從而影響水泥穩(wěn)定碎石的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度形成[12-15]。因此，本研究分別以不同級配、水泥劑量及養(yǎng)生時(shí)間為條件，經(jīng)過不同的振動(dòng)時(shí)間成型水泥穩(wěn)定碎石試件，并對其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試。

2.1 級配類型

在5%水泥劑量條件下，采用3種級配經(jīng)過不同時(shí)間振動(dòng)成型試件，養(yǎng)護(hù)7 d后測試其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示。其中，C級配、M級配及F級配分別表示級配粗、中、細(xì)3種不同的類型。由圖2可以看出，在同樣振動(dòng)成型時(shí)間條件下，盡管較細(xì)的級配7 d后的抗壓強(qiáng)表現(xiàn)略大，但這種差異并不顯著，另外需要注意的是較細(xì)的級配更易導(dǎo)致基層開裂。因此，實(shí)際施工時(shí)，在同樣條件下，可多選用較粗的級配結(jié)構(gòu)；隨著振動(dòng)時(shí)間的增加，成型的水泥穩(wěn)定碎石試件7 d后的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，這表明振動(dòng)成型的時(shí)間越長，水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部結(jié)構(gòu)越密實(shí)，試件強(qiáng)度越大。由圖2還可以看出，經(jīng)過振動(dòng)成型的試件7 d后抗壓強(qiáng)度均大于5 MPa，表明振動(dòng)成型方法比靜壓成型能夠獲得更大的密實(shí)結(jié)構(gòu)。

圖2 不同級配振動(dòng)成型試件的7 d抗壓強(qiáng)度

2.2 水泥劑量

采用M級配和不同的水泥劑量對不同振動(dòng)時(shí)間成型的水泥穩(wěn)定碎石試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試件的養(yǎng)生時(shí)間為7 d，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著水泥劑量的增加，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度顯著增大。這是由于水泥劑量增加后，水泥漿的水化反應(yīng)產(chǎn)物增多，對穩(wěn)定碎石的凝聚十分有利，進(jìn)而顯著提高了試件的抗壓強(qiáng)度；在同樣水泥劑量下，振動(dòng)時(shí)間的延長明顯提升了水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度，60 s延長到90 s后效果十分顯著，90 s進(jìn)一步延長到120 s后，抗壓強(qiáng)度持續(xù)增加，但增長幅度有所減小。這說明振動(dòng)時(shí)間的延長能夠促進(jìn)水泥穩(wěn)定碎石集料間的相互運(yùn)動(dòng)，使得試件整體進(jìn)一步密實(shí)，在同樣的水泥漿水化產(chǎn)物包裹下，能夠形成更強(qiáng)的粘結(jié)體系，從而表現(xiàn)出更大的抗壓強(qiáng)度。

圖3 不同水泥劑量下振動(dòng)成型試件的抗壓強(qiáng)度

2.3 養(yǎng)生時(shí)間

基于M級配和5%的水泥劑量，采用振動(dòng)成型法成型試件后分別養(yǎng)生7 d、28 d、60 d后測試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著養(yǎng)生時(shí)間不斷增加，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，由于水泥的水化產(chǎn)物隨著時(shí)間延長而增多，但水泥的水化反應(yīng)速率逐漸放緩，因此在7 d發(fā)展到28 d內(nèi)的抗壓強(qiáng)度增長幅度明顯大于從28 d發(fā)展到60 d內(nèi)的抗壓強(qiáng)度漲幅；隨著振動(dòng)時(shí)間的延長，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度明顯增大。同時(shí)，對比同一養(yǎng)生時(shí)間段內(nèi)的抗壓強(qiáng)度，從其漲幅可看出，振動(dòng)時(shí)間的延長有利于養(yǎng)生期間抗壓強(qiáng)度的發(fā)展和強(qiáng)化，振動(dòng)時(shí)間越長，水泥穩(wěn)定碎石的結(jié)構(gòu)相對越密實(shí)，水泥的水化產(chǎn)物能更好地形成整體，其抗壓強(qiáng)度的增加幅度也相對較大。

圖4 不同養(yǎng)生時(shí)間下振動(dòng)成型試件的抗壓強(qiáng)度

3 工程驗(yàn)證分析

為了對比分析振動(dòng)法成型水泥穩(wěn)定碎石試件、室內(nèi)靜壓法成型試件與現(xiàn)場半剛性基層施工后芯樣的抗壓強(qiáng)度，采用養(yǎng)護(hù)7 d后的試件進(jìn)行強(qiáng)度測試，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，靜壓法成型的水泥穩(wěn)定碎石試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯低于現(xiàn)場實(shí)際強(qiáng)度，這表明在試驗(yàn)內(nèi)同樣的材料設(shè)計(jì)條件下，用靜壓法成型試件評價(jià)水泥穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)性能明顯不足。振動(dòng)法成型試件的抗壓強(qiáng)度較接近于實(shí)際工程，振動(dòng)60 s成型的試件其抗壓強(qiáng)度略小于實(shí)際工程芯樣的抗壓強(qiáng)度，而振動(dòng)90 s成型的試件其強(qiáng)度值則略大于工程芯樣。由此可見，通過振動(dòng)法成型的水泥穩(wěn)定碎石試件的力學(xué)性能與實(shí)際施工效果較為接近，可通過振動(dòng)時(shí)間的研究和控制，提高實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的配比設(shè)計(jì)水平，從而更加準(zhǔn)確地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

表3 不同成型方式下試件的抗壓強(qiáng)度

4 結(jié)論

基于水泥穩(wěn)定碎石的振動(dòng)成型，研究了不同級配、水泥劑量、養(yǎng)生時(shí)間以及振動(dòng)時(shí)間等因素對抗壓強(qiáng)度的影響，細(xì)級配(F)水泥穩(wěn)定碎石的7 d抗壓強(qiáng)度略高于粗級配，同時(shí)經(jīng)過垂直振動(dòng)后其抗壓強(qiáng)度均超過5 MPa，但是在差異不太顯著的情況下，細(xì)級配水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能有待進(jìn)一步研究。

隨著水泥劑量或養(yǎng)生時(shí)間的增加，經(jīng)過垂直振動(dòng)成型的水泥穩(wěn)定碎石試件的抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增大；在同樣的水泥劑量或養(yǎng)生齡期條件下，振動(dòng)時(shí)間的延長促使試件壓實(shí)度更高而使得試件具有更大的抗壓強(qiáng)度。

通過對實(shí)際工程鉆芯取樣和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜壓成型試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試、對比分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)成型試件的抗壓強(qiáng)度更接近于實(shí)際工程，而靜壓成型試件的抗壓強(qiáng)度顯著低于實(shí)際工程，說明在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過研究與控制振動(dòng)時(shí)間，可提出更加符合現(xiàn)場施工的水泥穩(wěn)定碎石配比設(shè)計(jì)，從而更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。