垂直振動試驗方法在水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計與施工中的應(yīng)用

江 波

(吉林省建設(shè)集團有限公司 長春市 130025)

0 引言

目前，工程上普遍采用重型擊實法確定水泥穩(wěn)定碎石最大干密度與最佳含水率，靜壓法成型試件測試其強度, 進行水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計, 并指導(dǎo)現(xiàn)場施工。但隨著壓實機械噸位及性能的不斷提升，使得80年代提出的室內(nèi)擊實法及靜壓成型法嚴重落后于當前生產(chǎn)實際水平,無法真實地反映現(xiàn)場實際振碾成型的基層,室內(nèi)試驗結(jié)果與基層實際應(yīng)用效果相差較大, 如施工含水率大、壓實度超百現(xiàn)象普遍、現(xiàn)場芯樣強度遠大于室內(nèi)試件強度等, 進而無法有效地預(yù)測與控制現(xiàn)場施工質(zhì)量, 影響了水泥穩(wěn)定碎石基層使用品質(zhì)。在這種背景下，我們積極配合吉林省重點工程科技項目《瀝青路面材料VVTM方法設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用》，對垂直振動試驗方法在工程中的應(yīng)用進行了研究[1-3]。

1 工程簡介

榆樹至松原段高速公路為鐵力至科右中旗高速公路(簡稱鐵科高速)吉林境東段，是《國家公路網(wǎng)規(guī)劃(2013～2030年)》中綏芬河至滿洲里高速公路(G10)的聯(lián)絡(luò)線(G1015)，也是《吉林省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》(2014～2030)“五主、一并、一環(huán)、七聯(lián)絡(luò)”中的聯(lián)三線，在國家和區(qū)域路網(wǎng)中居重要地位。高速公路主線采用設(shè)計速度120km/h四車道高速公路標準，路基寬度 27.0m，全封閉立交。試驗路段長4.58km，基層采用水泥穩(wěn)定碎石，配合比為水泥∶碎石=6∶94(質(zhì)量比)，級配為規(guī)范推薦的C-B-1，見表1。

2 級配與試驗

2.1 原材料

水泥為冀東牌P.O42.5水泥，集料為吉林長春產(chǎn)安山巖。技術(shù)指標略，均符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，為試驗路段工程用材料。

2.2 混合料級配

采用項目組優(yōu)化的強嵌擠骨架密實級配(GM)，見表1。

表1 水泥穩(wěn)定碎石強嵌擠骨架密實級配范圍

2.2.1強嵌擠骨架密實級配設(shè)計原則

根據(jù)抗裂原理，強嵌擠骨架密實級配設(shè)計[1,4]原則如下：

(1)粗集料形成骨架，較強的骨架結(jié)構(gòu)有利于改善水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強度、抗干縮或溫縮裂縫能力。

(2)細集料數(shù)量充足，能夠?qū)Υ旨闲纬傻墓羌芸障妒┮跃o密填充，這有利于提高結(jié)構(gòu)的耐久性，也是充分發(fā)揮優(yōu)良路用性能的必要條件。

(3)確定骨架密實型級配，必須考慮易于鋪筑和壓實，而且比較經(jīng)濟。

2.2.2強嵌擠骨架密實級配設(shè)計方法

(1)粗集料級配：采用逐級填充方法。

(2)細集料級配：采用同濟大學(xué)林繡賢教授提出的i法。

把水泥、細集料和水組成的混合料稱為水泥砂漿。固定水泥摻量，通過變化i值，考察砂漿的7d無側(cè)限飽水抗壓強度或CBR和收縮性能等，最終確定i值，即細集料的級配。

(3)粗細集料比例：在水泥穩(wěn)定碎石中，以粗集料形成骨架嵌擠，使其空隙率最小，以水泥砂漿填充骨料的空隙，形成密實結(jié)構(gòu)，使整體混合料獲得最大的密實度。因此，在固定水泥劑量前提下，可變化粗、細集料比例進行混合料強度試驗，根據(jù)強度最大原則確定水泥穩(wěn)定碎石的級配。

2.3 試驗準備

2.3.1試驗儀器

使用項目組自主研發(fā)的垂直振動擊實儀(VVTE)進行級配優(yōu)化與混合料配合比設(shè)計。

VVTE的構(gòu)造及工作原理：垂直振動擊實儀(VVTE)的構(gòu)造及工作原理見圖1所示，其中激振器是振動系統(tǒng)中的核心部件，由對稱于垂直平面的兩個具有轉(zhuǎn)速相等、方向相反的偏心塊構(gòu)成。當電機工作時，振動軸帶動兩偏心塊高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力。兩偏心塊產(chǎn)生的離心力水平分量相互抵消、垂直分量相互疊加，形成垂直方向的正弦激振力，使VVTE在理論上產(chǎn)生垂直振動，并減少橫向力的剪切作用，確保VVTE的穩(wěn)定性。

1-升降系統(tǒng)；2-機架；3-上車系統(tǒng)；4-偏心塊；5-轉(zhuǎn)動軸；6-下車系統(tǒng)；7-振動錘；8-試模；9-控制系統(tǒng)；10-轉(zhuǎn)動軸；11-電機圖1 垂直振動擊實儀(VVTE)的構(gòu)造及工作原理

2.3.2VVTM振動參數(shù)及與規(guī)范方法區(qū)別

(1)振動參數(shù)優(yōu)化原則

①振動參數(shù)取值范圍應(yīng)盡量接近于現(xiàn)場振動壓路機技術(shù)參數(shù)工作范圍。

②振動參數(shù)配置力求在最短時間內(nèi)達到最大密實度為原則, 實現(xiàn)試驗操作的簡便快速。

③振動參數(shù)配置必須確保在振動作用下對級配影響規(guī)律盡量與現(xiàn)場實際碾壓吻合。

④振動參數(shù)配置還應(yīng)考慮機械零部件具有較高的使用壽命。

(2)振動參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)上述振動參數(shù)優(yōu)化原則，試驗研究工作頻率、激振力、名義振幅及上下車系統(tǒng)質(zhì)量對混合料密度及級配衰減的關(guān)系，確定了VVTE的振動參數(shù)見表2，并將其與規(guī)范上推薦的振動參數(shù)進行了對比[5]。

表2 VVTM方法與規(guī)范振動方法比較

2.3.3試驗方法

為盡量模擬施工情況，VVTM試驗過程中采用一層裝料方式；最大干密度的確定及試件的成型是以當前現(xiàn)有施工機械水平和施工工藝下所能達到的最大壓實水平作為參考，確定振動時間；試驗完成后試件可以立即脫模、進行養(yǎng)生。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 最大干密度和最佳含水率

采用重型擊實法與VVTM法確定水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度ρdmax和最佳含水率w0，結(jié)果見表3。

表3 水泥穩(wěn)定碎石最大干密度與最佳含水率

表3中結(jié)果顯示，VVTM法確定的最大干密度為重型擊實試驗法確定的最大干密度的1.03倍，即以VVTM試件的最大干密度作為壓實標準，則水泥穩(wěn)定碎石的壓實標準提高了3%，稱之為重交通壓實標準。

3.2 力學(xué)強度

以98%壓實度分別靜壓成型和振動成型試件進行水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的測定[6]，結(jié)果見表4。表中Rc(J)0.95、Ri(J)0.95和Ec(J)0.95分別指靜壓試件的7d無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度和90d抗壓回彈模量代表值，Rc(V)0.95、Ri(V)0.95和Ec(V)0.95分別指室內(nèi)VVTM試件7d無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度和90d抗壓回彈模量代表值。

表4 水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強度

表4中結(jié)果顯示，相較于靜壓試件，VVTM試件的7d無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度和90d抗壓回彈模量代表值最少提升65%。力學(xué)強度的提升，在于振動成型方法不僅提高了試件的密實度，同時影響了混合料中集料的排列組成形式。此外，由于強嵌擠骨架密實級配與VVTM法的應(yīng)用、力學(xué)強度的提升，可以降低水泥穩(wěn)定碎石中水泥劑量，最終減少水泥穩(wěn)定碎石基層收縮開裂。

4 施工工藝

施工過程遵守“公路路面基層施工技術(shù)細則”JTG/T F20-2015，并在下述方面進行了改進。

4.1 拌和

混合料拌和可采用普通攪拌設(shè)備，除滿足規(guī)范外，要求拌缸有效攪拌長度≥2.5m。

4.2 攤鋪

4.2.1攤鋪前

攤鋪機應(yīng)具有良好的抗離析能力，施工前按以下要求進行調(diào)整：

(1)螺旋分料器安裝在低位或中位，不應(yīng)安裝在高位。

(2)螺旋分料器與前擋板和熨平板之間間隙應(yīng)不大于250mm。

(3)應(yīng)采取如增設(shè)橡膠擋板或鋼板等措施以降低前擋板離地高度，離地高度宜小于50mm，見圖2。

(4)前擋板兩端安裝橡膠擋板等，以防止兩端混合料自由滾落。

圖2 設(shè)與不設(shè)前擋板對離析的影響

4.2.2攤鋪中

攤鋪時符合以下要求：

(1)攤鋪時應(yīng)勻速、不停歇，攤鋪速度宜控制在1.5～2.0m/min。

(2)螺旋分料器應(yīng)勻速、不間歇地旋轉(zhuǎn)送料，且全部埋入混合料中。

(3)螺旋分料器轉(zhuǎn)速應(yīng)與攤鋪速度相適應(yīng)，保證兩邊緣料位充足。

(4)攤鋪過程中，應(yīng)開啟熨平板、夯錘的振動功能，并將參數(shù)設(shè)為額定最大值的70%～80%。

4.2.3攤鋪后

攤鋪后、碾壓前，做好下列兩項工作：

(1)設(shè)專人立即對所攤鋪表面進行檢查。局部粗集料集中部位，應(yīng)在碾壓前撒鋪過4.75mm篩的濕混合料，并人工適當拌和。

(2)碾壓前，宜沿型鋼模板側(cè)面將水泥漿灌入基層邊緣混合料中，保證(底)基層邊緣強度。

4.3 碾壓

(1)碾壓時應(yīng)配備12t以上雙鋼輪壓路機1臺，30t以上膠輪壓路機不少于1臺，20t以上單鋼輪振動壓路機不少于2臺。同時，應(yīng)配備適量的小型振動壓路機。

(2)直線段碾壓時，壓路機應(yīng)從外側(cè)向路中心碾壓，平曲線有超高路段，由低側(cè)向高側(cè)、自內(nèi)向外碾壓。

(3)碾壓工藝

①初壓：初壓緊跟攤鋪機后，采用膠輪壓路機穩(wěn)壓2遍，前后2遍輪跡不重疊，碾壓速度1.5～1.7km/h。

②復(fù)壓：采用20t以上的振動壓路機，頻率取30～45Hz，先弱振1 遍、再強振不少于4遍、最后再弱振1遍，碾壓重疊1/2輪寬，碾壓速度為1.8～2.2km/h。

③終壓：采用雙鋼輪壓路機碾壓消除輪跡、膠輪壓路機碾壓消除微裂紋，碾壓速度1.5～1.7km/h。

(4)碾壓作業(yè)結(jié)束前，如有局部曬干和風(fēng)干跡象，影響壓實時應(yīng)及時采用噴霧形式補水。

(5)碾壓應(yīng)達到規(guī)定壓實度，且基層表面無明顯輪跡和微裂紋。水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)在水泥初凝等效溫度時間內(nèi)完成碾壓工作。

5 應(yīng)用效果

5.1 現(xiàn)場壓實度與含水率

試驗路段施工完成后對現(xiàn)場壓實度、含水率進行了檢測，見表5。

表5中結(jié)果表明，以重型擊實試件密度為壓實標準，壓實度均超百；以振動擊實試件密度為壓實標準，壓實度平均為98.9%，說明現(xiàn)有的碾壓設(shè)備能夠滿足VVTM法設(shè)計的水泥穩(wěn)定碎石混合料壓實要求。

表5 現(xiàn)場壓實度與含水率檢測結(jié)果

5.2 無側(cè)限抗壓強度與劈裂強度

取7d現(xiàn)場芯樣，見圖3，測定無側(cè)限抗壓強度與劈裂強度，見表6。表中Rc(x)0.95和Ri(x)0.95分別為現(xiàn)場芯樣7d無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度。

圖3 現(xiàn)場芯樣

表6 現(xiàn)場芯樣和靜壓法、振動法成型試件7d

表6中數(shù)據(jù)顯示，芯樣的力學(xué)強度與VVTM試件接近，即VVTM法比靜壓法能更好地模擬現(xiàn)場實際施工效果，可作為重交通壓實標準。

5.3 水泥穩(wěn)定碎石基層頂面裂縫調(diào)查

對施工完成后22d的水泥穩(wěn)定碎石基層頂面裂縫情況進行了調(diào)查，并與正常路段進行了對比，結(jié)果見表7。

表7 裂縫調(diào)查統(tǒng)計表

裂縫調(diào)查顯示，與正常路段相比，VVTM水泥穩(wěn)定碎石基層頂面裂縫平均間距大，其總長度降低近90%。

6 結(jié)語

(1)基于VVTM方法確定的強嵌擠骨架密實級配水泥穩(wěn)定碎石基層平整密實、表面粗糙，利于層間的結(jié)合。

(2)VVTM方法能有效模擬現(xiàn)場工況，室內(nèi)試驗成果能夠真正地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，能客觀準確地預(yù)測材料性能。以VVTM試件的最大干密度控制現(xiàn)場壓實，可提高壓實標準，確?，F(xiàn)場施工質(zhì)量。

(3)相比重型擊實法與靜壓法，VVTM方法不僅能夠降低水泥劑量，同時能大幅度提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的強度和抗裂性能，延長路面的使用壽命，適應(yīng)新時代高等級公路建設(shè)的需求。