振動(dòng)擊實(shí)方法在水泥穩(wěn)定級配碎石施工控制中的應(yīng)用

陳曉明 CHEN Xiao-ming；謝帥 XIE Shuai；張永剛 ZHANG Yong-gang；蘇天熠 SU Tian-yi；王顯赫 WANG Xian-he

（①中信建設(shè)有限責(zé)任公司，北京 100027；②中路交建（北京）工程材料技術(shù)有限公司，北京 100088）

0 引言

云南省公路工程項(xiàng)目瀝青路面基層多采用水泥穩(wěn)定級配碎石。由于云南省石灰?guī)r分布廣泛，水泥穩(wěn)定級配碎石的筑路材料來源廣泛，且水泥價(jià)格近年來一直處于較為合理水平，因此云南省水泥穩(wěn)定級配碎石的實(shí)際施工和應(yīng)用效果都較以往取得了較大的進(jìn)步。振動(dòng)擊實(shí)方法相較于重型擊實(shí)方法，因其能更好反映碎石級配對骨架結(jié)構(gòu)的影響，并且不會(huì)產(chǎn)生重型擊實(shí)而導(dǎo)致集料壓碎，級配發(fā)生改變的情況，因此其配合比設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠更真實(shí)反應(yīng)振動(dòng)壓實(shí)下級配碎石材料的成型工藝。因此振動(dòng)擊實(shí)方法在實(shí)際工程項(xiàng)目上越來越被工程技術(shù)人員接受，也為保證工程質(zhì)量起到了積極作用[1]。然而在實(shí)際使用過程中，由于振動(dòng)擊實(shí)所采用的振動(dòng)頻率與壓路機(jī)實(shí)際的振動(dòng)壓實(shí)頻率存在一定的差異，因此振動(dòng)擊實(shí)方法確定的配合比需要根據(jù)實(shí)際施工的情況進(jìn)行一定的調(diào)整，才能應(yīng)用于實(shí)際工程技術(shù)指導(dǎo)。本文按照行業(yè)規(guī)范《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）推薦的級配，進(jìn)行混合料的配合比設(shè)計(jì)，并結(jié)合振動(dòng)與擊實(shí)成型兩種試驗(yàn)方法的對比以及所確定的最大干密度和最佳含水量在實(shí)際工程項(xiàng)目水泥穩(wěn)定級配碎石拌和與壓實(shí)當(dāng)中應(yīng)用效果，明確了振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)方法的有效性。振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)方法進(jìn)行的配合比設(shè)計(jì)可降低水泥劑量，并提出了使用振動(dòng)擊實(shí)方法進(jìn)行水泥穩(wěn)定級配碎石施工質(zhì)量控制的若干建議。

1 原材料

本項(xiàng)目使用昆明水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥，水泥的技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。集料為云南地產(chǎn)石灰?guī)r集料。集料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)交通運(yùn)輸部頒布的《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）[2]，目前對水泥穩(wěn)定級配碎石的材料設(shè)計(jì)不過分強(qiáng)調(diào)要形成“骨架密實(shí)”結(jié)構(gòu)。水泥穩(wěn)定級配碎石材料的強(qiáng)度本身主要來自于碎石本身的嵌擠作用、材料自身的密實(shí)性和水泥的膠結(jié)作用。其材料強(qiáng)度形成機(jī)理和瀝青混合料有著較大的差異，通過研究發(fā)現(xiàn)，4.75mm 通過率在35%～40%之間時(shí)，材料的最大干密度達(dá)到最大，最佳含水率最小，且7d 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大。因此控制混合料當(dāng)中的粗集料（4.75mm 以上的碎石含量）在55%～65%之間時(shí)，混合料具有最佳的力學(xué)性能。因此本文研究分別選擇規(guī)范當(dāng)中的C-B-1 型與C-B-2 型兩種級配來控制合成級配，合成級配情況如表3 所示。

表3 級配要求與合成級配情況

從表3 中可以看出，合成級配呈S 型曲線，16mm 以上部分靠近級配的下限，即骨架偏粗，而0.3～0.075mm 接近了控制級配要求的上限，細(xì)集料能具有較好的填充效果，因此有效保證了結(jié)構(gòu)的填充效果，盡量發(fā)揮材料的自身強(qiáng)度。

2 擊實(shí)方法與試驗(yàn)結(jié)果

對于同一種材料分別采用振動(dòng)擊實(shí)與重型擊實(shí)兩種方法來確定水泥穩(wěn)定級配碎石的最大干密度與最佳含水量。其中，重型擊實(shí)方法做為標(biāo)準(zhǔn)參照，以保證振動(dòng)擊實(shí)方法的壓實(shí)功與重型擊實(shí)方法的基本一致，確認(rèn)其確定最大干密度值可以作為施工控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 重型擊實(shí)

使用JTG E51-2009 試驗(yàn)方法[3]，按照選定級配，根據(jù)既有的工程經(jīng)驗(yàn)，使用4.0%和5.0%兩個(gè)水泥劑量，選擇4.5%、5.5%、6.5%、7.5%、8.5%五個(gè)拌和用水量，進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，分別確定最佳含水量與最大干密度，試驗(yàn)結(jié)果見表4 所示。

表4 重型擊實(shí)方法試驗(yàn)結(jié)果

2.2 振動(dòng)擊實(shí)

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）中T0842-2009 試驗(yàn)方法。使用振動(dòng)壓實(shí)機(jī)，并調(diào)節(jié)振動(dòng)壓實(shí)機(jī)上下車的配重塊數(shù)、偏心塊和變頻器的頻率。使壓頭下的壓力達(dá)到0.1MPa，激振力約為6800N，振動(dòng)頻率調(diào)整為28～30Hz，以保證振動(dòng)壓實(shí)與重型擊實(shí)方法的壓實(shí)功基本一致[4]。

根據(jù)參考文獻(xiàn)和工程經(jīng)驗(yàn)[5]，振動(dòng)成型條件下，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的最佳含水量一般相比較于重型擊實(shí)方法要降低0.5%～1.0%之間，因此選擇選擇3.5%、4.5%、5.5%、6.5%、7.5%五個(gè)拌和用水量，水泥劑量選擇4.0%和4.5%兩種，進(jìn)行振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)。振動(dòng)擊實(shí)方法試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 振動(dòng)擊實(shí)方法試驗(yàn)結(jié)果

從表4 和表5 的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果的確定的最佳含水量和最大干密度可以看出，兩種不同的級配，粗集料含量分別為60%和65%，C-B-1 型粗集料含量較多其干密度較大，振動(dòng)成型確定的最大干密度要顯著大于重型擊實(shí)方法確定的最大干密度，而最佳含水量降低。分析原因是，振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)方法是采用表面振動(dòng)器，在材料（試件）的表面按照設(shè)定的激振頻率進(jìn)行壓實(shí)。實(shí)際上在這一過程中，更好模擬了水泥穩(wěn)定級配碎石材料在振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)作用下，不同級配的材料不斷壓實(shí)擠密的過程；而重型擊實(shí)試驗(yàn)方法是使用重型擊實(shí)錘，通過設(shè)定一定的落差，使用重型擊實(shí)錘的勢能來對材料進(jìn)行擊實(shí)，這一過程中，每一次擊實(shí)都是材料在一定面積的混合料表面進(jìn)行擊實(shí)，并不是整體的擊實(shí)，因此需要更多的水份潤滑作用，所以重型擊實(shí)確定的最大含水量要較振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)方法確定的含水量要大。而由于重型擊實(shí)過程中會(huì)有較多的集料在擊實(shí)過程中被擊碎，所以很容易造成級配的改變，而改變原先設(shè)計(jì)的填充體系，所以干密度往往要較振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)方法偏小。

2.3 強(qiáng)度試驗(yàn)

分別采用振動(dòng)與靜壓擊實(shí)方法確定的參數(shù)成型無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試件，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室進(jìn)行養(yǎng)生，溫度控制在20℃±2℃，并保持相對濕度在95%以上。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)護(hù)6d，然后浸水24 小時(shí)，并測試強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示，振動(dòng)成型方法成型的試件7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件的強(qiáng)度要明顯高于靜壓成型方法，且4.0%和5.0%兩種水泥劑量條件均能滿足7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度4.5MPa 的要求；而使用靜壓成型方法，水泥劑量要在5.0%時(shí)才能勉強(qiáng)達(dá)到4.5MPa。觀察發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)擊實(shí)成型的時(shí)間更密實(shí)，試件的頂面和側(cè)面沒有未壓實(shí)的缺陷，因此在強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，試件更不容易在某些缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此試件的強(qiáng)度要提高很多。從兩種不同級配的振動(dòng)成型強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可以看出：振動(dòng)擊實(shí)成型，使用骨架結(jié)構(gòu)更明顯的C-B-1 型級配，強(qiáng)度提高更明顯，強(qiáng)度提高在30%～50%；而使用C-B-2 型級配，強(qiáng)度提高也達(dá)到20%以上。根據(jù)以上結(jié)果若按照靜壓成型方法，所確定的水泥劑量應(yīng)為5.0%，對比振動(dòng)與靜壓成型方法的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮施工的變異性，項(xiàng)目最終決定使用C-B-1 型級配，4.5%的水泥劑量作為施工控制劑量，以應(yīng)對施工過程中可能存在的原材料變異性、施工過程中離析，以及拌和不均勻等因素。這里特別需要說明，由于C-B-1 型的級配要較C-B-2 型略粗，其振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)所獲得的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與C-B-2 相比較，振動(dòng)擊實(shí)方法確定的強(qiáng)度更高，且與靜壓成型方法的差距更大。因此對于骨架型級配，更適合使用振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)方法來進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

3 現(xiàn)場施工控制

本研究中，根據(jù)工程項(xiàng)目要求，確定使用4.5%的水泥劑量。根據(jù)振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，拌和目標(biāo)用水量為5.5%，最大干密度為2.350g/cm3，并鋪筑200m 長的試驗(yàn)段，以確定適合的壓實(shí)工藝標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合項(xiàng)目公司多年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，最終確定的壓實(shí)工藝為：使用22t 雙驅(qū)振動(dòng)壓路機(jī)緊跟攤鋪機(jī)靜壓2 遍，再用18t 壓路機(jī)振動(dòng)碾壓4 遍，最后使用26 膠輪壓路機(jī)靜壓1～2 遍收光?，F(xiàn)場使用灌砂法選取50個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行測試，并按照《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1-2017）來確定選定路段的壓實(shí)度代表值。

式中：

tα——t 分布表中隨測點(diǎn)數(shù)和保證率（或置信度α）而變的系數(shù)；采用的保證率為：高速公路、一級公路：基層底基層為99%，樣本數(shù)為24 時(shí)，可查表為0.510；

S——檢測值的標(biāo)準(zhǔn)差，確定為0.193；

n——檢測的點(diǎn)數(shù)；

K0——壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)值，基層為98%。

根據(jù)式（1）確定壓實(shí)度代表值為98.5%，大于壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)值，且單點(diǎn)的壓實(shí)度全部大于或等于規(guī)定值減2 個(gè)百分點(diǎn)，壓實(shí)度檢測合格率為100%?，F(xiàn)場取芯10 處，均可取出完整的試件芯樣，平均無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為6.8MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。以上結(jié)果證明了采用振動(dòng)壓實(shí)成型結(jié)果可有效用于現(xiàn)場的壓實(shí)控制。結(jié)合筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于采用振動(dòng)壓實(shí)方法所確定的含水量較小，且其值是在室內(nèi)試驗(yàn)確定的。現(xiàn)場施工過程中，一般從拌和到混合料運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，再進(jìn)行攤鋪和碾壓，很難在1 個(gè)小時(shí)內(nèi)完成施工。這期間，受水分蒸發(fā)、水泥水化等因素影響，如果完全按照室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果來配制半剛性基層材料，很容易出現(xiàn)現(xiàn)場干硬，不容易壓實(shí)的情況。因此，結(jié)合云南省土地資源稀缺，施工便道運(yùn)輸困難等現(xiàn)狀，特別是干熱河谷地區(qū)和在每年的旱季，由于氣溫高、環(huán)境濕度小，水分蒸發(fā)和水泥的水化都會(huì)加快。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，在一般天氣情況下，根據(jù)在室內(nèi)試驗(yàn)確定最佳含水量基礎(chǔ)上，施工方應(yīng)結(jié)合運(yùn)輸時(shí)間、天氣情況（氣溫、濕度、太陽輻射和風(fēng)速）等情況合理增加用水量，一般需增加拌和用水0.5%～1%，保證施工過程中集料表面有足夠的潤滑水，更好保證壓實(shí)和施工效果。

4 結(jié)論

通過在云南省某高速公路項(xiàng)目上應(yīng)用振動(dòng)擊實(shí)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)與現(xiàn)場施工控制，并開展振動(dòng)與擊實(shí)成型兩種方法的對比，本研究主要取得了如下結(jié)論：

①振動(dòng)擊實(shí)方法確定的配合比可有效進(jìn)行現(xiàn)場施工質(zhì)量控制，結(jié)合項(xiàng)目公司的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，振動(dòng)擊實(shí)確定的最大干密度現(xiàn)場壓實(shí)控制取得了很好效果。

②對比規(guī)范推薦的C-B-1 和C-B-2 型兩種級配，CB-1 型級配通過振動(dòng)擊實(shí)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)能夠更好反應(yīng)其粗骨料比較多，使用振動(dòng)成型方法能夠更好反映骨架結(jié)構(gòu)對材料強(qiáng)度影響，因此振動(dòng)成型方法能更好與現(xiàn)場振動(dòng)壓實(shí)后水泥穩(wěn)定基層的強(qiáng)度吻合，對于粗骨料較多的混合料，更適宜采用振動(dòng)擊實(shí)方法作為配合比的首選試驗(yàn)手段。

③云南省公路建設(shè)項(xiàng)目拌和站選址困難、施工運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，運(yùn)輸不便，導(dǎo)致現(xiàn)場拌和、運(yùn)輸和攤鋪過程中時(shí)間延誤較多，因此拌和站配制水穩(wěn)拌和料要充分結(jié)合運(yùn)輸距離和天氣情況，在振動(dòng)擊實(shí)確定的最佳含量水的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加拌和用水0.5%～1.0%，以確保攤鋪和壓實(shí)過程中，水穩(wěn)材料具有良好的工作性，易于壓實(shí)。

④通過本文的研究進(jìn)一步證明了振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)方法的有效性，其試驗(yàn)結(jié)果與當(dāng)前施工機(jī)械水平的發(fā)展更匹配，更有利于現(xiàn)場施工控制，對提高工程質(zhì)量和水泥穩(wěn)定級配碎石的耐久性具有重要的指導(dǎo)作用，推薦在使用振動(dòng)壓實(shí)的項(xiàng)目上使用振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)來確定集料的級配、水泥劑量、最大干密度和最佳含量等指標(biāo)。