水泥穩(wěn)定再生碎石混合料的振動(dòng)試驗(yàn)研究

周娟，李娟燕

(江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013)

1 引言

建筑垃圾可處理加工為再生集料(RA)，實(shí)現(xiàn)RA的資源化利用是目前城市固體廢物資源化利用中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在道路工程中，可采用廠拌冷再生技術(shù)生產(chǎn)水泥穩(wěn)定再生碎石混合料(RCR)，用于基層結(jié)構(gòu)。目前，RA處理、RCR配合比設(shè)計(jì)及其路用性能評(píng)價(jià)是此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(以下簡(jiǎn)稱《細(xì)則》)建議確定水泥穩(wěn)定碎石(CSM)的最大干密度(ρmax)時(shí)采用重型擊實(shí)或振動(dòng)壓實(shí)方法，采用靜壓法成型試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。上述各方法的壓實(shí)機(jī)理存在明顯差異，造成CSM設(shè)計(jì)結(jié)果差異較大。重型擊實(shí)試驗(yàn)往往達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)功率，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)也達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)水平，現(xiàn)場(chǎng)CSM基層強(qiáng)度往往大于室內(nèi)靜壓成型試件。室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)機(jī)與振動(dòng)壓路機(jī)作業(yè)機(jī)理相似，通過(guò)對(duì)CSM表面施加激振力使礦料顆粒間摩擦阻力減小，垂直壓力作用下顆粒運(yùn)動(dòng)、相互填充，以振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)作為控制CSM設(shè)計(jì)的指標(biāo)更接近現(xiàn)場(chǎng)水平。振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)直接影響壓實(shí)效果，可分為基本參數(shù)(靜態(tài)重量、振動(dòng)頻率和靜偏心力矩)和派生參數(shù)(激振力、名義振幅、振動(dòng)加速度、靜壓力)，其中基本參數(shù)可直接調(diào)整，不受被壓材料影響，派生參數(shù)由基本參數(shù)組合而成。通過(guò)振動(dòng)參數(shù)的調(diào)整可優(yōu)化振動(dòng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)效果的一致性，但振動(dòng)作用在不同材料內(nèi)傳遞及反饋可能不同。李明杰等提出振動(dòng)頻率為30 Hz、激振力為7.6 kN、名義振幅為1.2 mm、振動(dòng)100 s時(shí)CSM的振動(dòng)效果最佳；蔣應(yīng)軍等對(duì)二灰碎石基層的振動(dòng)參數(shù)開展了研究，振動(dòng)頻率為30 Hz、名義振幅為1.2 mm、振動(dòng)120 s時(shí)混合料ρmax與現(xiàn)場(chǎng)所能達(dá)到的ρmax相等。

RCR因含高吸水性、抗壓碎強(qiáng)度較低的RA，室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)壓實(shí)效果可能與CSM有所差異。田振比較了振動(dòng)與擊實(shí)試驗(yàn)的壓實(shí)效果，驗(yàn)證了振動(dòng)壓實(shí)較重型擊實(shí)試驗(yàn)更適用于RCR；蔣應(yīng)軍等基于振動(dòng)壓實(shí)法設(shè)計(jì)了RCR；馬融等發(fā)現(xiàn)振動(dòng)壓實(shí)RCR的抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度分別較靜壓試件提高50%、30%以上。綜上，振動(dòng)參數(shù)受被振動(dòng)壓實(shí)儀和被壓材料的影響，采用合理振動(dòng)參數(shù)才能使被壓材料得到目標(biāo)壓實(shí)效果，但針對(duì)RCR特性開展振動(dòng)參數(shù)的研究還較少。

該文在對(duì)RCR壓實(shí)效果影響因素分析的基礎(chǔ)上確定合理振動(dòng)參數(shù)，并進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)RCR的物理力學(xué)性能研究，對(duì)比與擊實(shí)和靜壓試驗(yàn)的差異，為RCR的設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)提供參考。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1 原材料

RA取自江西省某建筑工地，不含鋼筋等雜質(zhì)，經(jīng)反擊式破碎機(jī)破碎、試驗(yàn)室篩分處理后得到粒徑范圍為0～4.75、4.75～9.5和9.5～31.5 mm 3檔。石灰?guī)r集料取自江西省某石料廠。RA和石灰?guī)r集料的基本物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表1，試驗(yàn)依據(jù)JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。由表1可見：RA的含泥量高于石灰?guī)r集料，且粒徑越小、含泥量越高，平均約為石灰?guī)r集料的6.7倍；RA的針片狀顆粒含量與石灰?guī)r集料相差不大；RA的吸水率、壓碎值、表觀密度平均約為石灰?guī)r集料的8.0、1.4和0.8倍。可見，RA與石灰?guī)r集料物理力學(xué)性能的差異主要體現(xiàn)在吸水性、抗壓碎強(qiáng)度和潔凈程度。水泥采用P.O.32.5級(jí)。

表1 RA和石灰?guī)r集料的基本性能測(cè)試結(jié)果

2.1.2 混合料

依據(jù)《細(xì)則》中CSM設(shè)計(jì)級(jí)配范圍(表2)確定RA和石灰?guī)r集料的礦料配合比(表3)，RCR含有RA的摻量為30%、50%，分別記為RCR-30、RCR-50。各組混合料的合成礦料級(jí)配見表2。各組混合料的水泥用量固定為4.5%。

表2 設(shè)計(jì)級(jí)配范圍和礦料組合級(jí)配

2.2 振動(dòng)壓實(shí)儀和振動(dòng)參數(shù)

試驗(yàn)用垂直振動(dòng)壓實(shí)儀主要由控制平臺(tái)、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和振動(dòng)系統(tǒng)3部分組成，滿足JTT 977-2015《室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)機(jī)》的要求?？刂破脚_(tái)可調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間和上下車系統(tǒng)升降；轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由電機(jī)和分動(dòng)箱組成；振動(dòng)系統(tǒng)由激振器、上下車和振動(dòng)錘等組成。試驗(yàn)振動(dòng)參數(shù)首先應(yīng)保證混合料壓實(shí)密度和礦料級(jí)配接近現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)效果，且試驗(yàn)力求便捷，能在盡量短時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)壓實(shí)效果，同時(shí)也應(yīng)保證振動(dòng)壓實(shí)儀的使用壽命，不對(duì)試驗(yàn)儀器造成損壞。

JTG E51-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中T0842-2009提出調(diào)節(jié)上下車配重塊數(shù)(工作重量M)、偏心塊夾角α(偏心距)和變頻器頻率等基本參數(shù)優(yōu)化振動(dòng)參數(shù)，振動(dòng)頻率(f)、名義振幅(A0)和激振力(F0)3個(gè)派生參數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

F0=mdA0(2πf)2

(3)

式中：T為振動(dòng)周期(s)；n為激振器轉(zhuǎn)速(r/min)；Me為靜偏心距(mm)；md為下車質(zhì)量(kg)；f為偏心塊轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，受振動(dòng)體質(zhì)量和被壓材料剛度影響；A0為振動(dòng)錘的實(shí)際振幅，受被壓材料剛度影響，A0增大可提高振動(dòng)壓實(shí)效果，但過(guò)大會(huì)造成過(guò)壓，由式(2)可見只要偏心距確定，A0取決于md；F0由偏心塊旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力形成，由式(3)可見，F(xiàn)0取決于md、A0和f。廣義的振動(dòng)參數(shù)除了振動(dòng)儀本身的機(jī)械參數(shù)還包括振動(dòng)時(shí)間t，t越長(zhǎng)，振動(dòng)壓實(shí)能量也越高。

JTG E51-2009建議選用md/M為0.6、F0為6.8 kN(偏心夾角60°)、f為28～30 Hz的振實(shí)條件。該文振動(dòng)試驗(yàn)采用的最大t為160 s，f為20～38 Hz；并采用f為25、30或35 Hz，α為0°、60°或120°、不同上下車配重塊(M為220～302 kg)獲得9組不同F(xiàn)0(2.7～10.4 kN)和A0(0.7～1.2 mm)。

2.3 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)方案

參照J(rèn)TG E51-2009中T0842-2009進(jìn)行CSM和RCR的振動(dòng)試驗(yàn)，確定最佳含水率(wopt)和最大干密度ρmax。以wopt、98%壓實(shí)度振動(dòng)成型圓柱體試件(直徑150 mm×高150 mm)，振動(dòng)成型中梁試件存在困難，以振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果依據(jù)T0843-2009靜壓成型中梁試件(長(zhǎng)400 mm×高100 mm×寬100 mm)。分別依據(jù)T0845-2009、T0805-1994、T0806-1994、T0854-2009進(jìn)行試件養(yǎng)生、7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rc、28 d劈裂強(qiáng)度Ri和干縮試驗(yàn)。另外，分別依據(jù)T0804-1994和T0843-2009進(jìn)行CSM和RCR的重型擊實(shí)和靜壓試驗(yàn)，試件養(yǎng)生、Rc、Ri、干縮試驗(yàn)方法同上。

無(wú)論室內(nèi)還是現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)CSM均會(huì)產(chǎn)生不同程度的礦料破碎現(xiàn)象，從而影響實(shí)際礦料級(jí)配。將壓實(shí)后的混合料進(jìn)行分散、沖洗后測(cè)試各級(jí)礦料通過(guò)百分率，計(jì)算31.5、19、9.5、4.75和2.36 mm通過(guò)百分率前后差值及其總和∑m，以此分析壓實(shí)造成的級(jí)配衰變情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 振動(dòng)參數(shù)對(duì)壓實(shí)效果的影響

3.1.1 振動(dòng)時(shí)間

以預(yù)估wopt添加拌和水，f=30 Hz、α=60°、M=300 kg、tmax=160 s進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，分析混合料干密度ρ隨t的變化，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 干密度ρ與振動(dòng)時(shí)間t的關(guān)系

由圖1可知：當(dāng)t=0時(shí)3種混合料ρ存在差異，其原因與裝料、原材料密度有關(guān)，之后ρ隨t的變化均可分為兩個(gè)階段：①ρ隨t迅速增大，CSM、RCR-30和RCR-50的t轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別為20、30和40 s。振動(dòng)過(guò)程是壓實(shí)能量作用于混合料的過(guò)程，t越長(zhǎng)表明壓實(shí)所需能量越高，可見RA摻量越高，ρ達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)所需的t越長(zhǎng)、壓實(shí)能量越高，這與RA顆粒更粗糙、棱角更明顯有關(guān)，其翻轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)所需壓實(shí)能量也較高；②ρ隨t近似呈線性變化，100 s之后ρ的增長(zhǎng)幅度已很小，表明混合料骨架結(jié)構(gòu)已相對(duì)穩(wěn)定。另外，振動(dòng)60 s左右時(shí)試模底部有溢漿現(xiàn)象，混合料內(nèi)多余水分排出，100 s后溢漿現(xiàn)象已不明顯，剩余水分起到潤(rùn)滑作用，接近混合料的壓實(shí)含水率；t過(guò)短，試件下部較疏松、密實(shí)程度低，t延長(zhǎng)試件上下部密實(shí)程度逐漸接近，為保證試件壓實(shí)的均勻性應(yīng)保證足夠振動(dòng)時(shí)間，在達(dá)到同樣壓實(shí)效果情況下振動(dòng)時(shí)間越短越好。綜上可知，CSM和RCR的振動(dòng)試驗(yàn)均可采用t為100 s。

3.1.2 振動(dòng)頻率

采用t=100 s、α=60°，M=300 kg、變化f進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，分析f對(duì)混合料ρ的影響，結(jié)果見圖2。

圖2表明：3種混合料的ρ隨f的變化規(guī)律相似。f=20 Hz時(shí)ρ最小，此時(shí)振動(dòng)壓實(shí)儀的工作振幅小，振動(dòng)錘與試件表面接近；f為20～23 Hz時(shí)，ρ迅速增大，此階段工作振幅隨f增加而提高至靜重，振動(dòng)錘跳離試件表面振動(dòng)，壓實(shí)效果明顯增強(qiáng)；f為23～29 Hz時(shí)，ρ在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，這主要是由礦料顆粒翻轉(zhuǎn)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的；f為29～38 Hz時(shí)，ρ基本維持為固定值，僅有微小的變化。可見，f對(duì)CSM和RCR的振動(dòng)壓實(shí)效果沒(méi)有明顯差異，可分為上述3個(gè)階段，即第1、2階段(f≤29 Hz)分別為振動(dòng)壓實(shí)效果的迅速增大、不穩(wěn)定階段，此時(shí)壓實(shí)效果較差，且容易引起振動(dòng)壓實(shí)儀部分零部件的振動(dòng)，對(duì)壓實(shí)儀存在損壞作用；第3個(gè)階段(f>29 Hz)可認(rèn)為壓實(shí)效果相對(duì)穩(wěn)定。據(jù)此，RCR與CSM的振動(dòng)試驗(yàn)f均采用30 Hz。

圖2 干密度ρ與振動(dòng)頻率f的關(guān)系

3.1.3 名義振幅

采用振動(dòng)時(shí)間t=100 s，變化M、f和α進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，分析名義振幅A0對(duì)ρ的影響，結(jié)果見圖3。

圖3表明：A0對(duì)CSM、RCR-30和RCR-50混合料ρ的影響規(guī)律相似。A0為0.78 mm左右時(shí)，3種混合料的ρ均最小，表明壓實(shí)效果最差，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)未施加配重塊，上下車系統(tǒng)重量為空載重量約220 kg；A0小于0.78 mm或大于0.78 mm，ρ均增大，但A0大于0.78 mm時(shí)ρ變化更穩(wěn)定，尤其是A0大于1.1 mm之后。另外，振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)基層的A0為0.8～2.0 mm，A0過(guò)大可能造成試件表面出現(xiàn)過(guò)壓，還可能導(dǎo)致振動(dòng)壓實(shí)儀的上車系統(tǒng)振幅增大，影響壓實(shí)儀的工作性能，因此A0不宜過(guò)大。綜上可得，CSM和RCR振動(dòng)壓實(shí)的A0均采用1.2 mm。

3.1.4 激振力

采用振動(dòng)時(shí)間t=100 s，變化M、f和α進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，分析激振力F0對(duì)ρ的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 干密度ρ與激振力F0的關(guān)系

由圖4可見：F0對(duì)CSM、RCR-30和RCR-50混合料ρ的影響規(guī)律相似。F0≤5.3 kN時(shí)，3組混合料的ρ均隨F0快速增大，表明此時(shí)壓實(shí)效果對(duì)F0較為敏感；F0為5.3～7.5 kN時(shí)，3組混合料的ρ存在小幅波動(dòng)，表明振動(dòng)壓實(shí)效果仍處在不穩(wěn)定階段；F0≥7.5 kN之后，ρ隨F0增大變化已很小，表明振動(dòng)壓實(shí)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)?？梢?，F(xiàn)0對(duì)混合料壓實(shí)效果的影響與振動(dòng)頻率f(圖2)相似。均存在3個(gè)變化階段。為保證振動(dòng)壓實(shí)效果，應(yīng)以達(dá)到穩(wěn)定壓實(shí)階段的F0作為振動(dòng)參數(shù)。另外，過(guò)大的F0會(huì)浪費(fèi)壓實(shí)能量，并不會(huì)使混合料的壓實(shí)效果繼續(xù)增大。因此，CSM和RCR的振動(dòng)試驗(yàn)F0均采用7.5～8.0 kN。

3.1.5 工作重量

采用振動(dòng)時(shí)間t=100 s，變化M、f和α進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，分析M對(duì)ρ的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 干密度ρ與工作重量M的關(guān)系

由圖5可見：M≤250 kg時(shí)，3組混合料的ρ均隨M迅速增大，表明此階段增大M可顯著提升壓實(shí)效果。M為250～275 kg時(shí)，ρ均隨M的變化很小，表明此階段增大M對(duì)壓實(shí)效果的作用不大。M為275～300 kg時(shí)，ρ均隨M呈波動(dòng)變化，可見M增大對(duì)壓實(shí)效果的作用不定，這是因?yàn)镸是上下車系統(tǒng)重量的綜合體現(xiàn)，且M對(duì)A0、F0存在影響[見式(2)、(3)]，M增大時(shí)A0增減未定，振動(dòng)壓實(shí)能量則可能增加或減小，如圖5中M為275、291 kg時(shí)ρ出現(xiàn)突變，這是因?yàn)镕0不同。綜合來(lái)看，M為300 kg時(shí)ρ的波動(dòng)幅度已明顯減小，即壓實(shí)效果達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。綜上所得，CSM和RCR的振動(dòng)試驗(yàn)M可選為300 kg，此時(shí)上車、下車重量分別為180、120 kg。

3.2 振動(dòng)壓實(shí)、擊實(shí)和靜壓試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

3.2.1 壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

上節(jié)研究表明CSM和RCR可采用相同振動(dòng)參數(shù)，該節(jié)采用確定的振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。

振動(dòng)和重型擊實(shí)試驗(yàn)確定的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果如表4所示。

表4 振動(dòng)與重型擊實(shí)試驗(yàn)的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果對(duì)比

3.2.2 力學(xué)強(qiáng)度

振動(dòng)與靜壓成型試件的抗壓強(qiáng)度Rc和抗折強(qiáng)度Ri試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 振動(dòng)與靜壓成型的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2.3 收縮特性

3.2.4 礦料級(jí)配

振動(dòng)、擊實(shí)和靜壓試驗(yàn)前后關(guān)鍵篩孔(4.75、9.5和19 mm)通過(guò)率以及各級(jí)篩孔級(jí)配變化總和∑m見表7。

表6 振動(dòng)與擊實(shí)試驗(yàn)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)靜壓成型試件的干縮試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表7 振動(dòng)與擊實(shí)、靜壓試驗(yàn)的礦料衰變對(duì)比

由表7可見：與設(shè)計(jì)級(jí)配(表2)相比，各壓實(shí)方法的各級(jí)篩孔通過(guò)百分率均有所增大，這表明礦料發(fā)生破碎、合成礦料級(jí)配增粗。RA摻量增加，各壓實(shí)方法關(guān)鍵篩孔的通過(guò)率、∑m均呈增大趨勢(shì)，即礦料級(jí)配衰變?cè)絿?yán)重，振動(dòng)壓實(shí)RCR-50的∑m為CSM的214%，這與RA抗壓碎強(qiáng)度較低有關(guān)。對(duì)于相同混合料，振動(dòng)試驗(yàn)的∑m最小，靜壓試驗(yàn)的∑m″略大于擊實(shí)試驗(yàn)的∑m′，且∑m/∑m′、∑m/∑m″隨RA摻量增加而增大，這表明振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)礦料級(jí)配的影響小于擊實(shí)和靜壓成型，且振動(dòng)壓實(shí)方法對(duì)于降低高RA摻量的RCR礦料級(jí)配衰變有利，這是因?yàn)檎駝?dòng)壓實(shí)中激振力降低了壓實(shí)過(guò)程中RA顆粒間摩阻力及RA承受的壓力。綜上可得，試驗(yàn)振動(dòng)參數(shù)對(duì)礦料級(jí)配衰變的影響較小，驗(yàn)證了振動(dòng)參數(shù)的合理性，同時(shí)也驗(yàn)證了3.1.1節(jié)和3.1.2節(jié)推斷的正確性。

4 結(jié)論

(1)RA的吸水性、抗壓碎強(qiáng)度和潔凈程度與天然集料的差異較大，RA的含泥量、吸水率、壓碎值、表觀密度平均約為石灰?guī)r集料的6.7、8.0、1.4和0.8倍。

(2)振動(dòng)試驗(yàn)的t、f、F0增大或A0大于0.78 mm，混合料ρ整體增大，ρ隨f、F0的變化可分為迅速增大、波動(dòng)和相對(duì)穩(wěn)定3個(gè)階段，M增大時(shí)振動(dòng)壓實(shí)能量則可能增加或減小，對(duì)壓實(shí)效果的作用不確定。

(3)RA摻量越高，RCR的ρ達(dá)到振動(dòng)壓實(shí)穩(wěn)定狀態(tài)所需振動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)、壓實(shí)能量越高。f、A0、F0和M對(duì)RCR和CSM振動(dòng)壓實(shí)效果整體影響相近，可采用相同振動(dòng)參數(shù)，建議t=100 s、f=30 Hz、A0=1.2 mm、F0=7.5～8.0 kN、M=300 kg。

(4)與擊實(shí)和靜壓法相比，振動(dòng)試驗(yàn)確定的RCR的wopt、εd、∑m較低，而ρmax、Rc、Ri較大。RA摻量越高，RCR的Rc、Ri越小，εd、∑m則越大，振動(dòng)壓實(shí)RCR-50的wopt、ρmax、Rc、Ri、εd、∑m分別約為CSM的150%、87%、83%、82%、116%和214%，同時(shí)振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)于保證RCR的力學(xué)強(qiáng)度、降低干縮變形和礦料級(jí)配衰變的優(yōu)勢(shì)越明顯。該文僅對(duì)室內(nèi)振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)開展了研究，尚需結(jié)合RCR的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)壓實(shí)效果驗(yàn)證振動(dòng)參數(shù)的合理性。