振動壓實水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)特性及影響因素分析

王富玉，張 勇，高連天，陳 昭，蔣應(yīng)軍

(1.吉林大學(xué) 交通學(xué)院 長春市 130012； 2.吉林省高速公路集團(tuán)有限公司 長春市 130033；3.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室 西安市 710064)

水泥穩(wěn)定碎石基層以較高的強(qiáng)度和承載力，目前在我國道路工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用，而抗壓強(qiáng)度是其重要的評價指標(biāo)，也是施工質(zhì)量的重要控制依據(jù)。以往學(xué)者對水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的研究多基于靜壓法和重型擊實法展開，隨著筑路機(jī)械的更新?lián)Q代，原有的成型方法已落后于生產(chǎn)實際，成型后的試件與現(xiàn)場不具有很好的相關(guān)性，其結(jié)果難以有效指導(dǎo)施工。研究表明，振動法(VVTM)成型水泥穩(wěn)定碎石試件與現(xiàn)場芯樣力學(xué)強(qiáng)度相關(guān)性高達(dá)90%，而靜壓法不足50%。鑒于此，基于VVTM開展養(yǎng)生齡期、水泥劑量、級配、壓實度和成型方式等水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度的影響因素研究，有助于揭示其組成結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度之間的內(nèi)在規(guī)律，從而更好指導(dǎo)水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計與施工。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

水泥：采用冀東牌P.O42.5緩凝水泥，技術(shù)指標(biāo)略。

集料：采用安山巖，分為石屑、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～37.5mm四種粒徑級，技術(shù)指標(biāo)略。

1.2 配合比

分別采用懸浮密實級配(XM)和骨架密實級配(GM)，見表1。水泥劑量分別采用3.0%、3.5%和4.0%。

表1 礦料級配

1.3 試驗方法

(1)試件成型方法

室內(nèi)成型水泥穩(wěn)定碎石試件采用《公路水泥穩(wěn)定碎石抗裂設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(DB 41/T 864—2013)附錄B和C規(guī)定的垂直振動擊實試驗方法(VVTE)確定試樣的最大干密度、最佳含水率以及試件垂直振動成型方法(VPSM)成型試件。

VVTE所采用的垂直振動擊實儀工作參數(shù)為：工作頻率為30Hz±1Hz；名義振幅為1.3mm±0.05mm；工作重量為3.0kN±0.02kN；上車系統(tǒng)重量為1.2kN±0.01kN；下車系統(tǒng)重量為1.8 kN±0.01kN。確定水泥穩(wěn)定碎石最佳含水率與最大干密度時采用VVTE振動擊實100s，成型水泥穩(wěn)定碎石圓柱體試件采用VVTE振動擊實90s。

為說明振動試驗方法更能滿足實際工程要求，采用振動法(VPSM)和靜壓法(SPSM)成型試件，并對其抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度進(jìn)行對比。

(2)力學(xué)特性試驗方法

力學(xué)特性試驗主要測試試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，按照現(xiàn)行規(guī)范T0805進(jìn)行。

2 各因素對水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

2.1 養(yǎng)生齡期

(1)抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果及增長規(guī)律

不同水泥劑量、不同成型方式下的水泥穩(wěn)定碎石試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生至不同齡期后測試得到 95%保證率的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及增長曲線見表2及圖1、圖2。表中Ps表示水泥劑量。

表2 水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表1和圖1、圖2可知，不同級配類型、不同水泥劑量的水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在14d齡期前增長最快，28d齡期后增長緩慢，齡期超過90d后，強(qiáng)度增長趨于平緩，并逐漸趨近于一條水平線，該水平線所對應(yīng)的縱截距即為無側(cè)限極限抗壓強(qiáng)度Rc∞。

通過數(shù)學(xué)回歸方法得到振動成型不同級配、不同水泥劑量下水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度增長方程，如式(1)，其中模型參數(shù)ξC見表3。由該方程可預(yù)估不同齡期水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

表3 水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長方程參數(shù)

(1)

式中：T—養(yǎng)生齡期(d)；

Rc0—養(yǎng)生0d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)；

Rc∞—極限抗壓強(qiáng)度(MPa)；

R—養(yǎng)生Td的強(qiáng)度(MPa)；

ξC—回歸系數(shù)。

(2)不同齡期抗壓強(qiáng)度與極限抗壓強(qiáng)度比根據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果，計算不同齡期的抗壓強(qiáng)度與極限抗壓強(qiáng)度之比，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，對比不同齡期強(qiáng)度與極限強(qiáng)度可知，水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度形成在前期增長較快，并且在60d齡期后，增長趨勢開始趨于平緩，其中60d齡期形成強(qiáng)度為極限強(qiáng)度的87%左右，90d齡期形成的強(qiáng)度為極限強(qiáng)度的93%左右。因此，在具體施工建設(shè)過程中，應(yīng)盡可能減少基層在強(qiáng)度快速形成齡期范圍內(nèi)外界環(huán)境影響以及外力荷載等造成的擾動。

2.2 水泥劑量

根據(jù)試驗結(jié)果繪制抗壓強(qiáng)度與水泥劑量關(guān)系圖，見圖4和圖5。

由圖4和圖5可知，隨水泥劑量增大，水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度逐漸增大。在水泥穩(wěn)定碎石中，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生出具有膠結(jié)能力的水化產(chǎn)物，在級配碎石空隙中相互交織搭接，將碎石顆粒包裹連接，使得級配碎石逐漸喪失原有塑性等性質(zhì)，形成整體強(qiáng)度，這也是水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的主要來源。

2.3 級配類型

計算GM級配和XM級配在相同水泥劑量與齡期條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比rc，結(jié)果見表4。

表4 級配類型對水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度的影響

由表4可知，GM級配和XM級配的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比rc在1.02～1.41的范圍，采用GM級配可提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，前期(28d)提升較為明顯，后期強(qiáng)度提升幅度不大。

2.4 壓實度

按96%、98%與100%的壓實度振動成型水泥穩(wěn)定碎石試件，采用GM和XM兩種級配，水泥劑量為4%，測試不同壓實度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，不同級配、不同水泥劑量下，當(dāng)壓實度由96%提高至98%時，試件抗壓強(qiáng)度提高16%～27%，即每提高1%壓實度，抗壓強(qiáng)度平均可提高11%左右；當(dāng)壓實度由98%提高至100%時，試件抗壓強(qiáng)度提高15%～24%。由此可知，提高壓實度，可提高水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度效果。

2.5成型方式

振動法與靜壓法成型水泥穩(wěn)定碎石試件Rc(v)與Rc(s)之比rc見表5，抗壓強(qiáng)度偏差系數(shù)Cv見表6。

表5 兩種方式成型試件抗壓強(qiáng)度之比rc

由表5可知，在95%保證率下，振動成型的水泥穩(wěn)定碎石試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為靜壓成型試件強(qiáng)度的1.63～2.47倍。并且在齡期28d之前，rc隨齡期增大而急劇增大；齡期在28d后，隨齡期增加，rc變化幅度較小。

由表6可知，靜壓法成型試件的強(qiáng)度偏差系數(shù)明顯較振動法大，表明不同成型方法對試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較大。靜壓成型試件對粗集料破碎、細(xì)集料填充存在較大隨機(jī)性，表現(xiàn)出偏差系數(shù)較大，而振動成型試件比較穩(wěn)定。

表6 兩種成型方式水泥穩(wěn)定碎石試件抗壓強(qiáng)度偏差系數(shù)Cv(%)

此外，在密實度相同情況下，由于壓實機(jī)理不同，靜壓法成型試件內(nèi)部細(xì)集料填充不均勻、且粗集料有一定程度破碎。振動壓實試件內(nèi)部細(xì)集料填充相對均勻、粗集料破碎較少。不同成型方式水泥穩(wěn)定碎石初始強(qiáng)度正好說明了這一點。

3 現(xiàn)場芯樣與室內(nèi)成型試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比較

由表7可知，現(xiàn)場芯樣與振動法成型試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較高，說明振動成型法比靜壓成型法能更好地模擬現(xiàn)場實際施工效果，能更準(zhǔn)確地預(yù)測水泥穩(wěn)定碎石的長期力學(xué)性能。

表7 現(xiàn)場芯樣、振動法、靜壓法成型試件7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比

4 結(jié)論

基于振動法和靜壓法研究級配類型、水泥劑量、養(yǎng)生齡期和壓實度對水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(2)研究了級配類型、水泥劑量、壓實度和成型方式對水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，結(jié)果表明：與懸浮密實水泥穩(wěn)定碎石相比，骨架密實水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均提高15%；隨水泥劑量增大，水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性遞增；壓實度每提高1%，水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均可提升11%；振動法成型試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較靜壓法成型試件的抗壓強(qiáng)度平均可提升2倍。

(3)分析了現(xiàn)場芯樣與室內(nèi)成型試件的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明：現(xiàn)場芯樣與振動法成型試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相關(guān)性高，振動成型法比靜壓成型法能更好地模擬現(xiàn)場實際施工效果。