基于分級振動方法的骨架密實型水泥穩(wěn)定級配碎石混合料性能研究

黃禎敏，王斯倩，彭 波

（1.江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌 330103；2.江西省高速公路養(yǎng)護工程技術(shù)研究中心；3.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

1 引言

半剛性基層瀝青路面是我國等級公路的最主要路面結(jié)構(gòu)形式，而水泥穩(wěn)定碎石材料在半剛性基層中應(yīng)用最為廣泛。隨著大噸位振動壓路機在半剛性基層材料壓實工藝中的廣泛使用，常用激振力大于35t的重型振動壓路機與25t 以上的輪胎壓路機進行組合使用[1]，基層材料的碾壓效果得到了顯著提高。傳統(tǒng)的重型擊實試驗與靜壓成型試驗已與當前水泥穩(wěn)定碎石基層材料的振動壓實工藝不相適應(yīng)[2，3]。呂文全等[4]通過振動壓實試驗，提出確定骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石壓實效果最佳時的VTM 配置條件。李海寧[5]開展了基于振動成型水泥穩(wěn)定碎石基層材料設(shè)計研究，分析了振動壓實原理以及振動壓實儀工作原理，確定了合理的振動參數(shù)，提出采用振動法確定的壓實標準具有明顯的優(yōu)勢。

對于室內(nèi)振動成型方法，國內(nèi)研究主要與傳統(tǒng)的重型擊實試驗和靜壓成型試驗方法進行對比，形式上采用不間斷的連續(xù)振動擊實方法和連續(xù)振動成型方法，與施工現(xiàn)場水泥穩(wěn)定碎石基層材料現(xiàn)場的振動碾壓工況不盡相同，即同一位置的振動碾壓存在短暫間歇期[6]。為模擬基層材料現(xiàn)場間歇振動碾壓效果，本文提出了室內(nèi)分級振動試驗方法，研究了骨架密實型水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的不同擊實特性，對比評價了不同方式成型試件的力學(xué)性能、抗沖刷性能和抗裂性能，可為水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的材料組成設(shè)計與施工質(zhì)量控制提供參考借鑒。

2 材料與級配設(shè)計

2.1 原材料試驗

2.1.1 水泥

采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，主要技術(shù)指標檢測結(jié)果見表1。

表1 P·O42.5普通硅酸鹽水泥主要技術(shù)性能

2.1.2 集料

集料物理性能及篩分級配見表2和表3。

表2 水泥穩(wěn)定碎石用集料物理性能

表3 水泥穩(wěn)定碎石用單檔集料級配

2.2 骨架密實型級配設(shè)計

根據(jù)粗集料含量和空隙率的不同，將水泥穩(wěn)定碎石分為懸浮密實結(jié)構(gòu)、一般骨架密實結(jié)構(gòu)和緊密骨架密實結(jié)構(gòu)。基于多碎石瀝青混凝土SAC級配設(shè)計方法及其選用關(guān)鍵篩孔的原則[6，7]，提出適用于骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石級配設(shè)計方法[8]，如式（1）所示，并將19mm、4.75mm和0.075mm篩孔作為骨架密實型級配設(shè)計方法的關(guān)鍵篩孔。

式中，Pdi為某篩孔尺寸di的質(zhì)量通過率，%；di為某篩孔尺寸，mm；A1、A2、B1、B2為設(shè)計參數(shù)。

黃禎敏等[8]研究了不同細集料填充系數(shù)對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能和路用性能的影響，確定骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石適用的細集料填充系數(shù)范圍為0.63～0.75，對應(yīng)的4.75mm 篩孔通過率范圍為27%～33%，本文4.75mm設(shè)計的期望通過率為區(qū)間中值?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g(shù)細則》（JTG/T F20—2015）[1]中對于高速公路，推薦采用C-B-1 和C-B-2 級配范圍進行混合料設(shè)計，目的是提高混合料抗離析性，此時0.075mm 通過率為2%～5%，適量的0.075mm 以下顆粒含量可以保證水泥穩(wěn)定碎石混合料具有良好的抗疲勞性能，但合成礦料中0.075mm通過率不宜過高，將影響混合料的收縮性能，容易開裂，綜合C-B-3設(shè)計級配范圍中0.075mm 以下顆粒含量為0～3%，設(shè)計時將0.075mm 通過率控制在2%～3%。19mm 通過率大小直接影響骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石大粒徑骨料含量，其含量不宜過小，根據(jù)工程經(jīng)驗，設(shè)計時19mm 通過率一般控制在72%。利用式（1）和表3 中的單檔集料級配，確定各檔集料的摻配比例為（0～5）mm：（5～10）mm：（10～20）mm：（20～30）mm=31：15：25：29，由此確定的試驗級配見表4。

表4 骨架密實型水泥穩(wěn)定級配碎石設(shè)計級配

3 室內(nèi)分級振動試驗方法

3.1 工作參數(shù)

振動壓實機（VTM）是依照振動壓路機的壓實原理進行設(shè)計，分為上車和下車系統(tǒng)，對于不同穩(wěn)定材料，通過調(diào)節(jié)振動壓實機上下車的配重塊數(shù)、偏心塊夾角和變頻器的頻率等參數(shù)，以確定與設(shè)計穩(wěn)定材料相匹配的工作參數(shù)。依據(jù)現(xiàn)行的無機結(jié)合料穩(wěn)定材料振動壓實試驗方法[9]，一般選用面壓力約0.1MPa，激振力約6800N，振動頻率為28Hz～30Hz，偏心塊夾角為60°，下車質(zhì)量/整車質(zhì)量0.6 左右，一般選用上車配重為3 塊、下車配重為6塊（上車配重塊約4.5kg/個，下車配重塊約5.5kg/個）。有關(guān)試驗表明[4]，對于骨架密實型水泥穩(wěn)定級配碎石，采用表5所示工作參數(shù)時材料的振動壓實效果最佳。本文振動擊實試驗和振動成型試驗采用表5所示參數(shù)。

表5 振動壓實機（VTM）的工作參數(shù)

3.2 振動擊實特性

3.2.1 振動擊實時間

水泥劑量采用4.0%，試驗級配見表4，骨架密實型水泥穩(wěn)定級配碎石混合料預(yù)加含水率4.5%，連續(xù)振動擊 實 時間依次為30s、45s、60s、75s、90s、120s、150s、180s，分別測試不同振動擊實時間下混合料干密度，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同振動擊實時間的擊實曲線

由圖1 可知，振動擊實時間小于100s 時，隨著振動擊實時間增加，水泥穩(wěn)定碎石擊實試樣的最大干密度增長迅速，振動擊實時間大于100s后，增加振動擊實時間，水泥穩(wěn)定碎石擊實試樣的最大干密度增長速度趨于平緩，故選擇拐點時間100s為振動擊實時間參數(shù)。

3.2.2 振動擊實方案

雖然室內(nèi)振動試驗方法較傳統(tǒng)的重型擊實方法能較好地模擬現(xiàn)場振動壓實工況，但其采用連續(xù)振動方式進行試樣擊實和試件成型，振動壓頭與試件頂面的接觸時間間隔很短幾乎可以忽略，這與現(xiàn)場水泥穩(wěn)定粒料在振動碾壓階段碾壓密實過程不盡相同。基于此，本文嘗試采用連續(xù)振動和分級振動（存在間歇時間）兩種形式開展室內(nèi)振動擊實試驗，分析不同振動擊實方式對混合料密實性的影響，振動擊實方案見表6。

表6 骨架密實型水泥穩(wěn)定粒料設(shè)計的振動擊實方案

3.2.3 振動擊實試驗

有關(guān)研究成果表明[10-14]，振動擊實骨架密實型水泥試樣最大干密度對含水率表現(xiàn)為較為敏感。因此，不同振動擊實試驗含水率間隔0.3%，預(yù)定的含水率依次為3.8%、4.1%、4.4%、4.7%、5.0%和5.3%，水泥劑量采用4.0%，并采用重型擊實試驗進行對比，不同擊實曲線如圖2所示，其中從左至右依次為振動擊實方案1至方案3關(guān)于最大干密度與含水率的回歸公式。

圖2 不同擊實方案的擊實曲線

將擊實參數(shù)表示為（最大干密度，最佳含水率）。由圖2 可知，連續(xù)振動100s 的擊實參數(shù)為（2.441 g/cm3，4.6%），分兩級振動50s×2 的擊實參數(shù)為（2.451 g/cm3，4.5%），分四級振動25s×4 的擊實參數(shù)為（2.453g/cm3，4.5%），重型擊實的參數(shù)為（2.379 g/cm3，4.8%），振動擊實試驗確定的最大干密度是重型擊實的1.03 倍，最佳含水率是重型擊實的0.94倍。與連續(xù)振動擊實100s的混合料干密度相比，采用分級振動擊實25s×4 時混合料最大干密度增大0.012g/cm3，最佳含水率減小0.1%，而分級振動50s×2時與分級振動擊實25s×4時混合料最大干密度和最佳含水率比較接近。因此，從振動擊實效率和效果而言，分級振動選擇50s×2 方式更為合理。

3.3 振動成型試驗

水泥劑量采用4.0%，試驗級配見表1，水泥穩(wěn)定級配碎石混合料預(yù)加含水率4.5%，連續(xù)振動成型時間依次為50s、60s、70s、80s、90s 和100s，分兩級振動成型時間依次為25s×2、30s×2、35s×2、40s×2、45s×2 和50s×2，分別測試不同振動成型時間和方式下試件壓實度，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同振動成型方式試件的壓實度增長曲線

骨架密實型水泥穩(wěn)定級配碎石試件計算壓實度的最大干密度連續(xù)振動時采用2.441g/cm3，分兩級振動時采用2.451g/cm3。由圖3可知，隨著振動成型時間延長，試件壓實度呈先快速增長后增長趨于緩慢的變化規(guī)律；相同振動成型時間，分兩級振動試件壓實度大于連續(xù)振動試件。依據(jù)JTG/T F20—2015，高速公路、一級公路水泥穩(wěn)定材料基層壓實標準要求大于98%，滿足此標準的連續(xù)振動成型時間為75s，分兩級振動成型時間為35s×2，并以此作為振動成型試件的時間參數(shù)。

3.4 不同水泥劑量擊實參數(shù)

為對比研究不同室內(nèi)成型方式對骨架密實型水泥穩(wěn)定級配碎石混合料性能的影響，水泥劑量采用3.0%、4.0%、5.0%，分別進行重型擊實試驗、連續(xù)振動擊實試驗（100s）、分級振動擊實試驗（50s×2），擊實試驗結(jié)果見表7。

表7 不同水泥劑量骨架密實型水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的擊實參數(shù)

4 分級振動法成型試件性能

4.1 抗壓強度

水泥劑量采用3.0%、4.0%、5.0%，振動成型Ф 150mm×h150mm 圓柱體試件，標準養(yǎng)生6d 泡水1d 后測試試件的7d 無側(cè)限抗壓強度，不同成型方法成型水泥穩(wěn)定碎石圓柱體試件的7d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同成型方式水泥穩(wěn)定碎石混合料的7d無側(cè)限抗壓強度

由圖4可知，不同水泥劑量，采用振動成型方式，骨架密實型水泥穩(wěn)定級配碎石試件的7d無側(cè)限抗壓強度較靜壓成型試件大50%以上，采用3.0%水泥劑量，7d無側(cè)限抗壓強度代表值可以滿足JTG/T F20—2015 中極重、特重交通高速公路和一級公路不小于5.0MPa 的要求，而采用靜壓成型方法強度不小于5.0MPa 的水泥劑量為4.0%，有關(guān)研究表明[8]振動成型試件強度與現(xiàn)場取芯強度接近；雖然分級振動成型時間較連續(xù)振動時間少了5s，但不同水泥劑量分級振動成型試件7d 無側(cè)限抗壓強度較連續(xù)振動成型試件大7.4%～12.5%，反映出分級振動成型水泥穩(wěn)定級配碎石混合料更易形成穩(wěn)固嵌擠密實結(jié)構(gòu)。

4.2 劈裂強度

水泥劑量采用3.0%、4.0%、5.0%，振動成型Ф 150mm×h150mm 圓柱體試件，標準養(yǎng)生27d 泡水1d 后測試試件的28d劈裂強度，不同成型方法成型水泥穩(wěn)定碎石圓柱體試件的28d劈裂強度試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同成型方式水泥穩(wěn)定碎石混合料的28d劈裂強度

由圖5可知，不同水泥劑量，采用振動成型方式，骨架密實型水泥穩(wěn)定級配碎石試件的28d 劈裂強度均較靜壓成型試件大，其中分級振動成型試件的28d劈裂強度較靜壓成型試件大20%以上，分級振動成型試件的28d劈裂強度較連續(xù)振動成型試件增長2.7%～6.9%。分析原因，采用振動成型方法，試件內(nèi)部粗集料相互嵌擠形成穩(wěn)固密實結(jié)構(gòu)，水泥水化產(chǎn)物緊密裹覆集料表面，表現(xiàn)出試件發(fā)生間接拉伸破壞時需要施加更大的作用力。

4.3 抗壓回彈模量

水泥劑量采用3.0%、4.0%、5.0%，振動成型Ф 150mm×h150mm 圓柱體試件，標準養(yǎng)生90d 后采用頂面法測試試件的抗壓回彈模量，不同成型方法成型水泥穩(wěn)定碎石圓柱體試件的90d 抗壓回彈模量試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同成型方式水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量

由圖6 可知，不同水泥劑量，采用分級振動成型方式，骨架密實型水泥穩(wěn)定級配碎石試件的90d抗壓回彈模量較靜壓成型試件提高6.9%～13.8%，不同振動成型試件方式對抗壓回彈模量的影響不及7d無側(cè)限抗壓強度、28d劈裂強度。分析原因，抗壓回彈模量試驗用試件標準養(yǎng)生90d，試件強度已基本形成，不同成型方法試件隨著養(yǎng)生期的延長其抵抗變形能力差距變小，盡管如此，分級振動成型法試件仍然表現(xiàn)出更優(yōu)的抗變形能力。

4.4 抗沖刷性能

水泥劑量采用3.0%、4.0%、5.0%，振動成型Ф 150mm×h150mm圓柱體試件，標準養(yǎng)生28d后，將飽水后試件按要求固定在沖刷桶中，并將其安置在MTS 試驗機上沖刷30min，稱取飽水試件沖刷前質(zhì)量和沖刷物質(zhì)量，然后計算各試件的沖刷質(zhì)量損失，不同成型方法成型水泥穩(wěn)定碎石圓柱體試件的沖刷試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同成型方式水泥穩(wěn)定碎石混合料的沖刷質(zhì)量損失

由圖7 可知，振動成型法試件骨架密實性好，其沖刷試驗質(zhì)量損失較靜壓成型方法試件小，變化水泥劑量3.0%～5.0%，采用振動成型法與靜壓成型法的沖刷質(zhì)量損失差值相當，其中連續(xù)振動法試件的沖刷質(zhì)量損失較靜壓成型法小0.06%～0.07%，分級振動法試件的沖刷質(zhì)量損失平均較靜壓成型法小0.09%以上；增加水泥劑量，振動成型法試件內(nèi)部集料與水泥石界面強度更大，黏結(jié)牢靠，在沖刷試驗過程中掉粒較少，抗水損壞能力更強。

4.5 抗收縮開裂性能

水泥劑量采用4.0%，靜壓成型400mm×100mm×100mm 小梁試件，不同成型方法成型水泥穩(wěn)定碎石混合料小梁試件，試件標準養(yǎng)生6d，養(yǎng)生結(jié)束后泡水1d，然后進行干縮試驗和溫縮試驗，測試各個試件的干縮變形、含水率和溫縮變形，不同成型方法水泥穩(wěn)定碎石的平均干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)見表8。

表8 不同成型方式水穩(wěn)碎石小梁試件的平均收縮系數(shù)

由表8 可知，不同成型法，對相同水泥劑量養(yǎng)生7d小梁試件的干縮系數(shù)、溫縮系數(shù)有影響，表現(xiàn)為振動成型法試件的平均干縮系數(shù)和平均溫縮系數(shù)均較靜壓成型法試件的小，與靜壓成型法相比，連續(xù)振動成型法試件的平均干縮系數(shù)小11.8%，平均溫縮系數(shù)小17.5%，分級振動成型法試件的平均干縮系數(shù)小17.9%，平均溫縮系數(shù)小24.8%。由此可見，不同成型方法對小梁試件的早期抗裂能力有顯著差異，且主要預(yù)防水穩(wěn)碎石材料在施工早期受濕度顯著變化影響而發(fā)生的干縮開裂，采用合理的振動碾壓方案的同時，應(yīng)加強早期養(yǎng)生。

5 結(jié)語

本文研究了骨架密實型水泥穩(wěn)定級配碎石的不同擊實特性，并對比評價了不同方式成型試件的力學(xué)性能、抗沖刷性能和抗裂性能，得出以下結(jié)論：

①振動擊實試驗確定的最大干密度是重型擊實的1.03倍，最佳含水率是重型擊實的0.94倍。采用連續(xù)振動100s、分兩級振動50s×2、分四級振動25s×4三種振動擊實方案，總振動時間相同時，分級振動擊實試樣的干密度大于連續(xù)振動擊實試樣，且分級振動次數(shù)越多單次振動時間越短，擊實試樣最大干密度越大，不同振動擊實方案最佳含水率比較接近。

②隨著振動成型時間增加，試件壓實度呈先快速增長后增長趨于緩慢的變化規(guī)律；振動成型時間相同時，分兩級振動的試件壓實度大于連續(xù)振動的試件壓實度。

③采用同一抗壓強度標準，振動試驗方法確定的設(shè)計水泥劑量較傳統(tǒng)靜壓成型方法低，有利于改善半剛性基層材料抗收縮開裂性能。

④與靜壓法相比，分級振動法成型試件的7d 無側(cè)限抗壓強度、28d 劈裂強度大幅提高，分別高出50%、20%以上，90d 抗壓回彈模量提高6.9%～13.8%，沖刷質(zhì)量損失減少0.09%以上，平均干縮系數(shù)和平均溫縮系數(shù)分別減少17.9%、24.8%；與連續(xù)振動法相比，分級振動法成型試件的7d 無側(cè)限抗壓強度提高7.4%～12.5%，28d劈裂強度、90d抗壓回彈模量、抗沖刷性能和抗收縮開裂性能差異不大。