大激振力作用下厚層水穩(wěn)碎石壓實(shí)特性研究＊

李煒光 范文東 韓 慶

（長安大學(xué)公路學(xué)院1） 西安 710064）

（交通鋪面材料教育部工程中心2） 西安 710064） （商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院3） 商丘 476000）

0 引 言

采用水泥穩(wěn)定類材料，一次鋪筑碾壓成型或分層鋪筑成型，厚度在22～35cm之間的基層稱為大厚度水穩(wěn)碎石基層［1］，此種結(jié)構(gòu)是我國高速公路半剛性基層的主要結(jié)構(gòu)形式［2－4］.由于受施工機(jī)械的限制，施工過程中這種結(jié)構(gòu)一般分2層施工.分層施工導(dǎo)致基層層間不連續(xù)，以致基層結(jié)構(gòu)綜合路用性能降低.隨著振動壓實(shí)機(jī)械激振力的不斷增加，增加單層鋪筑厚度成為可能.目前，對大激振力作用下一次成型厚層水穩(wěn)碎石壓實(shí)特性方面的研究尚少.而長安大學(xué)自主研發(fā)大激振力振動壓實(shí)設(shè)備，使得室內(nèi)模擬現(xiàn)場振動壓實(shí)試件成為可能.基于此，本文通過振動壓實(shí)機(jī)成型30 cm試件并結(jié)合兩龍高速試驗(yàn)路實(shí)體工程對厚層水穩(wěn)碎石基層的密度、水泥劑量、含石量分布等壓實(shí)特性進(jìn)行相關(guān)研究.

已有研究表明［5－6］，半剛性基層厚度增加可明顯提高綜合路用性能.但是，厚度增加對基層壓實(shí)特性產(chǎn)生怎樣的影響，目前研究很少.因此，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場驗(yàn)證相結(jié)合的研究思路，采用大激振力試驗(yàn)設(shè)備成型試件對其密度、水泥劑量和含石量分布等壓實(shí)特性進(jìn)行了研究，目的在于研究隨半剛性基層鋪筑厚度的增加，縱向壓實(shí)特性的變化規(guī)律.

1 物理性能分析

1.1 密度

相關(guān)資料［7－11］表明，普通振動壓路機(jī)碾壓后，壓實(shí)材料的密度隨深度的變化呈曲線分布，如圖1，即最大干密度出現(xiàn)在表層偏下的位置.而大激振力作用下被壓實(shí)材料的密度具有怎樣的一種變化趨勢呢？為此采用普通振動壓實(shí)機(jī)與大激振力振動壓實(shí)機(jī)分別確定最佳含水量并成型試件，以研究大激振力作用下壓實(shí)材料的密度變化規(guī)律.普通振動壓實(shí)機(jī)的振動參數(shù)為靜壓力0.1MPa、振動頻率30Hz、激振力6 800N、偏心塊夾角為60°、振動時間為2min.大激振力振動成型機(jī)的振動參數(shù)為激振力37.428kN、振動頻率為30Hz、偏心塊夾角為60°、振動時間為1.5min.普通振動成型機(jī)確定的最佳含水量為5%，而大激振力成型機(jī)確定的最佳含水量為4.6%，較前者含水量有所減少.試驗(yàn)分別成型6組試件，同時對成型的試件分5層切割，對其密度變化趨勢進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果見圖2.

圖1 振動壓實(shí)作用下的壓實(shí)特性

圖2 2種激振力作用下壓實(shí)特性比較

從圖2可見，普通激振力作用下成型的標(biāo)準(zhǔn)試件最大干密度為2.451g／cm3，大激振力作用下成型的30cm試件最大干密度為2.498g／cm3，較前者增加了1.92%.且在大激振力作用下試件密度的最小值為2.452g／cm3，比普通激振力作用下試件的最大干密度還大，因此，在大激振力作用下增加單層鋪筑厚度是可行的.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)論，結(jié)合兩龍高速公路心樣進(jìn)行密度變化規(guī)律的研究.采用蠟封法對兩龍高速公路試驗(yàn)路取心，選取6個代表性心樣并按預(yù)定尺寸0～6cm（1）、6～12cm（2）、12～18cm（3）、18～24cm（4）、24～30cm（5）切割進(jìn)行分析，密度檢測結(jié)果如表2.

表2 水穩(wěn)碎石密度試驗(yàn)結(jié)果 g／cm3

試件密度作數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果見圖3.從圖3可見，厚層水穩(wěn)碎石試件的最大干密度均在表面以下約10cm處（即圖上2，3點(diǎn)之間處）；大激振力作用下水穩(wěn)碎石的密度變化規(guī)律和普通激振力是一致的.當(dāng)厚度超過24cm時密度開始衰減，但由于大激振力的作用，使得24cm以上的密度大大超過了壓實(shí)度要求，即增加水穩(wěn)碎石結(jié)構(gòu)的單層鋪筑厚度是可行的.

圖3 水穩(wěn)碎石試件密度曲線圖

上下密度的變化是否會導(dǎo)致下部的壓實(shí)度不能滿足要求，從而影響路面性能呢？又對上下密度差異進(jìn)行分析.分別統(tǒng)計上部（0～12cm）和下部（18～30cm）密度的平均值，以整段的密度均值作為參照對象.結(jié)果見表3.

表3 厚層水穩(wěn)碎石密度統(tǒng)計分析結(jié)果 g／cm3

結(jié)果表明，厚層水穩(wěn)碎石試件上下密度差異基本控制在0.04g／cm3以內(nèi).按照上下壓實(shí)度差異來說，不超過2%.因此，從室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場驗(yàn)證以及壓實(shí)度差異等方面綜合分析得出結(jié)論：提高振動壓實(shí)機(jī)械的激振力可以增加基層單層鋪筑厚度.

1.2 水泥劑量

水泥劑量是影響水穩(wěn)碎石性能的又一個重要因素，水泥劑量不足會導(dǎo)致結(jié)合料的粘結(jié)性能下降，不能與石料緊密結(jié)合，成型后容易松散，強(qiáng)度不能保證.

通過對室內(nèi)大激振力振動擊實(shí)儀成型厚層水穩(wěn)碎石試件（水泥劑量4.5%）上15cm和下15 cm部分進(jìn)行水泥劑量的EDTA滴定，研究其水泥劑量的變化特性.滴定結(jié)果見表4.

表4 水泥劑量滴定結(jié)果 %

通過對比厚層水穩(wěn)碎石試件上下部分EDTA消耗量發(fā)現(xiàn)，上下部分的消耗量沒有明顯差別.試驗(yàn)結(jié)果也表明，厚層水穩(wěn)碎石的水泥劑量并沒有隨著深度有明顯的變化，水泥劑量的偏差在±0.5%以內(nèi)，在大激振力作用下水泥劑量不會隨深度的改變而產(chǎn)生上下分布不均衡，說明由水泥劑量變化引起的水穩(wěn)碎石性能的變化可以忽略.

1.3 含石量

厚層水穩(wěn)碎石由于攤鋪厚度較大，在攤鋪和碾壓過程中可能導(dǎo)致石料的深度方向離析，所以為了防止由于厚度較大而導(dǎo)致的石料分布不均現(xiàn)象，必須對石料的分布狀況進(jìn)行研究.

通過對振動壓實(shí)前后集料分布的研究發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)振動力的作用下，被壓材料內(nèi)部顆粒間的連接和摩擦力減弱，顆粒可產(chǎn)生較大的位移，在振動壓實(shí)影響深度的范圍內(nèi)，上層的粗集料下移下部的細(xì)集料上移，離振動源越近，該現(xiàn)象越明顯.石料在振動碾壓作用下的運(yùn)動示意如圖4所示.

圖4 振動碾壓作用下石料運(yùn)動狀態(tài)示意圖

對現(xiàn)場取心試件的外表面進(jìn)行拍照，從石料的外觀對石料的分布進(jìn)行量化分析，首先采用Photoshop勾畫出大粒徑石料外觀輪廓線，然后利用CAD勾畫出石料輪廓，計算分段（約3cm）面積（S）和每段內(nèi)的各個石料面積（a），并同時計算出各分段內(nèi)的石料總面積比），得到石料的分段分布率），處理流程如圖5所示.

圖5 水穩(wěn)碎石含石量處理流程

厚層水穩(wěn)碎石（30cm）按照每5cm為一段，共6段.計算結(jié)果見表5和圖6.

從含石量的分布規(guī)律來看，大激振力作用下厚層水穩(wěn)碎石各個試件從上到下石料分布率變化不大，可見并未出現(xiàn)離析現(xiàn)象，其含石量大致與普通水穩(wěn)碎石相同，從總體上看中部的含石量略微高于上下兩端.

表5 厚層水穩(wěn)碎石基層石料分布率分段統(tǒng)計表 %

圖6 取心試件外表面含石量分布變化圖

2 大激振力作用下厚層水穩(wěn)碎石特性分析

2.1 連續(xù)性分析

為使常規(guī)方法分層鋪筑水泥穩(wěn)定碎石和大厚度水穩(wěn)碎石具有可比性，以研究其石料的分布規(guī)律，現(xiàn)將15cm水穩(wěn)碎石標(biāo)準(zhǔn)試件平均切割成3段，每段5cm.石料分布測試試驗(yàn)結(jié)果如表6.

表6 15cm水穩(wěn)碎石基層石料分布率分段統(tǒng)計表 %

將試件1，2；2，3；3，1分別按照上下順序進(jìn)行組合，通過擬合得到有分層鋪筑條件下厚層水穩(wěn)碎石石料分布率，見表7.

表7 分層鋪筑條件下厚層水穩(wěn)碎石石料分布率分段統(tǒng)計表 %

表5和表7分別表示了一次成型和分層鋪筑件下厚層水穩(wěn)碎石石料分布率，對相應(yīng)高度段的石料分布率進(jìn)行加權(quán)平均后的結(jié)果見圖7.

試驗(yàn)結(jié)果表明：一定厚度下的水穩(wěn)碎石在相應(yīng)的激振力作用下，不會出現(xiàn)離析現(xiàn)象，其石料分布具有一定的穩(wěn)定性.顯然，厚層水穩(wěn)碎石與普通水穩(wěn)碎石結(jié)構(gòu)在深度方向含石量規(guī)律一致，但后者分兩層鋪筑，深度方向的含石量變化情況明顯出現(xiàn)間斷情況，而且受影響結(jié)構(gòu)厚度大約10cm，占到結(jié)構(gòu)整體厚度的30%，其整體性和均勻性能降低，將會對路面結(jié)構(gòu)抗裂性能有一定的影響.而在大激振力作用下，由于厚層水穩(wěn)碎石采用一次成型方式，將會大大的改善基層的層間問題而且具有很好的抗裂性.

圖7 不同成型方式厚層試件石料分布圖

2.2 阻裂效果分析

大激振力作用下的厚層水穩(wěn)碎石縱向連續(xù)性良好，中間部位骨料分布率得到較大提高.這樣的石料分布特點(diǎn)將對阻止基層底部反射裂縫有積極作用.可將此種狀態(tài)石料分布的特點(diǎn)產(chǎn)生的作用稱為阻裂作用，此種路面結(jié)構(gòu)稱之為阻裂帶.阻裂帶模型如圖8所示.

圖8 阻裂帶模型

在該模型中，當(dāng)裂縫在向上（或下）的細(xì)集料中發(fā)展時，當(dāng)遭遇粗集料，裂縫會試圖繞開，當(dāng)裂縫無法繞開時便停止發(fā)展，從而起到了阻裂的效果.石料在結(jié)構(gòu)層的中部均勻分布會降低裂縫發(fā)展的機(jī)會.

在大激振力作用下的厚層水穩(wěn)碎石并未因?yàn)楹穸鹊脑黾佣淖兤涫系姆植记闆r，但是由于其厚度的增加，層間結(jié)合較普通水穩(wěn)碎石好，所以其性能要優(yōu)于普通水穩(wěn)碎石結(jié)構(gòu)層.

3 結(jié) 論

1）通過室內(nèi)對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在大激振力振動成型機(jī)作用下成型的試件最大干密度得到了提高，且密度變化規(guī)律和普通激振力作用下是一致的，都呈現(xiàn)中上部大，兩頭略小的變化規(guī)律.厚層水穩(wěn)碎石試驗(yàn)路現(xiàn)場取芯試件進(jìn)行的密度測試也驗(yàn)證了這一規(guī)律.

2）厚層水穩(wěn)碎石室內(nèi)成型試件的滴定試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)上下水泥劑量變化差異在±0.5%以內(nèi)，沒有由于碾壓厚度的增加出現(xiàn)較大的變異.

3）通過對大激振力作用下石料分布的研究發(fā)現(xiàn)，從上到下石料分布率呈現(xiàn)出中間多兩邊小的趨勢，一次成型厚層水穩(wěn)碎石含石量與普通厚度水穩(wěn)碎石結(jié)構(gòu)相同.若分層施工，則會導(dǎo)致石料離析現(xiàn)象.

4）由于鋪筑厚度的增加，石料分布的規(guī)律具有一定的阻裂效果.

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