振動與擊實成型方法下水泥穩(wěn)定碎石性能試驗研究

劉振華，賀 鵬，陳 澤，修占國

(1.中建五局華東建設有限公司， 浙江 平湖 312400； 2.東北大學 資源與土木工程學院， 遼寧 沈陽 110819)

路基材料對于道路的性能和使用年限起著決定性作用，材料的選擇一直是專家學者探究的熱點。水泥穩(wěn)定碎石由于早期強度高、穩(wěn)定性好、整體性強等優(yōu)勢，一直以來被作為路基材料研究的重點方向。李麗慧等[1]以含磚再生建筑垃圾為原料,配制了兩種級配再生骨料，通過擊實試驗研究了不同配合比的再生水泥穩(wěn)定碎石。鄭亞強等[2]通過將鋼渣和粉煤灰作為路面基層材料，對鋼渣粉煤灰基層材料的性能進行研究?？軌翩嫉萚3]以鄭石高速公路為工程背景，研究了水泥穩(wěn)定風化巖在瀝青路面的基層中的應用。王龍等[4]、袁斌等[5]和李明杰等[6]利用振動壓實法研究了激振力、激振頻率和振幅等對水泥穩(wěn)定碎石的性能探究。咼貴等[7]和呂松濤等[8]研究了水泥穩(wěn)定碎石混合料的回彈模量與無側(cè)限抗壓強度之間的關系。焦雙健等[9]研究了玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石的配合比，分析了水泥劑量等不同因素對玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度影響的主次關系。楊洪生等[10]、延西利等[11]和薛翠真等[12]對比分析了振動與傳統(tǒng)攪拌的水泥穩(wěn)定碎石的性能。

振動壓實法[13-15]是道路工程中重要的壓實方式，極大的改善了基層壓實度，提高基層的強度，減少裂縫，提高基層質(zhì)量。但目前在工程設計或理論研究中，依然以靜力壓實法為主，深入的振動壓實研究十分缺乏，這導致理論和實際斷層，使振動壓實應用受到極大制約，所以振動壓實法的理論深化分析具有重要工程意義。本文以實際工程為背景，采用振動與擊實試驗兩種方法制備大量試件，研究了水泥穩(wěn)定碎石振動成型試件的物理和力學指標，進行回歸分析，建立了最優(yōu)含水率、最大干密度、7 d無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度的內(nèi)在關系，給出了兩種成型方法下力學指標的轉(zhuǎn)換式，豐富振動壓實法的理論，佐證了該法下骨料密實型結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度等方面明顯優(yōu)于規(guī)范推薦的懸浮密實型，為類似工程提供了值得借鑒的經(jīng)驗。

1 試驗設備與試驗設計

1.1 試驗設備簡介

振動壓實采用BZYS4212振動壓實儀，工藝參數(shù)采用頻率30 Hz，振動塊夾角30°，擊振力7 612 N,振幅1.4 mm,根據(jù)本文所用試件高度振動時間為2 min。該設備可以較好模擬路基振動壓實機械的壓實機理，通過對材料施加擊振力使材料處在一種相對運動狀態(tài),集料間的摩擦力由靜摩擦力變?yōu)閯幽Σ亮?而使兩者的壓實效果相接近。劈裂強度試驗采用NYL-300型壓力試驗機，最大加載速度為0.05 MPa/s。

1.2 試驗設計

試驗以平湖乍浦至上海興塔公路(01省道至平興公路段)工程為背景，水泥穩(wěn)定碎石原材料采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，骨料用壓碎值不超過30%的石屑和碎石顆粒，為了更好地配比水泥穩(wěn)定碎石，按照實驗室5種粒徑標準篩進行了室內(nèi)篩分試驗，對初擬的3個方案進行標準擊實試驗和7 d無側(cè)限抗壓強度試驗等，最終確定了基層水泥穩(wěn)定碎石混合料按骨架密實型結(jié)構(gòu)設計，配合比為：30%(0.00 mm～2.36 mm石屑)：10%(2.36 mm～4.75 mm碎石)：40%(4.75 mm～19.00 mm碎石)：20%(19.00 mm～31.50 mm碎石)，水泥劑量分別為3%、4%、5%、6%和7%。與骨架空隙結(jié)構(gòu)和懸浮密實結(jié)構(gòu)[12]進行對比，級配曲線見圖1。

圖1實驗采用的級配

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[16](JTG E51—2009)和《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》[17](JTG E30—2005)，采用Φ150 mm×300 mm的圓柱體試件作為無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度試驗試件，干縮試件采用100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體構(gòu)件，每一個方案各為2組試件，每一組3個平行試件，在最優(yōu)含水率和設計壓實度(98%)條件下成型，按著規(guī)程標準方法養(yǎng)護。根據(jù)試驗確定的最佳含水率和最大干密度, 分別采用振動壓實法和擊實法制作無側(cè)限抗壓強度試件, 將試件裝入塑料袋內(nèi)密閉,在20℃±2℃, 相對濕度≥95%的條件下養(yǎng)護6 d, 浸水1 d后取出, 進行無側(cè)限抗壓強度試驗和劈裂試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 成型方法對物理指標影響

在兩種成型方法下，研究3種級配在5種水泥劑量下最佳含水率與最大干密度的關系，每種水泥劑量試件做3組互為對照，取均值作為該種水泥劑量的物理指標。試驗結(jié)果如表1所示。

兩種成型方法對應的最佳含水率關系如圖2所示，并對兩種成型方法下最佳含水率進行線性回歸分析。由圖2可知，兩種成型方法對應的最佳含水率呈線形關系，并且這種關系與級配類型有關。其中骨架空隙與骨架密實結(jié)構(gòu)，振壓最佳含水率較擊實含水率較小；懸浮密實結(jié)構(gòu)，振壓成型最佳含水率較擊實最佳含水量較大，其中，振動成型最佳含水率比擊實成型平均值高出0.55%。兩種方法下對應最佳含水率關系為：

w2=1.22w1-2.63，R=0.85

(1)

式中：w1為擊實成型最佳含水率；w2為振動成型最佳含水率。

表1 物理指標試驗結(jié)果

圖2擊實成型與振動成型最佳含水率關系

兩種擊實方法下對應干密度關系如圖3所示，并對兩種成型方法下干密度進行線性回歸分析。

第二，加官同，看殿閣。四殿二閣的排位自高而低依次是中極殿、建極殿、文華殿、武英殿、文淵閣、東閣。翰林學士低于殿閣大學士。以殿閣大學士之外的頭銜進內(nèi)閣須額外注明，如“入”“直”內(nèi)閣等。

圖3擊實成型與振動成型干密度關系

由圖3可知，兩種成型方法下對應干密度呈線形關系，并且振壓干密度大于擊實干密度。對于不同級配類型，干密度變化情況也不同。骨架空隙結(jié)構(gòu)，兩種成型方法對應干密度差別較??；對于骨架密實與懸浮密實型結(jié)構(gòu)，兩種成型方法對應干密度差別逐漸增大。振動成型最大干密度比擊實成型最大干密度平均值高出3.2%。兩種成型方法下對應干密度關系為：

ρd2,max=1.32ρd1,max+0.35，R=0.94

(2)

式中：ρd1,max為擊實干密度；ρd2,max為振壓干密度。

2.2 成型方法對無側(cè)限抗壓強度的影響

試驗中材料的壓實度、最佳含水率和最大干密度均會對7 d無側(cè)限抗壓強度產(chǎn)生影響，試驗采用控制變量的方法。研究兩種成型方法7 d無側(cè)限抗壓強度之間的關系。具體試驗變量如表2所示。

表2 試驗變量一覽表

按照級配類型對采集到的數(shù)據(jù)進行整理，并對數(shù)據(jù)進行擬合，在不同水泥劑量下，兩種成型方法7 d無側(cè)限抗壓強度相關性分析如表3所示，表中所列回歸方程通過數(shù)據(jù)擬合得到。

表3 兩種成型方法下抗壓強度關系

式中：Rj為擊實成型7 d無側(cè)限抗壓強度；Rz為振壓成型7 d無側(cè)限抗壓強度。

對回歸方程進行相關性檢驗時，通過計算得到相關系數(shù)R，以判斷回歸方程顯著性水平，各工況的Rα,f可由相關系數(shù)臨界值表[9]查出。相關系數(shù)R需滿足大于臨界值Rα,f的要求，同時R越接近于1說明回歸方程擬合度越好。

研究三種級配類型回歸曲線，可以得出空隙型的斜率最大，懸浮密實型的最小，說明振動成型骨架空隙型級配強度增長最大，骨架密實型次之，而懸浮密實型最小。三種級配的截距相差不大。從上述分析中可知振動成型方法能體現(xiàn)不同級配類型強度特點。

表4 兩種成型方法下抗壓強度關系

式中：Rj為擊實成型7 d無側(cè)限抗壓強度；Rz為振壓成型7 d無側(cè)限抗壓強度。

研究不同壓實度下回歸曲線的斜率和截距，當壓實度為98%回歸曲線的斜率最大，說明壓實度為98%振動成型對強度的提高最為明顯，其原因為壓實度為98%時，在振動壓實條件下，顆粒之間形成最為緊密，保證壓密而沒有壓碎，從而其強度增加幅度最大。當壓實度為96%時，其壓實程度不足，不能形成嵌固結(jié)構(gòu)。當壓實度為100%時，部分顆粒被壓碎，形成新的斷裂面，由于缺少水泥的膠結(jié)作用，強度的增長率在下降。從截距與壓實度的關系可知，隨著壓實度增加，回歸曲線的截距在增大，壓實度對截距的影響較小，而成型方法對截距的影響較大。

2.3 成型方法對劈裂強度的影響

劈裂強度是反映材料內(nèi)部黏聚力大小的物理量，劈裂強度越大，表明材料間粘結(jié)作用就越強。試驗為研究兩種成型方法下劈裂強度之間的關系，分析水泥穩(wěn)定碎石在5種水泥劑量、三種級配和壓實度下的關系。試件按照規(guī)程[16]中對水泥穩(wěn)定碎石成型試件在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d。

按照級配類型對采集到的數(shù)據(jù)進行整理，并對數(shù)據(jù)進行擬合，在不同水泥劑量下，兩種成型方法劈裂強度相關性分析如表5所示，表中所列回歸方程通過數(shù)據(jù)擬合得到。

表5 兩種成型方法下劈裂強度關系

式中：Pj為擊實成型劈裂強度；Pz為振壓成型劈裂強度。

從表5中可以看出骨架空隙型的斜率最大，說明振動成型骨架空隙型級配強度增長最大；骨架密實型與懸浮密實型次之且兩者的斜率差別較小，說明振動成型對骨架密實型與懸浮密實型兩種密實型級配強度增長影響規(guī)律相近。從上述分析中可知振動成型方法能體現(xiàn)不同級配類型強度特點。

壓實度是影響材料強度的重要因素，通過對不同壓實度條件下兩種成型方法按照不同壓實度采集到的數(shù)據(jù)進行整理，并對數(shù)據(jù)進行擬合，在不同水泥劑量下，兩種成型方法下劈裂強度相關性分析如表6所示，表中所列回歸方程通過數(shù)據(jù)擬合得到。

表6 兩種成型方法下抗壓強度關系

式中：Pj為擊實成型劈裂壓強度；Pz為振壓成型劈裂強度。

以骨架空隙結(jié)構(gòu)為例，當壓實度為98%回歸曲線的斜率最大，說明壓實度為98%振動成型對強度的提高最為明顯，其原因為壓實度為98%時，在振動壓實條件下，材料被壓密且顆粒沒有被壓碎，此時，顆粒間最為密。當壓實度為96%時，此時壓實度相對壓實不足，斜率相對較小。當壓實度為100%時，材料部分顆粒被壓碎，形成新的斷裂面，因此斜率相對壓實度為98%的小，較壓實度96%的略大。研究兩種壓實方法劈裂強度關系曲線，可知兩種成型方法對應劈裂強度呈明顯線性關系，振動成型劈裂強度均大于擊實成型劈裂強度。

3 結(jié) 論

(1) 振動與擊實成型兩種方法所對應的最佳含水率、干密度、抗壓強度及劈裂強度具有線性相關關系。

(2) 振動成型最佳含水率比擊實成型平均值高出0.55%；振動成型最大干密度比擊實成型最大干密度平均值高出3.2%。

(3) 兩種成型方法下無側(cè)限抗壓強度具良好的線性相關性，振動成型7d無側(cè)限抗壓強度比擊實成型平均提高63.2%左右，劈裂強度提高了35%。

(4) 級配類型回歸的強度關系說明，密實型級配在強度方面具有絕對優(yōu)勢，而骨架空隙型具有劣勢；密實型結(jié)構(gòu)相對骨架空隙型強度增長相對較小。

(5) 在壓實度為98% 振動成型對水泥穩(wěn)定級配碎石強度的提高作用最為明顯，說明振動成型標準下98%的壓實度具有合理性，壓實度為96%時，壓實的程度不足，當壓實度為100%時，則部分顆粒被壓碎。