振動擊實成型水泥穩定破碎礫石力學特性研究

朱建華，彭 輝

(駐馬店市公路工程開發有限公司，河南 駐馬店 463000)

0 引 言

近年來由于建筑業的興起，優質石料的來源日益緊缺，如果使用礫石作為原材料，可以就地取材，減少石料運輸成本。但礫石光滑且無棱角，與水泥漿粘結性較差，導致礫石基層穩定性較差。破碎礫石是根據級配規格破碎加工而成，表面粗糙、破裂面不規則，可有效提升與水泥漿的粘結性。

洪亮等研究了不同級配及水泥劑量下水泥穩定礫石振動法與重型擊實法之間的關系，發現重型擊實法(HCM)對礫石級配破壞大于振動法，在相同水泥劑量下，振動擊實方法(VCM)成型的試件7 d無側限抗壓強度更高[1]；黃偉等研究了水泥穩定大粒徑礫石在半剛性基層中的運用，指出用大粒徑礫石作為較低等級瀝青路面的基層可以降低其裂縫的產生[2]；馮順劍研究了水泥劑量對水泥穩定礫石抗裂性的影響，發現增加水泥劑量可以能夠提高水泥穩定礫石的無側限抗壓強度，劈裂強度和抗折強度，但易引起開裂[3]；周新鋒研究了水泥穩定碎石混合料集料級配設計方法，發現骨架密實型級配水泥穩定碎石路用性能優于懸浮密實結構[4]；蔣應軍研究了成型方式及級配類型對水泥穩定碎石的強度特性影響，結果表明VCM成型試件強度與現場芯樣更吻合，骨架密實型水泥穩定碎石具有較好的力學性能和抗裂性[5-6]；李明杰通過室內試驗研究了水泥穩定碎石的強度因素及規律，結果發現VCM試驗結果更具有代表性，水泥劑量對初期強度影響不明顯，成型方法對強度影響較大[7]；李德文研究了水泥穩定碎石強度控制指標及標準，提出以劈裂強度作為水泥穩定碎石強度控制指標，對提高水泥穩定碎石基層的耐久性具有重要的現實意義[8]。

上述研究成果無疑對本項目研究具有重要的借鑒意義，但是目前針對水泥穩定破碎礫石的研究較少，且多數用重型擊實法和靜壓法成型試件，與現場相關性較差，不能準確反映材料實際性能。基于此，研究以S330駐馬店市驛城區至焦桐高速段改建項目為依托工程，比較了不同成型方法下試件力學強度與現場芯樣的相關性，評價了VCM可靠性；研究了級配、水泥劑量、齡期及壓實度對水泥穩定破碎礫石力學強度的影響規律，可為基層設計和施工提供參考。

1 原材料及礦料級配

1.1 原材料

水泥使用河南省駐馬店市確山同力產P.O42.5水泥，技術指標略。

集料使用河南省泌陽縣生產的破碎礫石，包括19～37.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、石屑4種粒徑級，技術指標略。

1.2 礦料級配

礦料級配采用骨架密實型和懸浮密實型水泥穩定碎石集料級配范圍中值，具體參數見表1。

表1 礦料級配

2 垂直振動試驗方法及評價

2.1 垂直振動試驗方法

垂直振動壓實儀(VVTE)參數配置[9-10]如下：振動頻率為30 Hz±2 Hz，激振力為7.6 kN±0.2 kN，名義振幅為1.4 mm±0.2 mm，工作重量為3.0 kN±0.4 kN，上車系統重量為1.2 kN±0.2 kN，下車系統重量為1.8 kN±0.2 kN。

確定水泥穩定破碎礫石最佳含水率與最大干密度振動時間為100 s。成型水泥穩定碎礫石圓柱體試件振動時間為90 s。

2.2 垂直振動法可靠性評價

不同成型方法下試件的力學強度與現場芯樣的相關性見表2～3，試驗用水泥劑量為4.0%。其中，Rc(Gn)、Rc(Xn)、Rc(x)分別為VCM、靜壓法及現場取芯試件的抗壓強度，Ri(Gn)、Ri(Xn)、Ri(x)分別為VCM、靜壓法及現場取芯試件劈裂強度。

表2 VVTM、靜壓法成型試件與現場芯樣抗壓強度

表3 VVTM、靜壓法成型試件與現場芯樣劈裂強度

由表2、3可知，在不同齡期下，VVTM及靜壓法試件力學強度與試驗段芯樣相關性分別約為92%、45%，這證明了VVTM的可靠性。

3 水泥穩定礫石力學特性

3.1 力學強度增長方程

假定水泥穩定礫石存在強度增長方程[11-12]，則方程應滿足下列3個邊界條件：T=0時，RT=R0；T=∞時，RT=R∞；且R0

根據上述邊界條件，并經過分析，建立力學強度增長方程

R=R

(1)

式中：T為養生齡期(d)；R0為養生0 d的強度(MPa)；R∞為極限強度(MPa)；R為養生Td的強度(MPa)；α為回歸系數。

3.2 力學強度試驗結果及分析

3.2.1 最大干密度與最佳含水率

基于振動壓實試驗法水泥穩定破碎礫石的最佳含水量和最大干密度見表4。試驗測試水泥穩定破碎礫石的無側限抗壓強度及劈裂強度，級配類型見表1。

3.2.2 無側限抗壓強度

水泥穩定破碎礫石抗壓強度的試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，在養生初期，水泥穩定破碎礫石抗壓強度近線性增加，當養生齡期超過14 d，抗壓強度增長速率開始降低，90 d后強度基本無變化，可回歸為一條水平漸進線，即近乎達到極限抗壓強度。

表4 水泥穩定破碎礫石最佳含水量和最大干密度

圖1 水泥穩定碎礫石抗壓強度增長曲線

通過數學回歸方法得到抗壓強度增長方程見式(2)，方程參數見表5。該方程可準確地預估不同齡期的水泥穩定破碎礫石無側限抗壓強度。

(2)

式中：Rc為養生Td的強度(MPa)；Rc0為養生0 d的無側限抗壓強度(MPa)；Rc∞為極限抗壓強度(MPa)；α為回歸系數，取0.09。

表5 水泥穩定破碎礫石無側限抗壓強度增長方程參數

3.2.3 劈裂強度

水泥穩定破碎礫石劈裂強度的試驗結果如圖2所示。

圖2 水泥穩定碎礫石劈裂強度增長曲線

由圖2可知，在養生初期，水泥穩定破碎礫石劈裂強度近線性增加，當養生齡期超過14 d，劈裂強度增長速率開始降低，90 d后強度變化較小，可回歸為一條水平漸進線，即近乎達到極限劈裂強度。

水泥穩定破碎礫石成型初期(齡期為0 d)水泥尚未完成初凝，基本不具備抵抗間接拉伸破壞的能力，近似認為0 d的劈裂強度為零，由此建立水泥穩定破碎礫石劈裂強度的增長方程如式(3)，方程參數見表6。該方程可準確地預估不同齡期水泥穩定破碎礫石劈裂強度[13]。

(3)

式中：Rs為養生Td后的劈裂強度(MPa)；Rs∞為養生無數d后的劈裂強度，即極限劈裂強度(MPa)；β為回歸參數，取0.105。

表6 水泥穩定破碎礫石劈裂強度增長方程參數

3.3 力學強度影響因素

3.3.1 級配類型

不同級配下水泥穩定破碎礫石抗壓及劈裂強度見表7～8。

表7 級配類型對水泥穩定破碎礫石抗壓強度的影響

由表7、8可知，GM和XM兩種級配的無側限抗壓強度比α、劈裂強度比r分別在1.05～1.22及1.03～1.12內，表明采用GM級配可提高力學強度。

表8 兩種級配成型試件劈裂強度之比

3.3.2 水泥劑量

不同水泥劑量下水泥穩定破碎礫石的抗壓及劈裂強度如圖3、4所示。

圖3 水泥劑量對水泥穩定碎礫石抗壓強度影響

圖4 水泥劑量對水泥穩定碎礫石劈裂強度影響

由圖3、4可知，水泥穩定破碎礫石的力學性能隨著水泥劑量的提高而增大，兩者近似呈線性關系。水泥劑量超過4%時，力學強度增長速率降低。表明水泥劑量超過4%后，增加水泥劑量對于水泥穩定破碎礫石力學強度的提升效果已經不明顯了。

3.3.3 養生齡期

不同養生齡期下的水泥穩定破碎礫石抗壓及劈裂強度見表9、10。水泥穩定破碎礫石的極限抗壓強度、劈裂強度根據強度增長方程計算。

表9 不同養生齡期下水泥穩定破碎礫石抗壓強度

表10 不同養生齡期下水泥穩定破碎礫石劈裂強度

由表9、10可知，當養生齡期為7、14、28、60 d時，水泥穩定破碎礫石的抗壓強度為極限抗壓強度的49%、60%、70%、80%左右，劈裂強度為極限劈裂強度的43%、54%、63%、72%左右。說明強度在28 d前形成較快，因此水泥穩定破碎礫石基層或底基層施工碾壓成型后，要注意前期的養生條件。

3.3.4 壓實度

不同壓實度下水泥穩定破碎礫石抗壓及劈裂強度見表11、12。

表11 不同壓實度下水泥穩定破碎礫石抗壓強度

表12 不同壓實度水泥穩定破碎礫石劈裂強度

由表11、12可以看出，隨壓實度增加，水泥穩定破碎礫石抗壓強度及劈裂強度逐漸提高。壓實度每增加1%，力學性能可提升10%左右。這表明在現場施工時，充分碾壓的重要性。

4 結 語

(1)對比了不同設計方法下成型試件的力學強度與現場芯樣的相關性。結果表明，VVTM及靜壓法成型試件的力學強度與試驗段現場芯樣相關性分別約為92%、45%，證明了水泥穩定破碎礫石VVTM的可靠性。

(2)研究了VVTM法成型的水泥穩定破碎礫石試件力學強度增長規律，提出了抗壓強度與劈裂強度預估方程。

(3)研究了級配類型對水泥穩定破碎礫石力學性能影響規律。結果表明，與懸浮密實結構相比，骨架密實型水泥穩定破碎礫石抗壓強度、劈裂強度平均可提高15%、10%。

(4)研究了水泥劑量對水泥穩定破碎礫石力學強度影響規律。結果表明，當水泥劑量超過4%之后，水泥劑量對于水泥穩定破碎礫石力學性能的提升逐漸降低。

(5)研究了養生齡期對水泥穩定破碎礫石力學強度影響規律。結果表明，水泥穩定破碎礫石的力學強度主要在前28 d形成。

(6)研究了壓實度對水泥穩定破碎礫石力學強度的影響規律，結果表明：水泥穩定破碎礫石力學強度隨壓實度的增加而增大，壓實度每提高1%，力學強度可增加10%左右。