振動成型法設計水泥穩定碎石在城市道路工程中的應用研究

李生隆

（鄭州市市政工程勘測設計研究院，河南 鄭州450000）

0 引 言

水泥穩定碎石基層瀝青路面是我國城市道路主要的路面結構形式。水泥穩定碎石基層是城市道路中應用最廣泛的基層類型。如何減少水泥穩定碎石基層開裂是長期以來工程界普遍關注的課題，所沿用的傳統試驗方法是：先采用土工擊實儀，重型擊實水泥穩定碎石混合料，測定其最佳含水率和最大干密度；然后采用靜壓法成型標準試件，測定試件的力學性能。但工程實踐表明，采用靜壓法這一傳統試驗方法不能反映實際施工中材料的真實性能。因此，科研機構提出了能夠模擬實際施工中材料真實性能的振動成型法。

振動成型法采用振動壓實成型機來振動擊實無機結合料穩定材料，然后測定其最佳含水率、最大干密度；制備成型標準圓柱體試件，測定其無側限抗壓強度等力學性能。

長安大學最先開始研究水泥穩定碎石振動成型法及其應用，并研制了能夠模擬振動壓路機工作原理的振動壓實成型設備[1-2]。天津市市政工程研究院比較了水泥穩定碎石混合料靜壓法與振動成型法的優劣[3]，結果表明：在同一強度標準條件下，采用振動成型法設計的混合料水泥劑量比傳統靜壓法確定的水泥劑量??；振動成型法設計的半剛性基層材料物理力學性能明顯優于傳統靜壓法設計的半剛性基層材料。

1 工程概況

鄭州航空港經濟綜合實驗區位于鄭州市主城區東南的城市新區，區域內道路大部分均為新建城市道路，施工條件較好，因此該區域內道路均采用振動成型法設計水泥穩定碎石基層。以區域內某條次干路為例，道路規劃紅線40 m，規劃標準橫斷面布置形式為：3.5 m（人行道）+1.5 m（邊綠化帶）+13.5 m（車行道）+3.0 m（中央綠化帶）+13.5 m（車行道）+1.5 m（邊綠化帶）+3.5 m（人行道）=40 m（見圖1）。

圖1 道路標準橫斷面圖（單位：m）

工程設計車行道瀝青路面總厚度為64 cm，分別為：厚4 cm細粒式改性瀝青混凝土（AC-13C）、厚6 cm中粒式改性瀝青混凝土（AC-20C）、厚36 cm水泥穩定碎石（分2層攤鋪施工）和厚18 cm水泥石灰綜合穩定土。水泥穩定碎石基層采用振動成型法進行設計與施工。

為研究振動成型法在城市道路工程中的應用效果，探討振動成型法與傳統靜壓法的差別，本次研究的主要內容如下：

（1）分析傳統靜壓法與振動成型法的特點。

（2）分別采用振動成型法與傳統靜壓法確定混合料最佳含水率及最大干密度，制備相同配合比試件，比較兩者的力學性能。

（3）通過對比振動成型法設計指導的實際工程效果與傳統靜壓法試驗效果，檢驗振動成型法能否滿足指導控制施工的要求。

2 振動成型法

2.1 傳統試驗方法存在問題

傳統靜壓法中，壓實材料時采用的是擊實錘錘擊，然后用壓力試驗機施加靜壓力來制備試件。

由于壓實工藝與設備不斷進步，目前城市道路工程基層施工中普遍采用振動碾壓施工工藝，振動壓路機的激振力遠大于上世紀90年代以前的壓實設備[1]。在當前主流道路施工壓實設備條件下，施工現場經過振動壓路機的簡單碾壓就能達到用靜壓法確定的最大干密度，壓實度超過100%的情況普遍發生，此時水泥穩定碎石基層芯樣的強度遠高于靜壓法成型試件的強度。有些路面基層的壓實度雖然達到了《城鎮道路路面設計規范》（CJJ 169—2012）中規定的要求，但通車使用不久瀝青路面就普遍出現密集的反射裂縫。這就造成了靜壓法成型試件方式與目前實際工程中振動碾壓工況不相符[1]，難以有效指導施工實踐。

2.2 振動壓實成型機與振動成型法

振動壓路機的工作原理：在振動碾壓作業過程中，由壓路機內部振動裝置產生激振力，在激振力作用下，一系列振動壓力波傳遞到被壓材料中；在振動壓力波的作用下，被壓材料顆粒間的內摩阻力得以降低，被壓材料中的粗顆粒骨料產生位移，材料結構進行重排布，且混合料顆粒之間的空氣得以快速排出，從而使材料得到壓實。

模擬振動壓路機工作原理和構造特點的振動壓實成型機見圖2。振動壓實成型機能夠較好地模擬振動壓路機的實際壓實過程和壓實效果，其可靠性得到了一些科研機構的驗證[2]。

圖2 振動壓實成型機示意圖

振動成型法分為2步：（1）在設定工作頻率、振動配重和振動時間等參數條件下，采用振動壓實成型機在激振力作用下振動壓實材料，測試其最佳含水率、最大干密度；（2）用壓實材料制備標準圓柱體試件，測定試件的無側限抗壓強度。

3 原材料與試驗方案

3.1 原材料

水泥為鄭州天瑞牌P·O42.5水泥，其技術指標見表1。

表1 P·O42.5水泥技術指標

集料為禹州石料廠的石灰巖碎石，粗集料、細集料技術指標見表2、表3。其中1#~4#集料粒徑規格分別為19～31.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、0～4.75 mm。

表2 粗集料技術指標

表3 細集料技術指標

3.2 礦料級配

試驗所用水泥穩定碎石級配采用《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）中水泥穩定級配碎石或礫石中的C-B-3中值級配，見表4。

表4 水泥穩定碎石級配組成（通過各篩孔的質量分數） 單位：%

3.3 試驗方案

試驗所用水泥穩定碎石混合料水泥劑量擬采用3.0%、4.0%和5.0%。分別采用振動成型法和傳統靜壓法確定水泥穩定碎石混合料最佳含水率和最大干密度，并制備標準圓柱體試件，在標準條件下養護至一定齡期，測定兩者的無側限抗壓強度。

4 試驗結果及分析

4.1 傳統靜壓法和振動成型法確定的混合料物理性能

采用上述2種試驗方法確定水泥穩定碎石混合料的最佳含水率和最大干密度，如表5所示。

表5 2種試驗方法確定的混合料最佳含水率和最大干密度

由表5可知：振動成型法所確定的混合料最佳含水率較傳統靜壓法確定的混合料最佳含水率低16%~22%；振動成型法確定的混合料最大干密度較傳統靜壓法確定的混合料最大干密度平均提高約2%，即振動擊實標準比重型擊實標準提高了約2%。

4.2 傳統靜壓法和振動成型法成型試件的力學性能

分別采用振動成型法和傳統靜壓法制備試件。按規范規定的98%壓實度制備直徑15 cm，高15 cm圓柱體試件，按照試驗規程將試件標準養生至不同齡期，供力學性能測試使用。測得試件的無側限抗壓強度，見表6、表7。

表6 振動成型法制備試件的無側限抗壓強度

表7 傳統靜壓法制備試件的無側限抗壓強度

由表6、表7可知，振動成型法制備試件的7 d無側限抗壓強度較傳統靜壓法制備試件高79%~97%。

從壓碎試件破裂面來看，振動成型法成型試件結構密實，粗集料分布均勻、嵌擠緊密，形成了較好的類SMA嵌擠結構，試件整體性好；傳統靜壓法成型試件結構較為松散，內部存在一定空隙，粗集料分布不均、未形成較強的嵌擠結構。這是由于2種試驗方法壓實機理不同所致。

4.3 振動成型法工程應用效果分析

鄭州航空港經濟綜合實驗區某次干路，設計車行道路面結構基層水泥穩定碎石采用振動成型法設計施工，項目實際施工配合比采用《公路路面基層施工技術細則》中水泥穩定級配碎石或礫石中的C-B-3級配，水泥劑量采用4%，最佳含水率和最大干密度均由振動成型法確定。現場用灌砂法測試混合料壓實度和實際施工干密度，經與室內振動成型法確定的最大干密度對比，兩者較為吻合?，F場經過5~6遍碾壓后，混合料實際干密度與其最大干密度的0.98倍較為接近，現場取芯后測定的芯樣無側限抗壓強度與振動成型法成型試件的無側限抗壓強度較為接近，這充分說明振動成型法能夠較好地模擬現場施工工況。工程建成通車1 a后，除施工橫縫外，路面未見橫向反射裂縫，說明基層抗裂性能有較大提升。

5 結 語

（1）與傳統靜壓法相比，相同礦料級配、相同水泥劑量條件下，振動成型法確定的水泥穩定碎石混合料最佳含水率更低、最大干密度更大，這就要求現場施工管理采用更為嚴格、科學的碾壓工藝才能達到規范要求的壓實度，便于施工質量的提高。

（2）與傳統靜壓法相比，相同條件下振動成型法制備的水泥穩定碎石混合料試件無側限抗壓強度更高，制備成型材料內部更密實，而骨架密實級配的混合料更易形成類SMA結構；在相同車輛荷載作用下，路面基層疲勞壽命更長。

（3）振動成型法能夠較好地模擬現場施工工況，與實際施工壓實效果較為吻合，便于指導現場施工。

（4）在同一強度標準條件下，采用振動成型法設計的水泥穩定碎石混合料水泥劑量更低，工程水泥用量減少，節省工程投資，比較符合節能環保要求。