水泥穩定碎石基層材料設計試驗教學改革

王 龍,解曉光

(哈爾濱工業大學交通科學與工程學院,黑龍江 哈爾濱 150090)

半剛性基層配合比設計試驗是路面工程的一門輔助課程,是道路與軌道工程專業本科生必修的一門專業實驗課,學時為2周。該課程要求學生參照相關規范的技術要求,通過試驗完成一定設計強度要求的水泥穩定碎石基層材料的配合比設計,根據教師提供的基礎資料,在遵從規范要求的前提下進行相關試驗、分析試驗數據、得出結論、編寫配合比設計說明書。通過該課程,使學生掌握道路半剛性基層材料的配合比設計方法、技術要求和主導設備的使用方法。相對生產實際,規范具有一定的滯后性,需要在“遵從”規范方法的基礎上,結合實際生產技術的采用狀況開展實驗教學工作,化解學生心中室內試驗與施工現場生產實際不一致的矛盾,培養具有“遵從規范”精神和“創新生產”精神的學生。

一、傳統課程試驗內容

傳統的試驗安排主要包括4項內容,分別為原材料檢測與評價、級配設計、壓實標準的確定和無側限抗壓強度試驗。

(一)原材料檢測與評價

參照《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)規定的試驗方法進行,其主要試驗目的是對水泥穩定碎石基層所用集料性能進行評價,判斷其是否滿足工程技術要求,并給出明確的結論,包括集料篩分、密度、壓碎值和針片狀等10項內容。

(二)級配設計

該項目主要根據各檔集料的篩分試驗結果和《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中高速公路水泥穩定碎石基層的級配C-B-1要求,確定各檔集料的用量,組合成滿足技術要求的級配。

(三)壓實標準的確定

根據級配設計的結果,添加不同水泥劑量(一般3～5種),采用重型擊實法確定不同水泥劑量下水泥穩定碎石材料的最大干密度和最佳含水量。該內容涉及《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)中的2個試驗,分別為無機結合料穩定材料擊實試驗方法(T 0804—1994)和含水量試驗方法(烘干法)(T 0801—2009)。

(四)無側限抗壓強度試驗

該試驗采用已確定的壓實標準(和),在要求的壓實度下(=98%)成型無側限抗壓強度試件,養生7 d后,進行抗壓強度試驗,根據強度判斷原則和經濟原則,確定最佳水泥劑量。該內容涉及試件制作、試件養生和抗壓強度3個試驗。

二、存在的問題與課程目標調整

半剛性基層配合比設計試驗課程設置的目的是讓學生不但掌握水泥穩定碎石基層材料試驗方法,還要有結合實際情況分析解決問題的能力。

(一)傳統試驗課安排存在的問題

1.重試驗操作,輕結合實際情況的分析

道路工程材料特別是水泥穩定碎石基層材料,具有環境敏感性和荷載敏感性,在應用過程中必須結合二者進行系統分析、應用。

道路工程的服務對象是車輛荷載,現行《公路瀝青路面設計規范》把交通荷載分成5個等級,并根據道路基層材料對荷載的敏感性和擴散荷載的能力,推薦了不同基層類型的使用條件和材料設計指標范圍,結合具體道路的荷載等級,選用技術可行、經濟合理的設計指標。道路工程材料的耐久性受道路所在地區的地形、地質、溫度和降雨條件影響,因此,道路工程界結合影響公路工程使用性能的自然因素,提出公路自然區劃,共3個一級區劃和52個二級區劃,針對不同的區劃,水泥穩定碎石基層材料的耐久性設計指標不同。

因此,道路基層材料配合比的設計,不僅是試驗方法、試驗操作的掌握和簡單給出材料的配合比例,更是指標的分析、數據的分析及其選用標準的掌握,更應包括耐久性分析、評價與預測。

2.試驗方法與工程實際脫節

在半剛性材料大規模使用過程中,其試驗方法、設計方法、設計指標和設計標準仍存在諸多不足,包括室內試驗方法與實際生產方式不同,設計指標單一,設計方法不完善等。其中,最佳含水率和最大干密度的確定經歷了輕型擊實到重型擊實的發展過程,在一定程度上可以模擬靜載壓路機對基層材料的壓實作用,但無法模擬實際基層鋪裝過程中振動壓路機碾壓的實際工況,因此,需要對試驗課程中的壓實標準試驗進行改革,突破規范的限制,采用振動壓成型設備,確定最佳壓實參數,實現室內外壓實方式的協調統一。

《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)規定,水泥穩定碎石基層材料的水泥用量(質量比)一般為3%～6%,最多不宜超過7%,也就是說集料用量為93%～97%,如此少的水泥用量如何均勻裹覆在集料上是拌合工藝需要解決的問題。為解決水泥均勻分布問題,振動拌合方式已大規模應用于工程實踐,取得了很好的效果,但由于室內小型拌合設備的缺失,配合比設計中水泥穩定碎石混合料的拌合方式仍采用手工拌合,很難保證水泥在集料中均勻分布,導致強度變異系數增加、設計水泥劑量偏高等問題,室內試驗結果無法科學指導現場施工。

3.功能性評價試驗缺失

水泥穩定碎石基層設計的強度或彈性模量僅體現了交通荷載對道路材料力學性能的要求,但設計壽命為15～20年的高等級公路,長期處于自然環境中,除交通荷載的作用,溫度、濕度的周期性變化對材料功能性指標的影響巨大,水泥穩定碎石功能指標一般情況下包括抗收縮性能、抗凍性能和抗沖刷性能,分別體現了材料的溫度敏感性和濕度(水)敏感性,但在傳統配合比設計中,只體現了強度指標,沒有功能性指標的驗證試驗和技術要求。

(二)課程目標調整

材料設計不僅是力學指標的要求,更是功能性指標的體現,為調整傳統試驗課程存在的問題,實現室內試驗方法與現場生產工藝相協調,提高學生分析問題和解決問題的能力,對課程目標進行調整。

1.傳統的課程目標

課程教學目標為:通過相關試驗,使學生掌握規范對半剛性基層原材料和設計強度的要求,能組織技術人員開展半剛性基層配合比設計工作,了解試驗組織和工作程序,熟練掌握半剛性基層配合比試驗主導設備的使用方法,熟練掌握試驗數據處理、判別的方法和半剛性基層配合報告的撰寫。

2.調整的課程目標

傳統的課程目標是“了解”和“掌握”,調整后的課程目標主要是提高學生分析問題和解決問題的能力,因此,傳統的目標依然保留,新增以下課程目標:

1)新增文獻調研與分析目標,調研水泥穩定碎石配合比設計發展動態和水泥穩定碎石實際施工工藝發展狀況,并撰寫文獻分析報告。

2)應用振動成型和振動拌合設備,使學生按組完成傳統模式和振動模式下的配合比設計,并對比分析其差別及產生的原因。

3)增設功能性指標試驗項目,對配合比試驗結果進行功能性驗證。

三、基于新課程目標的試驗設備研發

基于新的課程目標,需要自行開發的試驗設備包括振動拌合設備、振動壓實設備和抗沖刷試驗設備,并通過試驗確定試驗參數。

(一)振動拌合設備開發與最佳振動拌合參數

開發的水泥穩定碎石基層材料室內振動拌合設備,在拌合鍋體內部安裝4臺振動電機,電機帶動上方葉片攪拌的同時,振動電機帶動整個鍋體振動對混合料振動攪拌,使物料顆粒具有一定振動頻率下的振幅后處于顫振狀態,從而破壞混合料間的黏性連接,便于物料中的水泥顆粒從結團狀態變為均勻分布狀態,使粗細集料、水和水泥分布均勻。

最佳參數試驗選取了5組頻率作為儀器的可變參數,分別為40 Hz、50 Hz、60 Hz、70 Hz和80 Hz,振動時間選取1 min、3min和5 min,水泥穩定碎石材料級配的級配類型選取《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中推薦的C-B-1級配。基于拌合工藝對密度和強度的影響,確定振動拌合頻率為70 Hz,拌合時間為3 min。

(二)振動成型設備開發與最佳振動成型參數

無機結合料振動成型因其對集料的作用模式與施工現場振動碾壓具有一致性,雖沒有被列入配合比設計的強制條款,但在實際的公路建設中仍被廣泛應用,其主要研究成果為對比分析水泥穩定礫石材料振動壓實與重型擊實之間的關系,并闡述了振動成型的優越性。產生振動的原理是轉動電機通過皮帶的作用帶動兩個偏心塊轉動,兩個偏心塊在轉動過程中,水平力相互抵消,豎直方向上的力帶動下方的振動質和壓頭上下運動,從而實現對壓頭下材料的振動壓實效果。

頻率、振幅和振動力是影響振動效果的重要因素,通過對振動壓路機振動力的調研,并通過大量室內振動壓實與擊實成型得到的物理指標和力學指標的對比,得出振動最佳參數如表1所示。

表1 標準振動壓實參數

(三)抗沖刷試驗設備開發與最佳試驗參數

研制的半剛性基層抗沖刷試驗儀器,在直徑1 m、高0.5 m的沖刷桶內,放入6個標準無側限抗壓強度試件,注入固定高度的清水,通過電機帶動葉片旋轉,旋轉葉片帶動水流產生沖刷力,模擬流動水對基層材料的沖刷作用,以沖刷前后6個質量損失率的平均值為抗沖刷性能的評價指標,如式(1)所示。

式中:為質量損失率,%;為試件沖刷前表干重,g;為試件沖刷后表干重,g。

影響沖刷效果的參數有3個,分別為沖刷頻率、浸水高度和沖刷時間,采用規范要求的級配,通過不同參數組合,以質量損失率為指標,確定最佳沖刷試驗參數,如表2所示。

表2 沖刷設備的最佳試驗參數

應用Fluent有限元軟件,采用滑動網格方法模擬試件在10 Hz、20 Hz和30 Hz沖刷頻率作用下,試件表面受動水沖刷力的大小(圖1)。從圖中可以看出,試件表面在動水沖刷作用下壓力和拉力同時存在,當沖刷頻率為30 Hz時,沖刷應力為50 kPa左右。在車輛荷載下對瀝青路面進行孔隙水壓力模擬,在標準軸載以不同速度行駛時基層頂面孔隙水壓力約為50 kPa,該設備適合模擬車輛荷載作用下動水壓力對基層材料的沖刷作用。

圖1 數值模擬網格劃分與沖刷受力圖

四、基于新課程目標的配合比設計試驗

水泥穩定碎石配合比試驗根據學生人數分為A、B、C 3組,A組為振動拌合+振動壓實標準+振動成型模式,B組為振動拌合+重型擊實標準+靜壓成型模式,C組為人工拌合+重型擊實標準+靜壓成型模式。A組的試驗模式完全與工地實際生產相符,C組為規范規定的試驗模式,B組代表工地試驗室的試驗模式,每組按水泥劑量的不同又分為3個小組,每個小組的水泥劑量分別為3.5%、4.5%和5.5%,每小組成型9個試件,壓實度要求為98%,水泥穩定碎石基層設計強度為4.0 MPa,表3為試驗分組結果匯總。

表3 基于新課程目標的各組試驗結果匯總

每組獨立完成試驗并撰寫配合比試驗與設計報告,3組數據共享,綜合分析試驗數據,繪制物理指標、力學指標和功能性指標對比圖,闡述數據差別的原因,提高學生分析問題的能力。

(一)不同試驗組物理指標的對比與分析

指導學生對比分析3組的物理指標,繪制水泥劑量與最佳含水量和最大干密度的關系曲線圖,如圖2所示。

圖2 3種配合比設計方法物理指標與水泥劑量關系曲線的對比

在指導學生分析物理指標的差別前,先引導學生理解“最佳含水量”的物理意義:一是被壓實土體,只有在最佳含水量下才能被壓得密實;二是只有在最佳含水量下被壓實的土體,其水穩定性才最好,即土體飽水后,其強度下降幅度最小;三是針對同一種被壓實材料(本次試驗),最佳含水量越小,其壓實功越大。通過對最佳含水量物理意義的理解,學生分析出3條規律:

1)A組的最佳含水量最小,說明A組的壓實功最大,B和C的最佳含水量相近,說明B、C組的壓實功基本相當(都是擊實法),即振動壓實工藝的壓實能力優于重型擊實法。

2)A組的最大干密度最大,B、C組基本相當,驗證了A組采用的壓實方法的壓實功強。

3)采用A組方法確定的最大干密度控制施工,壓實度大,基層施工質量提高,但修筑相同幾何尺寸的基層,所用的材料要增加,因為A組的密度比其他組平均提高0.02 g/cm。

啟發引導學生提煉概括性的結論:

振動拌合不影響水泥穩定碎石的物理指標,振動成型對其物理指標的影響較大。

通過以上分析,學生可了解室內試驗數據的差異對實際施工產生的影響,認識到室內試驗的重要性。

(二)不同試驗組力學指標的對比與分析

學生根據抗壓強度數據,繪制各組抗壓強度均值、抗壓強度代表值與水泥劑量的關系如圖3所示,可以看出,相同的材料由于工藝不同,其抗壓強度有很大的區別,采用振動拌合的B組比對照組C組抗壓強度平均提高0.8 MPa,而比采用振動拌合+振動成型的A組,則平均提高2 MPa。試驗設計強度為4.0 MPa,結合抗壓強度代表值與水泥劑量的關系,可以得出A、B、C組滿足強度要求的水泥劑量分別為3.2%、4.0%和4.5%。

圖3 3種配合比設計方法力學指標與水泥劑量關系曲線的對比

通過查閱文獻和指導教師的啟發,層層引申:

1)對于主要由碎石材料組成的水泥穩定碎石基層,采用A組以振動為主導工藝的材料設計方法能提高材料的性能,發揮材料的潛在特性,材料和工藝具有匹配性。

2)A組滿足強度要求的水泥劑量為3.2%,而傳統方法的C組為4.5%,說明采用振動為主的材料設計方法可以節約1.3%的水泥劑量,可節約成本。

3)采用工藝措施是提高材料潛在性能最有效和最經濟的方法。

式中:△為試件平均高度與標準高度的差值,cm;為試件單次量測高度,cm。

圖4(b)為不同組別的△對比,A組最小,為0.12 cm,B組為0.17 cm,而 C組最大,為0.33 cm,C組為A組的2.8倍。△越大,試件與標準尺寸差別越大,試件越不標準,其強度不僅愈小,而且變異性也會增加。這說明A組的試件成型方法能控制試件高度,最終導致強度偏差系數較小,而傳統靜壓成型的C組,對于試件高度的控制較差(靜壓成型試件時,試件會反彈,高度會增加),導致偏大,進而強度代表值降低。

圖4 3種配合比設計方法均勻性指標與水泥劑量關系曲線的對比

通過以上分析,學生不僅明確了不同試驗方法強度絕對值大小和變異系數不同的根本原因,而且認識到工藝的重要性、配合比設計的本質和在試驗過程中必須特別關注的細節,更重要的是培養了學生基于試驗數據的邏輯推理能力。

(三)不同試驗組功能性指標的對比與分析

課程目標調整后,學生的分析問題能力有所提高,但學生對基層材料的功能性還缺乏了解,對功能性指標理解的缺失直接影響半剛性基層材料結合氣候特征的正確選型。在完成配合比試驗后,組織學生應用自行開發的抗沖刷設備,采用C組工藝,選用成型水泥劑量分別為3.5%、4.5%和5.5%的試件,養生7 d,在教師的指導下進行抗沖刷試驗,表4為試驗結果。

表4 C組工藝下水泥穩定碎石材料抗沖刷試驗結果

分別繪制水泥劑量與沖刷質量損失和強度損失的關系曲線,如圖5所示。可以看出,隨水泥劑量的增加,沖刷質量損失和強度損失均下降,其原因在于水泥劑量提高,水泥穩定碎石基層的抗壓強度在提高,高強度的試件具有較低的水敏感性,抗沖刷能力增強。結合室內試驗結果提出高等公路水泥穩定碎石基層的抗沖刷質量損失不超過1%的要求。根據此要求,采用C組材料設計方法滿足抗沖刷時的最低水泥劑量不小于4.5%的要求,通過抗壓強度代表值確定C組滿足強度要求的水泥劑量為4.5%,如圖5(a)所示,因此,基于力學指標和抗沖刷指標,C組設計4.5%是合理的。

圖5 水泥劑量與沖刷質量損失和強度損失的關系曲線(C組)

學生拍攝了3種水泥劑量試件完成沖刷試驗后的表面狀態照片,如圖6所示。可以看出,隨水泥劑量的提高,試件的沖刷破壞面逐漸減小,“脫粒”現象也逐步減輕。通過試件沖刷破壞的表面形態與圖1有限元分析中試件所受沖刷力的位置對比,說明理論分析結論與實際試驗結果具有一致性。沖刷試驗的開展,使學生明確以下兩點:

圖6 不同水泥劑量下試件沖刷破壞情況

1)配合比設計不僅要滿足強度需求,同時要兼顧功能需要;

2)數值模擬的結果可以通過試驗進行驗證。

五、結語

(1)分析了傳統半剛性基層配合比設計試驗存在的問題,基于生產實際與室內試驗相協調的原則,調整課程目標,并增加了功能性指標試驗。

(2)根據課程的新目標,開發了振動拌合、振動成型和抗沖刷設備,提出了標準試驗參數,為開展半剛性基層配合比試驗課程教學提供設備基礎。

(3)引導學生對3組不同試驗方法數據深入分析,使學生理解室內試驗數據對施工的指導作用,提高對室內試驗準確性的認知,學會概括性總結。

(4)基于新目標的半剛性基層配合比設計試驗課程,不但培養了學生的動手能力,還提高了學生挖掘試驗結果邏輯關系和解釋試驗數據現象的能力。