振動擊實方法在水泥穩定級配碎石施工控制中的應用

陳曉明 CHEN Xiao-ming；謝帥 XIE Shuai；張永剛 ZHANG Yong-gang；蘇天熠 SU Tian-yi；王顯赫 WANG Xian-he

（①中信建設有限責任公司，北京 100027；②中路交建（北京）工程材料技術有限公司，北京 100088）

0 引言

云南省公路工程項目瀝青路面基層多采用水泥穩定級配碎石。由于云南省石灰巖分布廣泛，水泥穩定級配碎石的筑路材料來源廣泛，且水泥價格近年來一直處于較為合理水平，因此云南省水泥穩定級配碎石的實際施工和應用效果都較以往取得了較大的進步。振動擊實方法相較于重型擊實方法，因其能更好反映碎石級配對骨架結構的影響，并且不會產生重型擊實而導致集料壓碎，級配發生改變的情況，因此其配合比設計結構能夠更真實反應振動壓實下級配碎石材料的成型工藝。因此振動擊實方法在實際工程項目上越來越被工程技術人員接受，也為保證工程質量起到了積極作用[1]。然而在實際使用過程中，由于振動擊實所采用的振動頻率與壓路機實際的振動壓實頻率存在一定的差異，因此振動擊實方法確定的配合比需要根據實際施工的情況進行一定的調整，才能應用于實際工程技術指導。本文按照行業規范《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）推薦的級配，進行混合料的配合比設計，并結合振動與擊實成型兩種試驗方法的對比以及所確定的最大干密度和最佳含水量在實際工程項目水泥穩定級配碎石拌和與壓實當中應用效果，明確了振動擊實試驗方法的有效性。振動擊實試驗方法進行的配合比設計可降低水泥劑量，并提出了使用振動擊實方法進行水泥穩定級配碎石施工質量控制的若干建議。

1 原材料

本項目使用昆明水泥股份有限公司生產的P·O42.5水泥，水泥的技術指標如表1 所示。集料為云南地產石灰巖集料。集料的各項技術指標見表2。

表2 集料技術指標

根據交通運輸部頒布的《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）[2]，目前對水泥穩定級配碎石的材料設計不過分強調要形成“骨架密實”結構。水泥穩定級配碎石材料的強度本身主要來自于碎石本身的嵌擠作用、材料自身的密實性和水泥的膠結作用。其材料強度形成機理和瀝青混合料有著較大的差異，通過研究發現，4.75mm 通過率在35%～40%之間時，材料的最大干密度達到最大，最佳含水率最小，且7d 的無側限抗壓強度最大。因此控制混合料當中的粗集料（4.75mm 以上的碎石含量）在55%～65%之間時，混合料具有最佳的力學性能。因此本文研究分別選擇規范當中的C-B-1 型與C-B-2 型兩種級配來控制合成級配，合成級配情況如表3 所示。

表3 級配要求與合成級配情況

從表3 中可以看出，合成級配呈S 型曲線，16mm 以上部分靠近級配的下限，即骨架偏粗，而0.3～0.075mm 接近了控制級配要求的上限，細集料能具有較好的填充效果，因此有效保證了結構的填充效果，盡量發揮材料的自身強度。

2 擊實方法與試驗結果

對于同一種材料分別采用振動擊實與重型擊實兩種方法來確定水泥穩定級配碎石的最大干密度與最佳含水量。其中，重型擊實方法做為標準參照，以保證振動擊實方法的壓實功與重型擊實方法的基本一致，確認其確定最大干密度值可以作為施工控制標準。

2.1 重型擊實

使用JTG E51-2009 試驗方法[3]，按照選定級配，根據既有的工程經驗，使用4.0%和5.0%兩個水泥劑量，選擇4.5%、5.5%、6.5%、7.5%、8.5%五個拌和用水量，進行重型擊實試驗，分別確定最佳含水量與最大干密度，試驗結果見表4 所示。

表4 重型擊實方法試驗結果

2.2 振動擊實

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）中T0842-2009 試驗方法。使用振動壓實機，并調節振動壓實機上下車的配重塊數、偏心塊和變頻器的頻率。使壓頭下的壓力達到0.1MPa，激振力約為6800N，振動頻率調整為28～30Hz，以保證振動壓實與重型擊實方法的壓實功基本一致[4]。

根據參考文獻和工程經驗[5]，振動成型條件下，無機結合料穩定材料的最佳含水量一般相比較于重型擊實方法要降低0.5%～1.0%之間，因此選擇選擇3.5%、4.5%、5.5%、6.5%、7.5%五個拌和用水量，水泥劑量選擇4.0%和4.5%兩種，進行振動擊實試驗。振動擊實方法試驗結果如表5所示。

表5 振動擊實方法試驗結果

從表4 和表5 的擊實試驗結果的確定的最佳含水量和最大干密度可以看出，兩種不同的級配，粗集料含量分別為60%和65%，C-B-1 型粗集料含量較多其干密度較大，振動成型確定的最大干密度要顯著大于重型擊實方法確定的最大干密度，而最佳含水量降低。分析原因是，振動擊實試驗方法是采用表面振動器，在材料（試件）的表面按照設定的激振頻率進行壓實。實際上在這一過程中，更好模擬了水泥穩定級配碎石材料在振動壓路機的壓實作用下，不同級配的材料不斷壓實擠密的過程；而重型擊實試驗方法是使用重型擊實錘，通過設定一定的落差，使用重型擊實錘的勢能來對材料進行擊實，這一過程中，每一次擊實都是材料在一定面積的混合料表面進行擊實，并不是整體的擊實，因此需要更多的水份潤滑作用，所以重型擊實確定的最大含水量要較振動擊實試驗方法確定的含水量要大。而由于重型擊實過程中會有較多的集料在擊實過程中被擊碎，所以很容易造成級配的改變，而改變原先設計的填充體系，所以干密度往往要較振動擊實試驗方法偏小。

2.3 強度試驗

分別采用振動與靜壓擊實方法確定的參數成型無機結合料穩定材料試件，然后放入標準養生室進行養生，溫度控制在20℃±2℃，并保持相對濕度在95%以上。在標準養生室養護6d，然后浸水24 小時，并測試強度。試驗結果如表6 所示。

表6 無側限抗壓強度試驗結果

強度試驗結果顯示，振動成型方法成型的試件7d 無側限抗壓強度試件的強度要明顯高于靜壓成型方法，且4.0%和5.0%兩種水泥劑量條件均能滿足7d 無側限抗壓強度4.5MPa 的要求；而使用靜壓成型方法，水泥劑量要在5.0%時才能勉強達到4.5MPa。觀察發現，振動擊實成型的時間更密實，試件的頂面和側面沒有未壓實的缺陷，因此在強度試驗過程中，試件更不容易在某些缺陷部位產生應力集中，因此試件的強度要提高很多。從兩種不同級配的振動成型強度試驗結果可以看出：振動擊實成型，使用骨架結構更明顯的C-B-1 型級配，強度提高更明顯，強度提高在30%～50%；而使用C-B-2 型級配，強度提高也達到20%以上。根據以上結果若按照靜壓成型方法，所確定的水泥劑量應為5.0%，對比振動與靜壓成型方法的強度試驗結果，綜合考慮施工的變異性，項目最終決定使用C-B-1 型級配，4.5%的水泥劑量作為施工控制劑量，以應對施工過程中可能存在的原材料變異性、施工過程中離析，以及拌和不均勻等因素。這里特別需要說明，由于C-B-1 型的級配要較C-B-2 型略粗，其振動擊實試驗所獲得的7d無側限抗壓強度與C-B-2 相比較，振動擊實方法確定的強度更高，且與靜壓成型方法的差距更大。因此對于骨架型級配，更適合使用振動擊實試驗方法來進行配合比設計。

3 現場施工控制

本研究中，根據工程項目要求，確定使用4.5%的水泥劑量。根據振動擊實試驗結果，拌和目標用水量為5.5%，最大干密度為2.350g/cm3，并鋪筑200m 長的試驗段，以確定適合的壓實工藝標準。結合項目公司多年的實際經驗，最終確定的壓實工藝為：使用22t 雙驅振動壓路機緊跟攤鋪機靜壓2 遍，再用18t 壓路機振動碾壓4 遍，最后使用26 膠輪壓路機靜壓1～2 遍收光。現場使用灌砂法選取50個測試點進行測試，并按照《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80/1-2017）來確定選定路段的壓實度代表值。

式中：

tα——t 分布表中隨測點數和保證率（或置信度α）而變的系數；采用的保證率為：高速公路、一級公路：基層底基層為99%，樣本數為24 時，可查表為0.510；

S——檢測值的標準差，確定為0.193；

n——檢測的點數；

K0——壓實度標準值，基層為98%。

根據式（1）確定壓實度代表值為98.5%，大于壓實度標準值，且單點的壓實度全部大于或等于規定值減2 個百分點，壓實度檢測合格率為100%。現場取芯10 處，均可取出完整的試件芯樣，平均無側限抗壓強度為6.8MPa，滿足設計要求。以上結果證明了采用振動壓實成型結果可有效用于現場的壓實控制。結合筆者的實踐經驗發現，由于采用振動壓實方法所確定的含水量較小，且其值是在室內試驗確定的。現場施工過程中，一般從拌和到混合料運輸到現場，再進行攤鋪和碾壓，很難在1 個小時內完成施工。這期間，受水分蒸發、水泥水化等因素影響，如果完全按照室內試驗結果來配制半剛性基層材料，很容易出現現場干硬，不容易壓實的情況。因此，結合云南省土地資源稀缺，施工便道運輸困難等現狀，特別是干熱河谷地區和在每年的旱季，由于氣溫高、環境濕度小，水分蒸發和水泥的水化都會加快。根據筆者的經驗，在一般天氣情況下，根據在室內試驗確定最佳含水量基礎上，施工方應結合運輸時間、天氣情況（氣溫、濕度、太陽輻射和風速）等情況合理增加用水量，一般需增加拌和用水0.5%～1%，保證施工過程中集料表面有足夠的潤滑水，更好保證壓實和施工效果。

4 結論

通過在云南省某高速公路項目上應用振動擊實方法進行配合比設計與現場施工控制，并開展振動與擊實成型兩種方法的對比，本研究主要取得了如下結論：

①振動擊實方法確定的配合比可有效進行現場施工質量控制，結合項目公司的實際工作經驗，振動擊實確定的最大干密度現場壓實控制取得了很好效果。

②對比規范推薦的C-B-1 和C-B-2 型兩種級配，CB-1 型級配通過振動擊實進行配合比設計能夠更好反應其粗骨料比較多，使用振動成型方法能夠更好反映骨架結構對材料強度影響，因此振動成型方法能更好與現場振動壓實后水泥穩定基層的強度吻合，對于粗骨料較多的混合料，更適宜采用振動擊實方法作為配合比的首選試驗手段。

③云南省公路建設項目拌和站選址困難、施工運輸距離較遠，運輸不便，導致現場拌和、運輸和攤鋪過程中時間延誤較多，因此拌和站配制水穩拌和料要充分結合運輸距離和天氣情況，在振動擊實確定的最佳含量水的基礎上適當增加拌和用水0.5%～1.0%，以確保攤鋪和壓實過程中，水穩材料具有良好的工作性，易于壓實。

④通過本文的研究進一步證明了振動擊實試驗方法的有效性，其試驗結果與當前施工機械水平的發展更匹配，更有利于現場施工控制，對提高工程質量和水泥穩定級配碎石的耐久性具有重要的指導作用，推薦在使用振動壓實的項目上使用振動擊實試驗方法進行配合比設計來確定集料的級配、水泥劑量、最大干密度和最佳含量等指標。