大激振力作用下厚层水稳碎石压实特性研究＊

李炜光 范文东 韩 庆

（长安大学公路学院1） 西安 710064）

（交通铺面材料教育部工程中心2） 西安 710064） （商丘职业技术学院3） 商丘 476000）

0 引 言

采用水泥稳定类材料，一次铺筑碾压成型或分层铺筑成型，厚度在22～35cm之间的基层称为大厚度水稳碎石基层［1］，此种结构是我国高速公路半刚性基层的主要结构形式［2－4］.由于受施工机械的限制，施工过程中这种结构一般分2层施工.分层施工导致基层层间不连续，以致基层结构综合路用性能降低.随着振动压实机械激振力的不断增加，增加单层铺筑厚度成为可能.目前，对大激振力作用下一次成型厚层水稳碎石压实特性方面的研究尚少.而长安大学自主研发大激振力振动压实设备，使得室内模拟现场振动压实试件成为可能.基于此，本文通过振动压实机成型30 cm试件并结合两龙高速试验路实体工程对厚层水稳碎石基层的密度、水泥剂量、含石量分布等压实特性进行相关研究.

已有研究表明［5－6］，半刚性基层厚度增加可明显提高综合路用性能.但是，厚度增加对基层压实特性产生怎样的影响，目前研究很少.因此，本文通过室内试验和现场验证相结合的研究思路，采用大激振力试验设备成型试件对其密度、水泥剂量和含石量分布等压实特性进行了研究，目的在于研究随半刚性基层铺筑厚度的增加，纵向压实特性的变化规律.

1 物理性能分析

1.1 密度

相关资料［7－11］表明，普通振动压路机碾压后，压实材料的密度随深度的变化呈曲线分布，如图1，即最大干密度出现在表层偏下的位置.而大激振力作用下被压实材料的密度具有怎样的一种变化趋势呢？为此采用普通振动压实机与大激振力振动压实机分别确定最佳含水量并成型试件，以研究大激振力作用下压实材料的密度变化规律.普通振动压实机的振动参数为静压力0.1MPa、振动频率30Hz、激振力6 800N、偏心块夹角为60°、振动时间为2min.大激振力振动成型机的振动参数为激振力37.428kN、振动频率为30Hz、偏心块夹角为60°、振动时间为1.5min.普通振动成型机确定的最佳含水量为5%，而大激振力成型机确定的最佳含水量为4.6%，较前者含水量有所减少.试验分别成型6组试件，同时对成型的试件分5层切割，对其密度变化趋势进行研究，试验结果见图2.

图1 振动压实作用下的压实特性

图2 2种激振力作用下压实特性比较

从图2可见，普通激振力作用下成型的标准试件最大干密度为2.451g／cm3，大激振力作用下成型的30cm试件最大干密度为2.498g／cm3，较前者增加了1.92%.且在大激振力作用下试件密度的最小值为2.452g／cm3，比普通激振力作用下试件的最大干密度还大，因此，在大激振力作用下增加单层铺筑厚度是可行的.

为了进一步验证结论，结合两龙高速公路心样进行密度变化规律的研究.采用蜡封法对两龙高速公路试验路取心，选取6个代表性心样并按预定尺寸0～6cm（1）、6～12cm（2）、12～18cm（3）、18～24cm（4）、24～30cm（5）切割进行分析，密度检测结果如表2.

表2 水稳碎石密度试验结果 g／cm3

试件密度作数据拟合的结果见图3.从图3可见，厚层水稳碎石试件的最大干密度均在表面以下约10cm处（即图上2，3点之间处）；大激振力作用下水稳碎石的密度变化规律和普通激振力是一致的.当厚度超过24cm时密度开始衰减，但由于大激振力的作用，使得24cm以上的密度大大超过了压实度要求，即增加水稳碎石结构的单层铺筑厚度是可行的.

图3 水稳碎石试件密度曲线图

上下密度的变化是否会导致下部的压实度不能满足要求，从而影响路面性能呢？又对上下密度差异进行分析.分别统计上部（0～12cm）和下部（18～30cm）密度的平均值，以整段的密度均值作为参照对象.结果见表3.

表3 厚层水稳碎石密度统计分析结果 g／cm3

结果表明，厚层水稳碎石试件上下密度差异基本控制在0.04g／cm3以内.按照上下压实度差异来说，不超过2%.因此，从室内试验、现场验证以及压实度差异等方面综合分析得出结论：提高振动压实机械的激振力可以增加基层单层铺筑厚度.

1.2 水泥剂量

水泥剂量是影响水稳碎石性能的又一个重要因素，水泥剂量不足会导致结合料的粘结性能下降，不能与石料紧密结合，成型后容易松散，强度不能保证.

通过对室内大激振力振动击实仪成型厚层水稳碎石试件（水泥剂量4.5%）上15cm和下15 cm部分进行水泥剂量的EDTA滴定，研究其水泥剂量的变化特性.滴定结果见表4.

表4 水泥剂量滴定结果 %

通过对比厚层水稳碎石试件上下部分EDTA消耗量发现，上下部分的消耗量没有明显差别.试验结果也表明，厚层水稳碎石的水泥剂量并没有随着深度有明显的变化，水泥剂量的偏差在±0.5%以内，在大激振力作用下水泥剂量不会随深度的改变而产生上下分布不均衡，说明由水泥剂量变化引起的水稳碎石性能的变化可以忽略.

1.3 含石量

厚层水稳碎石由于摊铺厚度较大，在摊铺和碾压过程中可能导致石料的深度方向离析，所以为了防止由于厚度较大而导致的石料分布不均现象，必须对石料的分布状况进行研究.

通过对振动压实前后集料分布的研究发现，在持续振动力的作用下，被压材料内部颗粒间的连接和摩擦力减弱，颗粒可产生较大的位移，在振动压实影响深度的范围内，上层的粗集料下移下部的细集料上移，离振动源越近，该现象越明显.石料在振动碾压作用下的运动示意如图4所示.

图4 振动碾压作用下石料运动状态示意图

对现场取心试件的外表面进行拍照，从石料的外观对石料的分布进行量化分析，首先采用Photoshop勾画出大粒径石料外观轮廓线，然后利用CAD勾画出石料轮廓，计算分段（约3cm）面积（S）和每段内的各个石料面积（a），并同时计算出各分段内的石料总面积比），得到石料的分段分布率），处理流程如图5所示.

图5 水稳碎石含石量处理流程

厚层水稳碎石（30cm）按照每5cm为一段，共6段.计算结果见表5和图6.

从含石量的分布规律来看，大激振力作用下厚层水稳碎石各个试件从上到下石料分布率变化不大，可见并未出现离析现象，其含石量大致与普通水稳碎石相同，从总体上看中部的含石量略微高于上下两端.

表5 厚层水稳碎石基层石料分布率分段统计表 %

图6 取心试件外表面含石量分布变化图

2 大激振力作用下厚层水稳碎石特性分析

2.1 连续性分析

为使常规方法分层铺筑水泥稳定碎石和大厚度水稳碎石具有可比性，以研究其石料的分布规律，现将15cm水稳碎石标准试件平均切割成3段，每段5cm.石料分布测试试验结果如表6.

表6 15cm水稳碎石基层石料分布率分段统计表 %

将试件1，2；2，3；3，1分别按照上下顺序进行组合，通过拟合得到有分层铺筑条件下厚层水稳碎石石料分布率，见表7.

表7 分层铺筑条件下厚层水稳碎石石料分布率分段统计表 %

表5和表7分别表示了一次成型和分层铺筑件下厚层水稳碎石石料分布率，对相应高度段的石料分布率进行加权平均后的结果见图7.

试验结果表明：一定厚度下的水稳碎石在相应的激振力作用下，不会出现离析现象，其石料分布具有一定的稳定性.显然，厚层水稳碎石与普通水稳碎石结构在深度方向含石量规律一致，但后者分两层铺筑，深度方向的含石量变化情况明显出现间断情况，而且受影响结构厚度大约10cm，占到结构整体厚度的30%，其整体性和均匀性能降低，将会对路面结构抗裂性能有一定的影响.而在大激振力作用下，由于厚层水稳碎石采用一次成型方式，将会大大的改善基层的层间问题而且具有很好的抗裂性.

图7 不同成型方式厚层试件石料分布图

2.2 阻裂效果分析

大激振力作用下的厚层水稳碎石纵向连续性良好，中间部位骨料分布率得到较大提高.这样的石料分布特点将对阻止基层底部反射裂缝有积极作用.可将此种状态石料分布的特点产生的作用称为阻裂作用，此种路面结构称之为阻裂带.阻裂带模型如图8所示.

图8 阻裂带模型

在该模型中，当裂缝在向上（或下）的细集料中发展时，当遭遇粗集料，裂缝会试图绕开，当裂缝无法绕开时便停止发展，从而起到了阻裂的效果.石料在结构层的中部均匀分布会降低裂缝发展的机会.

在大激振力作用下的厚层水稳碎石并未因为厚度的增加而改变其石料的分布情况，但是由于其厚度的增加，层间结合较普通水稳碎石好，所以其性能要优于普通水稳碎石结构层.

3 结 论

1）通过室内对比试验发现，在大激振力振动成型机作用下成型的试件最大干密度得到了提高，且密度变化规律和普通激振力作用下是一致的，都呈现中上部大，两头略小的变化规律.厚层水稳碎石试验路现场取芯试件进行的密度测试也验证了这一规律.

2）厚层水稳碎石室内成型试件的滴定试验发现上下水泥剂量变化差异在±0.5%以内，没有由于碾压厚度的增加出现较大的变异.

3）通过对大激振力作用下石料分布的研究发现，从上到下石料分布率呈现出中间多两边小的趋势，一次成型厚层水稳碎石含石量与普通厚度水稳碎石结构相同.若分层施工，则会导致石料离析现象.

4）由于铺筑厚度的增加，石料分布的规律具有一定的阻裂效果.

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