水泥稳定砾石骨料振动与击实成型对比试验

洪 亮，刘 涛，杨三强

(1.新疆农业大学 机械交通学院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆交通科学研究院 干旱荒漠地区公路工程技术行业重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830000)

水泥稳定碎石混合料作为高等级公路基层应用在我国大部分地区。水泥稳定碎石基层振动压实与重型击实对比分析较多。振动成型设计方法在国内已有多个省份广泛采用，同时其也作为推荐的成型方式列入相关规范。而新疆地区的高等级公路和大量二级路都采用水泥稳定砾石混合料作为基层，水稳砾石基层施工中仍多采用传统的重型击实法确定最大干密度与最佳含水量，对振动压实法经验积累相对较少，加之新疆水稳砾石集料结构与内陆其他地区水稳碎石集料结构不同，重型击实法施加冲击荷载对被压材料进行压实与振动压实通过高频振动作用使材料减小静摩擦阻力来压密的过程完全不同。因此，笔者在保持基本因素相同的情况下，对水泥稳定砾石基层振动压实与重型击实试验进行了比较分析。

1 成型方式比较

我国公路部门多年来利用重型击实方法确定水泥稳定材料最佳含水量和最大干密度。目前通常采用的重型击实标准压实功相当于12～15 t的静力压路机的碾压效果。相比传统的重型击实，振动成型设备在研制初期的目的即是充分模拟现场压路机工作状况，使集料形成共振、压密。其振动频率、内部偏心块角度、激振力及振幅等参数基本与应用广泛的单钢轮振动压路机一致。研究采用与国内研究应用的振动压路机压实方式基本匹配的振动压实成型仪，本试验使用仪器的基本参数见表1。振动压路机与光轮静碾压路机工作参数见表2。

表1 振动压实仪与重型击实仪工作参数Table 1 Working parameters of vibrating compactor and modified proctor compactor

表2 振动压路机与静碾光轮压路机工作参数Table 2 Vibratory roller and static effect roller working parameters

由表1、表2可知，采用的振动压实成型方式的振动频率、振幅等参数与振动压路机参数基本吻合，且均为由上向下的表面振动模式。更为重要的，振动压实功是重型击实的2.2倍，振动压路机的动线荷载是静碾压路机的1.8倍，两者也基本吻合[1]。因此从振动参数、振动方式及压实功来分析，采用振动压实成型方式与振动压路机更为匹配，可更有效地指导现场施工。

2 级配砾石力学性能比较

本研究所采用级配砾石为南疆G3012阿克苏-喀什高速公路三标建设项目水稳砾石施工料场生产，水泥采用32.5复合硅酸盐水泥。砾石颗粒表面光滑，没有破损的裂纹，基本上是椭球型。相对于碎石颗粒棱角分明，砾石颗粒的独特外形也对水泥稳定砾石基层物理力学性能起到一定影响，其物理性质介于固体与流体之间，其颗粒具有流动性，对维护面可产生一定压力，抗剪能力取决于围压的大小，即具有压硬性；与金属材料相比具有剪胀性，即在纯剪应力下产生体积变形[2-3]。砾石集料各项路用性能指标均满足JTJ 034—2000《公路路面基层施工技术规范》(以下简称《034施工规范》)以及JTG D 50—2006《公路沥青路面设计规范》(以下简称《06设计规范》)要求，具体指标从略。

3 振动压实和重型击实试验方法

3.1 试验方法

新疆属大陆性干旱和半干旱气候区，大部分地区年蒸发量远大于降水量，季节温差、日温差较大。通过对新疆各地区典型路段相关资料调查发现，水泥稳定砾石基层水泥掺量在施工过程中一般控制在3%～6%之间。水稳砾石基层在湿度、温度变化时易产生干缩、温缩裂缝，导致沥青面层形成反射裂缝进而影响路用性能和使用寿命[4]。这一方面是因为干旱荒漠区恶劣的自然环境，级配砾石的干缩、温缩变形相比较水泥要小，水泥掺量的增大在病害发展中起到了一定的促进作用；另一方面水泥稳定砾石集料不同级配类型对于水稳基层抗裂也有一定影响。通过采用3种级配类型，掺加3%、6%水泥剂量对所设计的水泥稳定砾石基层材料进行振动与击实对比试验，从而对不同级配类型和高、低水泥剂量下振动与击实关系进行分析。

3.2 级配的确定

本研究具体选择依据连续嵌挤优化级配，采用均匀设计、多级填充等方法综合考虑最大干密度最大、级配衰减最小等指标，选取了骨架密实型级配一组，与此同时，还依据《06设计规范》选配了悬浮密实型和骨架空隙型级配各一组进行对比分析。具体级配与各档筛孔通过百分率见表3。

表3 不同级配类型集料通过百分率Table 3 Passing percentage of different distribution types

4 最佳含水量及最大干密度

4.1 含水量对压实效果的影响

含水量在公路路面基层压实过程中起着重要的作用，也是很重要的一个控制指标。为了对比在振动压实与重型击实条件下达到最佳压实效果所需含水量的关系，试验选用以上3种级配类型，3%，6%掺量水泥稳定砾石混合料进行振动压实以及重型击实，进行含水量影响试验。在试验过程中发现水泥稳定砾石在振动压实下，含水量对压实效果的影响很敏感，而且振动压实法得到的最佳含水量要比重型击实法小10%～20%。表4、表5分别列出骨架密实型3%水泥掺量的水泥稳定砾石基层(GM3%)重型与振动压实含水量。

表4 重型击实下GM3%的含水量与干密度值Table 4 Moisture content and dry density of GM3% under MPCM

表5 振动压实下GM3%的含水量与干密度值Table 5 Moisture content and dry density of GM3% under VCM

通过对3种级配类型，3%，6%掺量水泥稳定砾石混合料进行振动压实以及重型击实试验对比发现，重型击实含水量成不规则抛物线方式，最佳含水量在抛物线的顶点；而在振动频率固定在28～30 Hz情况下，振动压实含水量曲线成上升趋势，振动压实过程中因提浆而出现的泌水现象会因增加配水而加重，含水量在上升的最高点(最佳含水量点)趋于平衡(图1)，不会因增加配水而改变最佳含水量。

图1 振动压实下GM3%的含水量与干密度曲线Fig.1 Curve of moisture content and dry density of GM3% under VCM

通过对比分析，水泥稳定砾石混合料振动状态下双层压实时间合计在80～100 s左右压头就会出现跳起现象。相对比于国内其他地区使用的级配碎石，级配砾石颗粒外表面光滑，基本上是椭球型，这种结构相较于碎石结构棱角少的多，在冲击力或振动状态作用下都更容易被压实。若振动时间过长水泥稳定砾石混合料会因已形成刚体而产生共振，这对振动压实仪器会产生严重损坏。振动成型最佳含水量要比重型击实的稍低，平均低10%～20%左右。这主要因水在压实过程中起润滑作用,振动压实过程中会因共振而产生提浆现象使过多的水渗透出试件；同时，最佳含水量的大小与水泥剂量和级配砾石中0.075 mm以下集料含量多少有关[5]。所以通过振动来减小阻力的振动压实所需的水分相对于重型击实法要少一些，振动成型的最佳含水量要比重型击实的稍低。

4.2 击实方式对最大干密度影响

振动与重型击实成型的最大干密度具有明显的线性关系而且具有较好的相关性, 可以根据一种成型方法的结果推求另一种方法的结果。根据以上3类级配类型，3%、6%两种水泥掺量的试验结果得到振动成型在确定最大干密度上占有很大优势。笔者列举了骨架密实型(GM)3%、6%水泥掺量的水泥稳定砾石基层振动与重型击实最大干密度和最佳含水量的对比结果(表6)。

表6 不同水泥掺量下级配砾石最大干密度及最佳含水量Table 6 The optimum moisture content and the maximum dry density of graded gravel with different cement dosage

通过分析表6结果，针对于不同级配类型的水泥稳定砾石混合料在振动压实后最大干密度都有较大程度的提高，相比较于重型击实法，都提高了1.01～1.02倍，使用振动压实时水泥稳定砾石混合料最佳含水量也降低了10%～20%，振动压实方法可以使粗集料和细集料形成更紧密的排列组合。这一方面是由于振动成型压实功大幅度增加，另一方面，振动成型施加的冲击力，使被压材料之间的摩擦力由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态，材料间的摩擦阻力减小，而且由于共振作用使振动频率和被压材料的固有频率一致时被压材料的受迫运动最大，材料最易密实。通过这两方面的共同作用使级配砾石在振动状态作用下最大干密度大幅度提高。这种结构密实度较高，强度相应增加，水泥剂量也可以相应减少，对于降低水稳基层温缩干缩病害起到一定的防治作用。通过对振动与重型击实对比分析，试验使用了两种水泥剂量，但是最大干密度并没有起太大的变化，这说明增加一定水泥用量对水泥稳定砾石的最大干密度影响不大。在试验过程中还注意到因砾石粒径较大，一个颗粒的差别就有十几克之多，砾石混合料在装填击实试件钢模时级配稍有点不均匀就会产生较大的误差。因此振动与重型击实法对装料的均匀性也较为敏感，这就意味着不同的试验人员操作同一批试验，试验过程一定要非常小心，稍有不注意最终得到的试验数据可能就有一定误差。

5 振动与重型击实对集料级配衰退的影响

重型击实试验和振动压实试验都是直接施加冲击力作用于击实筒中集料上，击实功都非常大，试验过程很容易使集料被击碎导致混合料级配产生较大变化[6-7]。为定量分析两种击实方法对水泥稳定砾石级配的影响，对经过重型击实试验和振动压实的混合料进行水洗筛分，结果见表7。

表7 振动压实与重型击实级配衰退通过率Table 7 The declination passing percentage of VCM and MPCM

从表7可以看出，使用振动压实和重型击实方法进行击实试验都会改变混合料的级配，但是重型击实级配通过率变化量要大于振动压实数据，特别19 mm和4.75 mm筛孔变化量很大。这主要是由于击实过程中混合料的较大粒径(主要是粒径大于19 mm的砾石)被击碎，导致粒径大于19 mm砾石大量减少，19 mm筛孔通过率变大，这也导致4.75 mm和2.36 mm筛孔通过率也相应变大。但总体来看重型击实的破坏偏差要略大于振动压实法。

6 振动与重型击实对7 d无侧限抗压强度的影响

7 d无侧限抗压强度是现行规范中对水泥稳定基层强度的一个重要评价指标[8]。试验对不同级配的水泥稳定砾石混合料，采用振动成型和静压成型法制备试件。以13个试件为一组，采用3倍均方差剔除异常值，同一组实验的变异系数Cv(%)≤15%进行7 d无侧限抗压强度对比试验分析。级配见表3，7 d无侧限抗压强度试验结果见表8。

表8 7 d无侧限抗压强度Table 8 7 d unconfined compressive strength /MPa

试验结果表明，无论是悬浮密实结构、骨架密实结构还是骨架孔隙结构的水泥稳定砾石，随着水泥剂量的增加混合料的7 d无侧限抗压强度呈增大趋势；相同水泥剂量下，3种级配振动成型的抗压强度要比静压法成型的要高，从抗压强度比值来看，振动成型的试件是静压成型的1.2～1.4倍。骨架密实结构成型出的试件7 d无侧限抗压强度高于悬浮密实结构和骨架孔隙结构。

7 结 论

1)与重型击实相比振动压实确定的最佳含水量系统减小，振动压实相比较重型击实最佳含水量减小10%～20%。

2)振动频率固定在28～30 Hz情况下，振动压实含水量曲线成上升趋势，含水量在上升的最高点(最佳含水量)趋于平衡。

3)砾石颗粒外表面光滑，基本上是椭球型。在冲击力或振动状态作用下都较容易被压实，水泥稳定砾石混合料振动状态下双层压实时间合计在80～100 s左右压头就会出现跳起现象。

4)对于不同级配的成型方式对最大干密度的影响表现出相同的规律。即振动成型方式确定的最大干密度是重型击实结果的1.01～1.02倍。

5)重型击实仪垂头的重击力对砾石的级配破坏要大于振动压实仪压头面压力。

6)相同水泥剂量下，振动成型的试件7 d无侧限抗压强度要比静压法成型的要高；从抗压强度比值来看，振动成型的试件是静压成型的1.2～1.4倍。

[1] 周卫峰,李彦伟,张秀丽,等.基于振动成型的级配碎石路用性能及设计标准[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2009,28(3):559-564.

Zhou Weifeng,Li Yanwei,Zhang Xiuli,et al.Pavement performance and design standard of graded broken stone based on vibration molding[J].Journal of Chongqing Jiaotong University: Natural Science,2009,28(3): 559-564.

[2] 王龙,解晓光,李长江.级配碎石性能的振动与击实成型对比试验[J].中国公路学报,2007,20(6):20-24.

Wang Long,Xie Xiaoguang,Li Changjiang.Comparative experiment on vibrating compaction and modified proctor compaction of performance of graded crushed aggregate[J].China Journal of Highway and Transport,2007,20(6): 20-24.

[3] 王龙,解晓光.级配碎石材料标准振动成型方法的研究[J].公路交通科技,2005,22(7):28-30.

Wang Long,Xie Xiaoguang.Research on the vibrating compaction method of graded aggregate material[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2005,22(7): 28-30.

[4] 孙耀东,冯建栋,王哲人.碎石混合料成型方法对其力学性质的影响[J].东北林业大学学报,2005,33(4): 443-445.

Sun Yaodong,Feng Jiandong,Wang Zheren.Effects of molding method of crushed stone mixture on the mechanics properties[J].Journal of Northeast Forestry University,2005,33(4): 443-445.

[5] 陈磊.水泥稳定碎石振动试验方法研究[D].西安:长安大学,2009.

Chen Lei.Research on Vibrating Test Methods for Cement Stabilization of Crushed Aggregate[D].Xi’an: Chang’an University,2009.

[6] 马骉,莫石秀,王秉纲.基于剪切性能的级配碎石关键筛孔合理范围确定[J].交通运输工程学报,2005,5(4):27-31.

Ma Biao,Mo Shixiu,Wang Binggang.Rational range determination of key sieve pores for graded crushed stone based on shear performance [J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2005,5(4):27-31.

[7] 张艳晓.水泥稳定碎石基层配合比设计及其路用性能研究[D].西安:长安大学,2011.

Zhang Yanxiao. Cement Stabilized Macadam base Mix Design and Pavement Performance[D]. Xi’an: Chang’an University, 2011.

[8] 蒋应军,李頔,马庆伟,等. 级配碎石力学性能影响因素的试验研究[J].交通科学与工程,2010,26(1):6-13.

Jiang Yingjun, Li Di, Ma Qingwei, et al. Experimental research on influencing factors of strength properties for graded broken stone[J].Journal of Transport Science and Engineering,2010,26(1):6-13.