振动成型法在水泥稳定碎石基层施工中的应用

振动成型法在水泥稳定碎石基层施工中的应用

梁建良

(中交远洲交通科技集团有限公司石家庄050051)

摘要水泥稳定碎石基层是我国常用的基层结构形式,但存在水泥剂量与抗压强度成正比上升的因素,导致干缩裂缝增多的不利现象。介绍了采用振动成型法来代替传统静压成型法的比较结果,并从理论和实际操作加以说明。

关键词水泥稳定碎石基层振动法成型静压成型水泥剂量混合料配合比

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.031

收稿日期：2015-01-13

水泥稳定碎石基层是目前我国首选的道路基层结构，由于水泥稳定碎石在温度、湿度变化的作用下容易产生收缩，导致基层裂缝和反射裂缝，严重影响路面的使用性能。水泥稳定碎石基层中要用到水泥，但是水泥不是用得越多越好，用多了容易产生裂缝，用少了则会影响抗压强度。为了改善水泥稳定碎石基层抗裂性能，建议采用“振动成型法”水泥稳定碎石基层工艺。

1国内外现状及发展趋势

半刚性水稳碎石基层材料具有强度高、稳定性好，便于机械化施工、容易得到保证等优点，因而广泛应用于高等级公路路面基层施工。但施工过程中易产生收缩裂缝，水泥剂量越大，越容易产生严重的收缩裂缝，同时对沥青面层也会产生相应的反射裂缝。为了克服水稳碎石收缩裂缝、抗变形能力较差、对荷载敏感性大、抗弯拉强度低的缺点，采用目前较为先进的配合比设计理念，即振

动成型法进行配合比设计。

采用振动成型法施工的水稳碎石与传统的重型击实方法施工相比，具有良好的抗裂性能和力学性能，因其水泥用量较少，不但可以降低工程造价，减轻沥青路面的反射裂缝，而且也提高了路面的承载能力，从而提高了路面的整体性能，因此采用振动成型法施工的水稳碎石具有良好的发展前景。

2振动成型基本原理

击实方法在室内通过施加冲击荷载对被压材料进行压实，与现场夯实过程一致，与现场静力压路机的作用过程虽不尽相同，但就通过对材料产生剪应力使之压实这一效果来说是相似的。但与振动压实通过高频振动作用使材料产生液化来压密的过程是完全不同的。静力压实成型试件的方法和静力压路机滚压的机理是相同的，但是和振动压路机的振动压实机理则不同。

Research on Asphalt Pavement Optimization by Response Surface

DongZhe

(Hebei Province Expressway Langfang Beisanxian County Management Department, Langfang 065000, China)

Abstract：The undetermined coefficient of respond surface was solved based on the Plackett-Burman design method, which was used to evaluate the influence of asphalt pavement indexes firstly. Then, the path of steepest ascent was adopted for further optimization, the optimum pavement factors levels and the relationships among these factors were found out by quadratic regression model equation with Design-Expert statistic methods on the condition of cost and deflection and maximum tensile stress served as the objective. Compared with other pavement design method， Response Surface method is the best choice since it not only saves the foundation but also conducts easily.

Key words: pavement structural; design parameters; response surface; optimization design

室内试验作为现场施工质量控制的基础，应当力求使室内试验真正模拟现场的施工压实工艺。为模拟振动压实对材料的作用，采用自上而下振动的振动成型压实机。研究使用该成型机进行振动压实试验，确定材料的最佳含水量、最大干密度及振动成型试件测定无侧限抗压强度。工艺技术路线见图1。

图1　工艺技术路线图

2.1振动法设计半刚性材料步骤

(1) 原材料检测。包括水泥、碎石。

(2) 骨架密实级配的确定。根据原材料筛分结果，确定骨架密实结构级配范围，并确定目标级配。

(3) 根据确定的振动参数，用振动法确定半刚性材料的最佳含水量及最大干密度。同时采用重型击实法确定最佳含水量与最大干密度，并与振动法设计结果进行对比。

(4) 振动成型半刚性材料试件，标准养生后进行无侧限抗压强度试验，确定最佳水泥剂量。进行静压法无侧限抗压强度试验，与振动法设计结果进行对比。 水泥稳定碎石混合料振动击实和重型击实确定的最大干密度及最佳含水量见表1。

表1　水泥稳定碎石击实结果

2.2　混合料抗压强度

水泥稳定碎石振动、静压成型试件无侧限抗压强度试验结果见表2。

表2　水泥稳定碎石7 d 抗压强度

由试验结果可见，水泥稳定级配碎石振动成型试件平均无侧限抗压强度远大于相应静压试件的平均无侧限抗压强度。 由设计结果可知，针对当前半刚性材料设计方法的缺点：振动法设计的水泥碎石与重型击实法确定的最佳含水量相当，但最大干密度显著提高，平均为重型击实法的1.025倍，如以振动法确定的最大干密度的98%作为压实度控制标准，则现场密度将达到重型击实法的100%以上。 根据强度试验结果，振动成型试件水泥剂量3.5∶100时，试件强度均大于设计强度，因此如根据振动成型试验结果，考虑施工拌和等因素，则水泥剂量确定为3.5∶100。

2.3　施工检测及结果

由设计结果，以及实际施工效果可见，振动法设计的水泥碎石级配要求严格、密度大(压实标准高)、水泥剂量小、强度高，以现有的施工机械，可以将级配控制在级配范围之内、压实设备能达到振动法要求的压实度、现场混合料强度能满足设计要求。

(1) 施工设备配置及碾压工艺。部分标段施工设备配置见表3。

表3　各标段施工设备配置

碾压工艺如下。YZ220静压1遍+YZ220强振4 遍+YZ220弱振1遍+YL160轮胎压路机碾压1遍，共碾压7遍。 以振动击实试验确定的最大干密度作为标准密度评定压实度，用灌砂法测定压实度，从试验检测结果来看，能满足标准要求。

(2) 级配检验。现场取料筛分检验结果，见表4。检验结果表明生产中的级配可控制在设计级配范围之内，说明设计级配范围确定的范围合理。

表4　水泥稳定碎石现场级配

(3) 基层表观及心样强度。现场摊铺、碾压过程中均未出现明显的离析现象，碾压后的基层表面粗糙、均匀。 试验段心样强度为6.9 MPa，室内静压试件抗压强度为4.4 MPa，室内振动成型试件抗压强度为7.2 MPa。表明振动成型方式与现场振动碾压效果更为吻合。

(4) 基层裂缝统计分析。为了分析试验数据，选取了2个段落分别施工采用静力法和振动成型法设计的水稳碎石基层，K1+000～K1+500段左幅施工采用静力法设计的水稳碎石基层(称为对比段)，右幅施工采用振动成型法设计的水稳碎石基层(称为试验段)，该段基层于2013年9月份完工，2013年11月份完成基层裂缝调查，见表5。

表5　基层裂缝统计

由表5可见，右幅试验段裂缝数量较少，平均裂缝间距为45 m/条。而左幅对比段裂缝数量较多，平均裂缝间距为24 m/条。右幅试验段裂缝数量明显比左幅对比段裂缝要少得多，这说明采用振动成型法设计的水稳碎石基层减少裂缝的效果非常显著。

3经济效益分析

使用振动法设计半刚性基层的效益估算如下。标段全长4.25 km，水稳施工长度为4.25 km，其中20 cm 水稳定碎石基层13 600 m2，共计136 000×0.2 m×2.4 t/m3=65 280 t。与原设计相比，应用振动成型法设计的水泥稳定碎石基层材料，可降低水泥剂量1.5 %。水泥价格为360 元/t，进行经济效益计算，节省水泥按1.5%计算，项目工程造价可节省65 280 t×1.5%×360 元/t=35.3万元。 另外，水泥剂量的减少，可以降低基层收缩裂缝。根据已有工程的应用情况分析，传统设计的水稳基层平均开裂间距一般在20～30 m左右，按最保守估计，应用振动成型法设计的骨架密实水泥稳定碎石基层平均开裂间距至少在40 m以上。此外，由于裂缝减少，极大地减少了养护工作和养护费用。养护工作的减少所带来的社会效益也是非常巨大的。

4结语

(1) 规范所用的重型击实法确定的半刚性材料最大干密度过小，以此为标准控制现场压实度存在质量隐患，而用振动法确定的混合料干密度控制现场质量更为合理。

(2) 成型方式对混合料强度有显著影响，振动成型试件抗压强度远大于静压成型试件抗压强度。用静压法确定的混合料强度控制现场施工要求过高，导致水泥剂量过大，根据现场强度检测结果及振动法优化结果，认为在静压法确定的水泥剂量的基础上降低水泥剂量1～1.5%是合理的，不仅降低了工程造价，满足强度设计要求，更重要的是显著提高了半刚性基层的抗裂能力。

(3) 振动成型法除了通过增加压路机来提高压实程度外，最重要的还是材料的配比得到了改进，减少了水泥用量，真正实现了节能减排，更重要的是可以彻底解决沥青路面的裂缝问题。

参考文献

[1]沙爱民，胡力群.半刚性基层材料的结构特征[J].中国公路学报，2008,21(4):1-5.

[2]JTJ034-2000公路路面基层施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2000.

[3]朱伟伟.水稳碎石基层相关试验控制要点[J].交通科技,2010(S2):61-64.

[4]王艳，李再新.水泥稳定碎石混合料疲劳特性[J].交通运输工程学报,2009(4):10-14.