免振压水泥稳定碎石技术的研究与应用

宋亚洲，潘 芳

（江苏东交工程检测股份有限公司，江苏 南京 226004）

免振压水泥稳定碎石技术的研究与应用

宋亚洲，潘 芳

（江苏东交工程检测股份有限公司，江苏 南京 226004）

文章介绍了免振压水泥稳定碎石技术在居民区、商铺等特殊条件下的应用及最优静力压实参数组合，确定了免振压水泥稳定碎石配合比组成，并进行静压压实试验，最后依托某工程实例，验证了静压压实法的适用性以及免振压水泥稳定碎石技术的可行性。

免振压水泥稳定碎石；静力压实参数；配合比；压实试验

振动压实是水泥稳定碎石施工中应用最广泛的压实方法，但是由于施工条件的约束，在居民区、商铺或老旧建筑周围等特殊路段振动压实受到极大限制。针对这一现象，提出了一种不需要振动压实，亦能满足性能要求的新型水泥稳定碎石技术，这种新型技术称为“免振压水泥稳定碎石技术”。免振压水泥稳定碎石是一种借鉴自密实混凝土技术原理，通过添加外掺剂实现不振动压实情况下达到规定压实度的水稳技术［1-3］。作为一种新型技术，研究其设计方法、质量控制要点以及相关施工工艺具有重要的现实意义。

1 静压参数对压实效果的影响

数控液压压力机压实机理和静压压路机是相似的。静力压实过程中，影响压实效果的液压压力机参数主要有最大压力值和加载速率。其中，最大压力值与静力压路机的线压力相关联，而加载速率和稳压时间与静力压路机的碾压速度和稳压时间密切相关。

对液压压力机的参数进行优化，使其与现场静压相吻合，有效地模拟静力压路机的实际情况。通过研究在不同最大压力和不同加载速率下干密度变化规律和集料压碎率变化规律，选取合适的参数组合。

1.1 静压压实规律分析

试验选择100 kN、200 kN、300 kN、400 kN、500 kN、600 kN、700 kN、800 kN 8组最大压力值；考虑到实际碾压速度，试验选择0.5 kN/s、1.0 kN/s、2 kN/s 3组加载速率；实际碾压时长为每次加载达到最大值时，稳定在最大值2 min后卸载。同时检测水泥稳定碎石的压碎率，进而确定合适的最大压力和加载速率组合。

1.1.1 干密度与最大压力值之间的关系

根据相关试验，分别得出含水量4.5%以及含水量5%的干密度与最大压力值之间关系如图1、图2所示。

图1 干密度与最大荷载的关系（含水量4.5%）

图2 干密度与最大荷载的关系（含水量5%）

由图1和图2数据结果分析可见：

（1）干密度值随着最大压力值的增加而不断增加。在最大压力值较小阶段干密度迅速增长，当最大压力值超过400 kN后干密度增加幅度较小。造成此现象发生主要源于以下两个方面：一方面，松散材料在压实初期提高干密度所需要能量较小；另一方面，松散材料吸收静压能量的性能比较好。集料空隙变小，嵌挤效果提高，传递静压压力性能增强，集料难以进一步压实。表现为后期干密度增幅减小，干密度曲线趋于平缓。

（2）加载速率0.5 kN/s和加载速率1.0 kN/s的干密度曲线相近，干密度差值较小；当加载速率达到2.0 kN/s时干密度的波动性明显变大，且干密度明显偏小，说明加载速率过大时集料没有得到充分压实。

1.1.2 压碎率与最大压力值之间的关系

压碎率用测量压实前后通过某筛孔的通过率的差值来表示。试验中选取9.5 mm、4.75 mm两个筛孔的压碎率来进行分析。试验发现，压实试件破碎集料均匀分布于整个试件中，破碎情况没有出现明显分层现象。最大荷载0～800 kN，每级递增100 kN；加载速度分为0.5 kN/S、1.0 kN/s、2.0 kN/s，含水量分为4.5%和5.0%两个等级。不同筛孔集料压碎率与最大压力值之间的关系如图3、图4所示。

由图3、图4分析看出：

（1）压碎率随着压力值的增加而不断增加。当最大压力值小于200 kN时，压碎率较小，曲线平缓。此时压力值不足以压碎集料，只有极少部分易破碎集料被压碎。当压力值在300～400 kN时，压碎率急剧增加，压碎率曲线较陡。此时，随着压力的增加，大部分针片状集料被压碎，导致压碎率急剧增加。当最大压力值大于400 kN时，压碎率变化较小。究其原因，主要是随着最大压力值的增加，集料间空隙减小，密实度增加，集料的承载能力加强，集料更难被压碎。

图3 9.5 mm压碎率与最大压力值关系

图4 4.75 mm压碎率与最大压力值关系

（2）加载速率0.5 kN/s和加载速率1.0 kN/s的压碎率随最大压力值变化规律相似；当最大压力值大于400 kN时加载速率2.0 kN/s的压碎率明显大于其他两者，且波动性较明显。

1.2 静压压实参数的确定

根据上述试验结果及工程经验确定最优静压压实的参数。

（1）静力压实模拟现场碾压，当最大压力值达到400 kN后，干密实度增加逐渐缓慢；最大压力值超过400 kN后，压碎值增加平缓，变化较小。

（2）加载速率0.5 kN/s与加载速率1 kN/s两种加载速率下干密度曲线较为接近，且压碎率曲线几乎重叠，从试验的简便快捷方面考虑，加载速率1kN/s优于加载速率0.5 kN/s。

（3）加载速率2 kN/s与加载速率1 kN/s相比，所得到的干密度普遍偏低，而压碎率偏高，且两者变异性均较大。从试验的可靠性分析，1 kN/s的加载速率优于2 kN/s的加载速率。

通过以上试验数据分析，静压压实参数确定如下：最大压力值400 kN，加载速率1 kN/s，维持最大压力时间2 min［4-6］。

2 免振压水泥稳定碎石配合比组成设计

配合比组成设计是水泥稳定碎石性能研究的基础。在选定原材料后，分析原材料基本性能，级配设计采用沙庆林院士提出的沥青混合料级配设计方法，确定免振压水泥稳定碎石配合比组成，然后进行压实试验，并研究减水剂和膨胀剂掺加工艺。

2.1 原材料

2.1.1 集料

水泥稳定碎石颗粒间的粘结力和内摩阻力对于混合料的强度起到了决定性的作用。集料的选择对于水泥稳定碎石材料的性能显得极为重要。表面粗糙有棱角、无风化、洁净的粗集料，可以与水泥粘结更加牢固；细集料主要起到填充粗集料空隙的作用，级配良好、质地坚硬、颗粒洁净的细集料，是水泥稳定碎石具有良好强度的前提。

2.1.2 水泥

水泥性能的优劣对水泥稳定碎石力学性能和路用性能影响巨大。水泥与砂石材料一起使用，通过水泥的水化作用产生的胶结能力，将砂石材料胶结为强度更高的整体。

2.1.3 外加剂

在借鉴自密实水泥混凝土技术的基础上，通过选择添加减水剂和膨胀剂达到改进免振压水泥稳定碎石性能的效果。

（1）减水剂

减水剂是指在混凝土流动性和水泥用量相同的条件下，能减少拌合用水量、提高混凝土强度；或在和易性及强度不变条件下，节约水泥用量的外加剂。掺加减水剂后，不仅可以减少水的使用量，而且可以改善混凝土的施工和易性，提高混凝土的抗压强度。

（2）膨胀剂

膨胀剂主要用于补偿收缩、充分填充水泥间隙。水泥膨胀剂中的金属与碱性水泥产生化学反应，生成氢气，从而使水泥体积膨胀，进而增强水泥强度。

2.2 级配选择

试验级配采用悬浮密实型级配，如表1所示。

表1 悬浮密实型级配

2.3 配合比设计

免振压水泥稳定碎石采用：水泥用量为4.5%，在现行规范的基础上考虑抗裂性优化得到的悬浮密实型级配，并通过掺外加剂进一步改善其收缩性能的水泥稳定碎石。膨胀剂的推荐掺量为6%～10%，故选用6%、8%、10% 3种掺量。减水剂的推荐掺量为2%～6%，故选用2%、4%、6% 3种掺量。研究不同掺量下，减水剂和膨胀剂分别与最大干密度和含水量之间的关系。

2.4 静压压实试验结果

压实试验是水泥稳定碎石各种性能试验的基础。压实试验影响到以后配料的精度，因此对各配合比进行细致的压实试验至关重要。通过相关试验数据分析，得出以下结论：

（1）在混合料中掺加膨胀剂后，对最大干密度和最佳含水量的影响极其微弱。当膨胀剂掺量为8%时，达到最大干密度值。

（2）掺入减水剂后，最大干密度及最佳含水量均减小。减水剂的引气效果增加了试件空隙率，导致最大干密度减少。随着减水剂的增加，水泥流动性变强，从而使得混合料更容易被压实。当减水剂掺量为2%，达到最佳效果。

3 工程实例

为了更好地研究免振压水泥稳定碎石的使用性能，依托X205江海高速公路海安南互通连接线工程，在南通市海安县X205道路新建工程进行了试验路基层的铺筑工作，试验段桩号K0+010～K0+300，并对基层进行了试验检测和后期跟踪观测，以评价免振压水泥稳定碎石技术的实际应用情况。

根据X205道路工程实际情况以及静压压实试验结果，试验路面采用以下配合比设计：水泥用量4.5%；含水量4.4%；减水剂2%；膨胀剂8%。

3.1 检测数据分析

为了掌握试验路情况，试验路施工单位从拌合楼取混合料样品，进行室内试验。同时对试验路面进行了现场检测，具体的试验结果如下。

（1）基本试验

通过取回的水泥稳定碎石，进行水泥含量滴定试验、含水量测定试验和筛分试验，从试验结果可看出，水泥用量和级配均满足施工指导意见要求。

（2）性能试验

在室内进行了水泥稳定碎石混合料7 d无侧限抗压试验，强度介于3.5～4.5 MPa，满足规范要求。

（3）现场检测

采用文中提出的静压压实法进行最佳含水量和最大干密度试验。试验测得，最大干密度为2.330 g·cm-3，最佳含水量为4.4%。

试铺段碾压结束，进行了压实度检测，现场压实度均达到了≥98%的要求。现场检测数据表明，免振压水泥稳定碎石施工质量良好，达到试验路预期的效果。

3.2 后期跟踪试验结果分析

为了更好地了解免振压水泥稳定碎石基层的施工情况，对X205免振压水泥稳定碎石施工路段进行了后期跟踪检测。

（1）钻芯取样

7 d养生结束后，现场钻芯取样，芯样外观完整，无裂缝，且厚度满足要求。

（2）劈裂强度检测

将钻芯取样试件带回试验室，检测其劈裂强度。试件裁为Φ150 mm×150 mm大小，残缺部分用水泥浆补平。劈裂强度检测情况如表2所示。

从表2中可以看出，掺加减水剂和膨胀剂后，在一定程度上明显提高了免振压水泥稳定碎石的劈裂强度，且满足规范要求。

表2 钻芯取样劈裂强度试验结果

4 结语

免振水泥稳定碎石不但具有强度高、承载力大、水稳定性好等特点，而且具有潜在的综合经济效益［7-10］。在施工阶段，其不需采用振动压实，各性能参数亦能达到相应规范要求。作为一种在特殊条件下采用的水泥稳定碎石技术，能有效地减少噪音对周边环境的影响，满足建设环境友好型社会的要求。

［1］张志峰.振动压实对环境的影响［D］.西安：长安大学，2004.

［2］程箭.新型水泥稳定碎石级配组成及其路用性能研究［D］.上海：同济大学，2009.

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［4］JTGE60—2008公路路基路面现场测试规程［S］.

［5］JTG/T F20—2015公路路面基层施工技术细则［S］.

［6］JTG E51—2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程［S］.

［7］JTG E42—2005公路工程集料试验规程［S］.

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［10］汪海平，陈正国.聚羧酸类高效减水剂的研究现状与发展方向［J］.胶体与聚合物，2004（4）：31-33.

Research and Application of Free Vibration Pressure Technology of Cement Stabilized Macadam

Song Yazhou, Pan Fang
（Jiangsu Easttrans Engineering Detection Co. Ltd., Nanjing 226004, China）

This paper mainly introduced application of free vibration pressure cement stabilized macadam technology in residential areas, shops and other special conditions. It analyzed the optimal combination of the static compaction parameters to determine the free vibration of cement stable macadam mixture, and then conducted pressure and static compaction test. Based on an engineering example, the applicability of static compaction method and the feasibility of free vibration pressure cement stabibized macadam were verified.

free vibration pressure cement stabilized gravel; static compaction parameters; mixture ratio; compaction test

U415.6

A

1672-9889（2016）06-0022-04

2016-04-13）

宋亚洲（1984-），男，江苏连云港人，工程师，主要从事道路研究与检测工作。