振动与击实成型方法下水泥稳定碎石性能试验研究

2019-09-05刘振华修占国

水利与建筑工程学报 2019年4期

刘振华，贺鹏，陈泽，修占国

(1.中建五局华东建设有限公司，浙江平湖 312400； 2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819)

路基材料对于道路的性能和使用年限起着决定性作用，材料的选择一直是专家学者探究的热点。水泥稳定碎石由于早期强度高、稳定性好、整体性强等优势，一直以来被作为路基材料研究的重点方向。李丽慧等[1]以含砖再生建筑垃圾为原料,配制了两种级配再生骨料，通过击实试验研究了不同配合比的再生水泥稳定碎石。郑亚强等[2]通过将钢渣和粉煤灰作为路面基层材料，对钢渣粉煤灰基层材料的性能进行研究。寇梦婕等[3]以郑石高速公路为工程背景，研究了水泥稳定风化岩在沥青路面的基层中的应用。王龙等[4]、袁斌等[5]和李明杰等[6]利用振动压实法研究了激振力、激振频率和振幅等对水泥稳定碎石的性能探究。呙贵等[7]和吕松涛等[8]研究了水泥稳定碎石混合料的回弹模量与无侧限抗压强度之间的关系。焦双健等[9]研究了玄武岩纤维水泥稳定碎石的配合比，分析了水泥剂量等不同因素对玄武岩纤维水泥稳定碎石劈裂强度影响的主次关系。杨洪生等[10]、延西利等[11]和薛翠真等[12]对比分析了振动与传统搅拌的水泥稳定碎石的性能。

振动压实法[13-15]是道路工程中重要的压实方式，极大的改善了基层压实度，提高基层的强度，减少裂缝，提高基层质量。但目前在工程设计或理论研究中，依然以静力压实法为主，深入的振动压实研究十分缺乏，这导致理论和实际断层，使振动压实应用受到极大制约，所以振动压实法的理论深化分析具有重要工程意义。本文以实际工程为背景，采用振动与击实试验两种方法制备大量试件，研究了水泥稳定碎石振动成型试件的物理和力学指标，进行回归分析，建立了最优含水率、最大干密度、7 d无侧限抗压强度和劈裂强度的内在关系，给出了两种成型方法下力学指标的转换式，丰富振动压实法的理论，佐证了该法下骨料密实型结构的水泥稳定碎石的无侧限抗压强度和劈裂强度等方面明显优于规范推荐的悬浮密实型，为类似工程提供了值得借鉴的经验。

1 试验设备与试验设计

1.1 试验设备简介

振动压实采用BZYS4212振动压实仪，工艺参数采用频率30 Hz，振动块夹角30°，击振力7 612 N,振幅1.4 mm,根据本文所用试件高度振动时间为2 min。该设备可以较好模拟路基振动压实机械的压实机理，通过对材料施加击振力使材料处在一种相对运动状态,集料间的摩擦力由静摩擦力变为动摩擦力,而使两者的压实效果相接近。劈裂强度试验采用NYL-300型压力试验机，最大加载速度为0.05 MPa/s。

1.2 试验设计

试验以平湖乍浦至上海兴塔公路(01省道至平兴公路段)工程为背景，水泥稳定碎石原材料采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，骨料用压碎值不超过30%的石屑和碎石颗粒，为了更好地配比水泥稳定碎石，按照实验室5种粒径标准筛进行了室内筛分试验，对初拟的3个方案进行标准击实试验和7 d无侧限抗压强度试验等，最终确定了基层水泥稳定碎石混合料按骨架密实型结构设计，配合比为：30%(0.00 mm～2.36 mm石屑)：10%(2.36 mm～4.75 mm碎石)：40%(4.75 mm～19.00 mm碎石)：20%(19.00 mm～31.50 mm碎石)，水泥剂量分别为3%、4%、5%、6%和7%。与骨架空隙结构和悬浮密实结构[12]进行对比，级配曲线见图1。

图1实验采用的级配

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[16](JTG E51—2009)和《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[17](JTG E30—2005)，采用Φ150 mm×300 mm的圆柱体试件作为无侧限抗压强度和劈裂强度试验试件，干缩试件采用100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体构件，每一个方案各为2组试件，每一组3个平行试件，在最优含水率和设计压实度(98%)条件下成型，按着规程标准方法养护。根据试验确定的最佳含水率和最大干密度, 分别采用振动压实法和击实法制作无侧限抗压强度试件, 将试件装入塑料袋内密闭,在20℃±2℃, 相对湿度≥95%的条件下养护6 d, 浸水1 d后取出, 进行无侧限抗压强度试验和劈裂试验。

2 试验结果分析

2.1 成型方法对物理指标影响

在两种成型方法下，研究3种级配在5种水泥剂量下最佳含水率与最大干密度的关系，每种水泥剂量试件做3组互为对照，取均值作为该种水泥剂量的物理指标。试验结果如表1所示。

两种成型方法对应的最佳含水率关系如图2所示，并对两种成型方法下最佳含水率进行线性回归分析。由图2可知，两种成型方法对应的最佳含水率呈线形关系，并且这种关系与级配类型有关。其中骨架空隙与骨架密实结构，振压最佳含水率较击实含水率较小；悬浮密实结构，振压成型最佳含水率较击实最佳含水量较大，其中，振动成型最佳含水率比击实成型平均值高出0.55%。两种方法下对应最佳含水率关系为：

w2=1.22w1-2.63，R=0.85

(1)

式中：w1为击实成型最佳含水率；w2为振动成型最佳含水率。

表1 物理指标试验结果

图2击实成型与振动成型最佳含水率关系

两种击实方法下对应干密度关系如图3所示，并对两种成型方法下干密度进行线性回归分析。

第二，加官同，看殿阁。四殿二阁的排位自高而低依次是中极殿、建极殿、文华殿、武英殿、文渊阁、东阁。翰林学士低于殿阁大学士。以殿阁大学士之外的头衔进内阁须额外注明，如“入”“直”内阁等。

图3击实成型与振动成型干密度关系

由图3可知，两种成型方法下对应干密度呈线形关系，并且振压干密度大于击实干密度。对于不同级配类型，干密度变化情况也不同。骨架空隙结构，两种成型方法对应干密度差别较小；对于骨架密实与悬浮密实型结构，两种成型方法对应干密度差别逐渐增大。振动成型最大干密度比击实成型最大干密度平均值高出3.2%。两种成型方法下对应干密度关系为：

ρd2,max=1.32ρd1,max+0.35，R=0.94

(2)

式中：ρd1,max为击实干密度；ρd2,max为振压干密度。

2.2 成型方法对无侧限抗压强度的影响

试验中材料的压实度、最佳含水率和最大干密度均会对7 d无侧限抗压强度产生影响，试验采用控制变量的方法。研究两种成型方法7 d无侧限抗压强度之间的关系。具体试验变量如表2所示。

表2 试验变量一览表

按照级配类型对采集到的数据进行整理，并对数据进行拟合，在不同水泥剂量下，两种成型方法7 d无侧限抗压强度相关性分析如表3所示，表中所列回归方程通过数据拟合得到。

表3 两种成型方法下抗压强度关系

式中：Rj为击实成型7 d无侧限抗压强度；Rz为振压成型7 d无侧限抗压强度。

对回归方程进行相关性检验时，通过计算得到相关系数R，以判断回归方程显著性水平，各工况的Rα,f可由相关系数临界值表[9]查出。相关系数R需满足大于临界值Rα,f的要求，同时R越接近于1说明回归方程拟合度越好。

研究三种级配类型回归曲线，可以得出空隙型的斜率最大，悬浮密实型的最小，说明振动成型骨架空隙型级配强度增长最大，骨架密实型次之，而悬浮密实型最小。三种级配的截距相差不大。从上述分析中可知振动成型方法能体现不同级配类型强度特点。

表4 两种成型方法下抗压强度关系

式中：Rj为击实成型7 d无侧限抗压强度；Rz为振压成型7 d无侧限抗压强度。

研究不同压实度下回归曲线的斜率和截距，当压实度为98%回归曲线的斜率最大，说明压实度为98%振动成型对强度的提高最为明显，其原因为压实度为98%时，在振动压实条件下，颗粒之间形成最为紧密，保证压密而没有压碎，从而其强度增加幅度最大。当压实度为96%时，其压实程度不足，不能形成嵌固结构。当压实度为100%时，部分颗粒被压碎，形成新的断裂面，由于缺少水泥的胶结作用，强度的增长率在下降。从截距与压实度的关系可知，随着压实度增加，回归曲线的截距在增大，压实度对截距的影响较小，而成型方法对截距的影响较大。

2.3 成型方法对劈裂强度的影响

劈裂强度是反映材料内部黏聚力大小的物理量，劈裂强度越大，表明材料间粘结作用就越强。试验为研究两种成型方法下劈裂强度之间的关系，分析水泥稳定碎石在5种水泥剂量、三种级配和压实度下的关系。试件按照规程[16]中对水泥稳定碎石成型试件在标准养护条件下养护28 d。

按照级配类型对采集到的数据进行整理，并对数据进行拟合，在不同水泥剂量下，两种成型方法劈裂强度相关性分析如表5所示，表中所列回归方程通过数据拟合得到。

表5 两种成型方法下劈裂强度关系

式中：Pj为击实成型劈裂强度；Pz为振压成型劈裂强度。

从表5中可以看出骨架空隙型的斜率最大，说明振动成型骨架空隙型级配强度增长最大；骨架密实型与悬浮密实型次之且两者的斜率差别较小，说明振动成型对骨架密实型与悬浮密实型两种密实型级配强度增长影响规律相近。从上述分析中可知振动成型方法能体现不同级配类型强度特点。

压实度是影响材料强度的重要因素，通过对不同压实度条件下两种成型方法按照不同压实度采集到的数据进行整理，并对数据进行拟合，在不同水泥剂量下，两种成型方法下劈裂强度相关性分析如表6所示，表中所列回归方程通过数据拟合得到。

表6 两种成型方法下抗压强度关系

式中：Pj为击实成型劈裂压强度；Pz为振压成型劈裂强度。

以骨架空隙结构为例，当压实度为98%回归曲线的斜率最大，说明压实度为98%振动成型对强度的提高最为明显，其原因为压实度为98%时，在振动压实条件下，材料被压密且颗粒没有被压碎，此时，颗粒间最为密。当压实度为96%时，此时压实度相对压实不足，斜率相对较小。当压实度为100%时，材料部分颗粒被压碎，形成新的断裂面，因此斜率相对压实度为98%的小，较压实度96%的略大。研究两种压实方法劈裂强度关系曲线，可知两种成型方法对应劈裂强度呈明显线性关系，振动成型劈裂强度均大于击实成型劈裂强度。