振动压实水泥稳定碎石力学特性及影响因素分析

王富玉，张 勇，高连天，陈 昭，蒋应军

(1.吉林大学 交通学院 长春市 130012； 2.吉林省高速公路集团有限公司 长春市 130033；3.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室 西安市 710064)

水泥稳定碎石基层以较高的强度和承载力，目前在我国道路工程建设中广泛应用，而抗压强度是其重要的评价指标，也是施工质量的重要控制依据。以往学者对水泥稳定碎石强度的研究多基于静压法和重型击实法展开，随着筑路机械的更新换代，原有的成型方法已落后于生产实际，成型后的试件与现场不具有很好的相关性，其结果难以有效指导施工。研究表明，振动法(VVTM)成型水泥稳定碎石试件与现场芯样力学强度相关性高达90%，而静压法不足50%。鉴于此，基于VVTM开展养生龄期、水泥剂量、级配、压实度和成型方式等水泥稳定碎石抗压强度的影响因素研究，有助于揭示其组成结构与强度之间的内在规律，从而更好指导水泥稳定碎石的设计与施工。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

水泥：采用冀东牌P.O42.5缓凝水泥，技术指标略。

集料：采用安山岩，分为石屑、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～37.5mm四种粒径级，技术指标略。

1.2 配合比

分别采用悬浮密实级配(XM)和骨架密实级配(GM)，见表1。水泥剂量分别采用3.0%、3.5%和4.0%。

表1 矿料级配

1.3 试验方法

(1)试件成型方法

室内成型水泥稳定碎石试件采用《公路水泥稳定碎石抗裂设计与施工技术规范》(DB 41/T 864—2013)附录B和C规定的垂直振动击实试验方法(VVTE)确定试样的最大干密度、最佳含水率以及试件垂直振动成型方法(VPSM)成型试件。

VVTE所采用的垂直振动击实仪工作参数为：工作频率为30Hz±1Hz；名义振幅为1.3mm±0.05mm；工作重量为3.0kN±0.02kN；上车系统重量为1.2kN±0.01kN；下车系统重量为1.8 kN±0.01kN。确定水泥稳定碎石最佳含水率与最大干密度时采用VVTE振动击实100s，成型水泥稳定碎石圆柱体试件采用VVTE振动击实90s。

为说明振动试验方法更能满足实际工程要求，采用振动法(VPSM)和静压法(SPSM)成型试件，并对其抗压强度和劈裂强度进行对比。

(2)力学特性试验方法

力学特性试验主要测试试件的无侧限抗压强度，按照现行规范T0805进行。

2 各因素对水泥稳定碎石无侧限抗压强度的影响

2.1 养生龄期

(1)抗压强度试验结果及增长规律

不同水泥剂量、不同成型方式下的水泥稳定碎石试件标准养生至不同龄期后测试得到 95%保证率的无侧限抗压强度及增长曲线见表2及图1、图2。表中Ps表示水泥剂量。

表2 水泥稳定碎石无侧限抗压强度

由表1和图1、图2可知，不同级配类型、不同水泥剂量的水泥稳定碎石无侧限抗压强度在14d龄期前增长最快，28d龄期后增长缓慢，龄期超过90d后，强度增长趋于平缓，并逐渐趋近于一条水平线，该水平线所对应的纵截距即为无侧限极限抗压强度Rc∞。

通过数学回归方法得到振动成型不同级配、不同水泥剂量下水泥稳定碎石抗压强度增长方程，如式(1)，其中模型参数ξC见表3。由该方程可预估不同龄期水泥稳定碎石的无侧限抗压强度。

表3 水泥稳定碎石无侧限抗压强度增长方程参数

(1)

式中：T—养生龄期(d)；

Rc0—养生0d的无侧限抗压强度(MPa)；

Rc∞—极限抗压强度(MPa)；

R—养生Td的强度(MPa)；

ξC—回归系数。

(2)不同龄期抗压强度与极限抗压强度比根据抗压强度试验结果，计算不同龄期的抗压强度与极限抗压强度之比，结果见图3。

由图3可知，对比不同龄期强度与极限强度可知，水泥稳定碎石强度形成在前期增长较快，并且在60d龄期后，增长趋势开始趋于平缓，其中60d龄期形成强度为极限强度的87%左右，90d龄期形成的强度为极限强度的93%左右。因此，在具体施工建设过程中，应尽可能减少基层在强度快速形成龄期范围内外界环境影响以及外力荷载等造成的扰动。

2.2 水泥剂量

根据试验结果绘制抗压强度与水泥剂量关系图，见图4和图5。

由图4和图5可知，随水泥剂量增大，水泥稳定碎石强度逐渐增大。在水泥稳定碎石中，水泥水化反应产生出具有胶结能力的水化产物，在级配碎石空隙中相互交织搭接，将碎石颗粒包裹连接，使得级配碎石逐渐丧失原有塑性等性质，形成整体强度，这也是水泥稳定碎石强度的主要来源。

2.3 级配类型

计算GM级配和XM级配在相同水泥剂量与龄期条件下的无侧限抗压强度比rc，结果见表4。

表4 级配类型对水泥稳定碎石抗压强度的影响

由表4可知，GM级配和XM级配的无侧限抗压强度比rc在1.02～1.41的范围，采用GM级配可提高无侧限抗压强度，前期(28d)提升较为明显，后期强度提升幅度不大。

2.4 压实度

按96%、98%与100%的压实度振动成型水泥稳定碎石试件，采用GM和XM两种级配，水泥剂量为4%，测试不同压实度下的无侧限抗压强度，结果见图6。

由图6可知，不同级配、不同水泥剂量下，当压实度由96%提高至98%时，试件抗压强度提高16%～27%，即每提高1%压实度，抗压强度平均可提高11%左右；当压实度由98%提高至100%时，试件抗压强度提高15%～24%。由此可知，提高压实度，可提高水泥稳定碎石抗压强度效果。

2.5成型方式

振动法与静压法成型水泥稳定碎石试件Rc(v)与Rc(s)之比rc见表5，抗压强度偏差系数Cv见表6。

表5 两种方式成型试件抗压强度之比rc

由表5可知，在95%保证率下，振动成型的水泥稳定碎石试件无侧限抗压强度为静压成型试件强度的1.63～2.47倍。并且在龄期28d之前，rc随龄期增大而急剧增大；龄期在28d后，随龄期增加，rc变化幅度较小。

由表6可知，静压法成型试件的强度偏差系数明显较振动法大，表明不同成型方法对试件内部结构影响较大。静压成型试件对粗集料破碎、细集料填充存在较大随机性，表现出偏差系数较大，而振动成型试件比较稳定。

表6 两种成型方式水泥稳定碎石试件抗压强度偏差系数Cv(%)

此外，在密实度相同情况下，由于压实机理不同，静压法成型试件内部细集料填充不均匀、且粗集料有一定程度破碎。振动压实试件内部细集料填充相对均匀、粗集料破碎较少。不同成型方式水泥稳定碎石初始强度正好说明了这一点。

3 现场芯样与室内成型试件无侧限抗压强度比较

由表7可知，现场芯样与振动法成型试件的无侧限抗压强度相关性较高，说明振动成型法比静压成型法能更好地模拟现场实际施工效果，能更准确地预测水泥稳定碎石的长期力学性能。

表7 现场芯样、振动法、静压法成型试件7d无侧限抗压强度对比

4 结论

基于振动法和静压法研究级配类型、水泥剂量、养生龄期和压实度对水泥稳定碎石无侧限抗压强度的影响规律，得出如下结论：

(2)研究了级配类型、水泥剂量、压实度和成型方式对水泥稳定碎石无侧限抗压强度的影响规律，结果表明：与悬浮密实水泥稳定碎石相比，骨架密实水泥稳定碎石无侧限抗压强度平均提高15%；随水泥剂量增大，水泥稳定碎石无侧限抗压强度呈线性递增；压实度每提高1%，水泥稳定碎石无侧限抗压强度平均可提升11%；振动法成型试件的无侧限抗压强度较静压法成型试件的抗压强度平均可提升2倍。

(3)分析了现场芯样与室内成型试件的7d无侧限抗压强度，结果表明：现场芯样与振动法成型试件的无侧限抗压强度相关性高，振动成型法比静压成型法能更好地模拟现场实际施工效果。