基于分级振动方法的骨架密实型水泥稳定级配碎石混合料性能研究

黄祯敏，王斯倩，彭 波

（1.江西省天驰高速科技发展有限公司，江西 南昌 330103；2.江西省高速公路养护工程技术研究中心；3.长安大学公路学院，陕西 西安 710064）

1 引言

半刚性基层沥青路面是我国等级公路的最主要路面结构形式，而水泥稳定碎石材料在半刚性基层中应用最为广泛。随着大吨位振动压路机在半刚性基层材料压实工艺中的广泛使用，常用激振力大于35t的重型振动压路机与25t 以上的轮胎压路机进行组合使用[1]，基层材料的碾压效果得到了显著提高。传统的重型击实试验与静压成型试验已与当前水泥稳定碎石基层材料的振动压实工艺不相适应[2，3]。吕文全等[4]通过振动压实试验，提出确定骨架密实型水泥稳定碎石压实效果最佳时的VTM 配置条件。李海宁[5]开展了基于振动成型水泥稳定碎石基层材料设计研究，分析了振动压实原理以及振动压实仪工作原理，确定了合理的振动参数，提出采用振动法确定的压实标准具有明显的优势。

对于室内振动成型方法，国内研究主要与传统的重型击实试验和静压成型试验方法进行对比，形式上采用不间断的连续振动击实方法和连续振动成型方法，与施工现场水泥稳定碎石基层材料现场的振动碾压工况不尽相同，即同一位置的振动碾压存在短暂间歇期[6]。为模拟基层材料现场间歇振动碾压效果，本文提出了室内分级振动试验方法，研究了骨架密实型水泥稳定级配碎石混合料的不同击实特性，对比评价了不同方式成型试件的力学性能、抗冲刷性能和抗裂性能，可为水泥稳定级配碎石混合料的材料组成设计与施工质量控制提供参考借鉴。

2 材料与级配设计

2.1 原材料试验

2.1.1 水泥

采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，主要技术指标检测结果见表1。

表1 P·O42.5普通硅酸盐水泥主要技术性能

2.1.2 集料

集料物理性能及筛分级配见表2和表3。

表2 水泥稳定碎石用集料物理性能

表3 水泥稳定碎石用单档集料级配

2.2 骨架密实型级配设计

根据粗集料含量和空隙率的不同，将水泥稳定碎石分为悬浮密实结构、一般骨架密实结构和紧密骨架密实结构。基于多碎石沥青混凝土SAC级配设计方法及其选用关键筛孔的原则[6，7]，提出适用于骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法[8]，如式（1）所示，并将19mm、4.75mm和0.075mm筛孔作为骨架密实型级配设计方法的关键筛孔。

式中，Pdi为某筛孔尺寸di的质量通过率，%；di为某筛孔尺寸，mm；A1、A2、B1、B2为设计参数。

黄祯敏等[8]研究了不同细集料填充系数对水泥稳定碎石力学性能和路用性能的影响，确定骨架密实型水泥稳定碎石适用的细集料填充系数范围为0.63～0.75，对应的4.75mm 筛孔通过率范围为27%～33%，本文4.75mm设计的期望通过率为区间中值。《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）[1]中对于高速公路，推荐采用C-B-1 和C-B-2 级配范围进行混合料设计，目的是提高混合料抗离析性，此时0.075mm 通过率为2%～5%，适量的0.075mm 以下颗粒含量可以保证水泥稳定碎石混合料具有良好的抗疲劳性能，但合成矿料中0.075mm通过率不宜过高，将影响混合料的收缩性能，容易开裂，综合C-B-3设计级配范围中0.075mm 以下颗粒含量为0～3%，设计时将0.075mm 通过率控制在2%～3%。19mm 通过率大小直接影响骨架密实型水泥稳定碎石大粒径骨料含量，其含量不宜过小，根据工程经验，设计时19mm 通过率一般控制在72%。利用式（1）和表3 中的单档集料级配，确定各档集料的掺配比例为（0～5）mm：（5～10）mm：（10～20）mm：（20～30）mm=31：15：25：29，由此确定的试验级配见表4。

表4 骨架密实型水泥稳定级配碎石设计级配

3 室内分级振动试验方法

3.1 工作参数

振动压实机（VTM）是依照振动压路机的压实原理进行设计，分为上车和下车系统，对于不同稳定材料，通过调节振动压实机上下车的配重块数、偏心块夹角和变频器的频率等参数，以确定与设计稳定材料相匹配的工作参数。依据现行的无机结合料稳定材料振动压实试验方法[9]，一般选用面压力约0.1MPa，激振力约6800N，振动频率为28Hz～30Hz，偏心块夹角为60°，下车质量/整车质量0.6 左右，一般选用上车配重为3 块、下车配重为6块（上车配重块约4.5kg/个，下车配重块约5.5kg/个）。有关试验表明[4]，对于骨架密实型水泥稳定级配碎石，采用表5所示工作参数时材料的振动压实效果最佳。本文振动击实试验和振动成型试验采用表5所示参数。

表5 振动压实机（VTM）的工作参数

3.2 振动击实特性

3.2.1 振动击实时间

水泥剂量采用4.0%，试验级配见表4，骨架密实型水泥稳定级配碎石混合料预加含水率4.5%，连续振动击 实 时间依次为30s、45s、60s、75s、90s、120s、150s、180s，分别测试不同振动击实时间下混合料干密度，测试结果如图1所示。

图1 不同振动击实时间的击实曲线

由图1 可知，振动击实时间小于100s 时，随着振动击实时间增加，水泥稳定碎石击实试样的最大干密度增长迅速，振动击实时间大于100s后，增加振动击实时间，水泥稳定碎石击实试样的最大干密度增长速度趋于平缓，故选择拐点时间100s为振动击实时间参数。

3.2.2 振动击实方案

虽然室内振动试验方法较传统的重型击实方法能较好地模拟现场振动压实工况，但其采用连续振动方式进行试样击实和试件成型，振动压头与试件顶面的接触时间间隔很短几乎可以忽略，这与现场水泥稳定粒料在振动碾压阶段碾压密实过程不尽相同。基于此，本文尝试采用连续振动和分级振动（存在间歇时间）两种形式开展室内振动击实试验，分析不同振动击实方式对混合料密实性的影响，振动击实方案见表6。

表6 骨架密实型水泥稳定粒料设计的振动击实方案

3.2.3 振动击实试验

有关研究成果表明[10-14]，振动击实骨架密实型水泥试样最大干密度对含水率表现为较为敏感。因此，不同振动击实试验含水率间隔0.3%，预定的含水率依次为3.8%、4.1%、4.4%、4.7%、5.0%和5.3%，水泥剂量采用4.0%，并采用重型击实试验进行对比，不同击实曲线如图2所示，其中从左至右依次为振动击实方案1至方案3关于最大干密度与含水率的回归公式。

图2 不同击实方案的击实曲线

将击实参数表示为（最大干密度，最佳含水率）。由图2 可知，连续振动100s 的击实参数为（2.441 g/cm3，4.6%），分两级振动50s×2 的击实参数为（2.451 g/cm3，4.5%），分四级振动25s×4 的击实参数为（2.453g/cm3，4.5%），重型击实的参数为（2.379 g/cm3，4.8%），振动击实试验确定的最大干密度是重型击实的1.03 倍，最佳含水率是重型击实的0.94倍。与连续振动击实100s的混合料干密度相比，采用分级振动击实25s×4 时混合料最大干密度增大0.012g/cm3，最佳含水率减小0.1%，而分级振动50s×2时与分级振动击实25s×4时混合料最大干密度和最佳含水率比较接近。因此，从振动击实效率和效果而言，分级振动选择50s×2 方式更为合理。

3.3 振动成型试验

水泥剂量采用4.0%，试验级配见表1，水泥稳定级配碎石混合料预加含水率4.5%，连续振动成型时间依次为50s、60s、70s、80s、90s 和100s，分两级振动成型时间依次为25s×2、30s×2、35s×2、40s×2、45s×2 和50s×2，分别测试不同振动成型时间和方式下试件压实度，测试结果如图3所示。

图3 不同振动成型方式试件的压实度增长曲线

骨架密实型水泥稳定级配碎石试件计算压实度的最大干密度连续振动时采用2.441g/cm3，分两级振动时采用2.451g/cm3。由图3可知，随着振动成型时间延长，试件压实度呈先快速增长后增长趋于缓慢的变化规律；相同振动成型时间，分两级振动试件压实度大于连续振动试件。依据JTG/T F20—2015，高速公路、一级公路水泥稳定材料基层压实标准要求大于98%，满足此标准的连续振动成型时间为75s，分两级振动成型时间为35s×2，并以此作为振动成型试件的时间参数。

3.4 不同水泥剂量击实参数

为对比研究不同室内成型方式对骨架密实型水泥稳定级配碎石混合料性能的影响，水泥剂量采用3.0%、4.0%、5.0%，分别进行重型击实试验、连续振动击实试验（100s）、分级振动击实试验（50s×2），击实试验结果见表7。

表7 不同水泥剂量骨架密实型水泥稳定级配碎石混合料的击实参数

4 分级振动法成型试件性能

4.1 抗压强度

水泥剂量采用3.0%、4.0%、5.0%，振动成型Ф 150mm×h150mm 圆柱体试件，标准养生6d 泡水1d 后测试试件的7d 无侧限抗压强度，不同成型方法成型水泥稳定碎石圆柱体试件的7d无侧限抗压强度试验结果如图4所示。

图4 不同成型方式水泥稳定碎石混合料的7d无侧限抗压强度

由图4可知，不同水泥剂量，采用振动成型方式，骨架密实型水泥稳定级配碎石试件的7d无侧限抗压强度较静压成型试件大50%以上，采用3.0%水泥剂量，7d无侧限抗压强度代表值可以满足JTG/T F20—2015 中极重、特重交通高速公路和一级公路不小于5.0MPa 的要求，而采用静压成型方法强度不小于5.0MPa 的水泥剂量为4.0%，有关研究表明[8]振动成型试件强度与现场取芯强度接近；虽然分级振动成型时间较连续振动时间少了5s，但不同水泥剂量分级振动成型试件7d 无侧限抗压强度较连续振动成型试件大7.4%～12.5%，反映出分级振动成型水泥稳定级配碎石混合料更易形成稳固嵌挤密实结构。

4.2 劈裂强度

水泥剂量采用3.0%、4.0%、5.0%，振动成型Ф 150mm×h150mm 圆柱体试件，标准养生27d 泡水1d 后测试试件的28d劈裂强度，不同成型方法成型水泥稳定碎石圆柱体试件的28d劈裂强度试验结果如图5所示。

图5 不同成型方式水泥稳定碎石混合料的28d劈裂强度

由图5可知，不同水泥剂量，采用振动成型方式，骨架密实型水泥稳定级配碎石试件的28d 劈裂强度均较静压成型试件大，其中分级振动成型试件的28d劈裂强度较静压成型试件大20%以上，分级振动成型试件的28d劈裂强度较连续振动成型试件增长2.7%～6.9%。分析原因，采用振动成型方法，试件内部粗集料相互嵌挤形成稳固密实结构，水泥水化产物紧密裹覆集料表面，表现出试件发生间接拉伸破坏时需要施加更大的作用力。

4.3 抗压回弹模量

水泥剂量采用3.0%、4.0%、5.0%，振动成型Ф 150mm×h150mm 圆柱体试件，标准养生90d 后采用顶面法测试试件的抗压回弹模量，不同成型方法成型水泥稳定碎石圆柱体试件的90d 抗压回弹模量试验结果如图6所示。

图6 不同成型方式水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量

由图6 可知，不同水泥剂量，采用分级振动成型方式，骨架密实型水泥稳定级配碎石试件的90d抗压回弹模量较静压成型试件提高6.9%～13.8%，不同振动成型试件方式对抗压回弹模量的影响不及7d无侧限抗压强度、28d劈裂强度。分析原因，抗压回弹模量试验用试件标准养生90d，试件强度已基本形成，不同成型方法试件随着养生期的延长其抵抗变形能力差距变小，尽管如此，分级振动成型法试件仍然表现出更优的抗变形能力。

4.4 抗冲刷性能

水泥剂量采用3.0%、4.0%、5.0%，振动成型Ф 150mm×h150mm圆柱体试件，标准养生28d后，将饱水后试件按要求固定在冲刷桶中，并将其安置在MTS 试验机上冲刷30min，称取饱水试件冲刷前质量和冲刷物质量，然后计算各试件的冲刷质量损失，不同成型方法成型水泥稳定碎石圆柱体试件的冲刷试验结果如图7所示。

图7 不同成型方式水泥稳定碎石混合料的冲刷质量损失

由图7 可知，振动成型法试件骨架密实性好，其冲刷试验质量损失较静压成型方法试件小，变化水泥剂量3.0%～5.0%，采用振动成型法与静压成型法的冲刷质量损失差值相当，其中连续振动法试件的冲刷质量损失较静压成型法小0.06%～0.07%，分级振动法试件的冲刷质量损失平均较静压成型法小0.09%以上；增加水泥剂量，振动成型法试件内部集料与水泥石界面强度更大，黏结牢靠，在冲刷试验过程中掉粒较少，抗水损坏能力更强。

4.5 抗收缩开裂性能

水泥剂量采用4.0%，静压成型400mm×100mm×100mm 小梁试件，不同成型方法成型水泥稳定碎石混合料小梁试件，试件标准养生6d，养生结束后泡水1d，然后进行干缩试验和温缩试验，测试各个试件的干缩变形、含水率和温缩变形，不同成型方法水泥稳定碎石的平均干缩系数和温缩系数见表8。

表8 不同成型方式水稳碎石小梁试件的平均收缩系数

由表8 可知，不同成型法，对相同水泥剂量养生7d小梁试件的干缩系数、温缩系数有影响，表现为振动成型法试件的平均干缩系数和平均温缩系数均较静压成型法试件的小，与静压成型法相比，连续振动成型法试件的平均干缩系数小11.8%，平均温缩系数小17.5%，分级振动成型法试件的平均干缩系数小17.9%，平均温缩系数小24.8%。由此可见，不同成型方法对小梁试件的早期抗裂能力有显著差异，且主要预防水稳碎石材料在施工早期受湿度显著变化影响而发生的干缩开裂，采用合理的振动碾压方案的同时，应加强早期养生。

5 结语

本文研究了骨架密实型水泥稳定级配碎石的不同击实特性，并对比评价了不同方式成型试件的力学性能、抗冲刷性能和抗裂性能，得出以下结论：

①振动击实试验确定的最大干密度是重型击实的1.03倍，最佳含水率是重型击实的0.94倍。采用连续振动100s、分两级振动50s×2、分四级振动25s×4三种振动击实方案，总振动时间相同时，分级振动击实试样的干密度大于连续振动击实试样，且分级振动次数越多单次振动时间越短，击实试样最大干密度越大，不同振动击实方案最佳含水率比较接近。

②随着振动成型时间增加，试件压实度呈先快速增长后增长趋于缓慢的变化规律；振动成型时间相同时，分两级振动的试件压实度大于连续振动的试件压实度。

③采用同一抗压强度标准，振动试验方法确定的设计水泥剂量较传统静压成型方法低，有利于改善半刚性基层材料抗收缩开裂性能。

④与静压法相比，分级振动法成型试件的7d 无侧限抗压强度、28d 劈裂强度大幅提高，分别高出50%、20%以上，90d 抗压回弹模量提高6.9%～13.8%，冲刷质量损失减少0.09%以上，平均干缩系数和平均温缩系数分别减少17.9%、24.8%；与连续振动法相比，分级振动法成型试件的7d 无侧限抗压强度提高7.4%～12.5%，28d劈裂强度、90d抗压回弹模量、抗冲刷性能和抗收缩开裂性能差异不大。