水泥穩(wěn)定碎石垂直振動(dòng)壓實(shí)特性及路用性能研究

任 剛， 韓戰(zhàn)濤， 李佳佳， 胡光勝， 李碩磊

（1.中國(guó)建筑第七工程局有限公司，鄭州 450000； 2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州 450052）

在公路工程施工中，水泥穩(wěn)定碎石由于具有較高的強(qiáng)度、良好的整體性、突出的承載能力和水穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠滿足作為路面結(jié)構(gòu)承重層的基本要求，還能夠盡可能地利用當(dāng)?shù)夭牧?，具有明顯的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，使水泥穩(wěn)定碎石成為公路基層、底基層施工中應(yīng)用最廣泛的鋪筑材料［1］. 但是，受水泥特性的影響，當(dāng)水泥摻量較大時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層易產(chǎn)生干縮和溫縮［2-3］，在交通荷載和溫度荷載作用下，進(jìn)一步引起瀝青路面的反射性裂縫［4］，成為水穩(wěn)碎石結(jié)構(gòu)層應(yīng)用必須面對(duì)的困境.

近年來(lái)，眾多學(xué)者試圖在不影響水泥穩(wěn)定碎石基層質(zhì)量的前提下，通過(guò)優(yōu)化水泥穩(wěn)定混合料配合比、強(qiáng)化施工工藝控制等方法，降低水泥用量，從而實(shí)現(xiàn)緩解甚至消除瀝青路面反射裂縫的目的. 振動(dòng)成型方法就是一種行之有效的方法［5-7］，受到大家的關(guān)注. 楊洪生等通過(guò)對(duì)振動(dòng)拌合與傳統(tǒng)強(qiáng)制式拌和的水泥穩(wěn)定碎石的擊實(shí)特性、強(qiáng)度指標(biāo)、施工和易性進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：振動(dòng)壓實(shí)的水泥穩(wěn)定碎石的壓實(shí)特性、抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均比傳統(tǒng)攪拌的強(qiáng)度高［8］. 王富玉等［9］通過(guò)對(duì)采用垂直振動(dòng)和靜壓兩種方法成型的3種不同水泥摻量（3.0%、3.5%、4.0%）的水泥穩(wěn)定碎石，經(jīng)過(guò)不同養(yǎng)生齡期（3、7、14、28、60、90、120、180 d）后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了試件成型方法、水泥摻量、級(jí)配種類、養(yǎng)生時(shí)間等因素對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響規(guī)律，突出了振動(dòng)成型水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì). 劉振華等［10］通過(guò)振動(dòng)和擊實(shí)兩種成型方法對(duì)骨架懸浮、骨架空隙和骨架密實(shí)三種結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石在不同水泥摻量和壓實(shí)度條件下開(kāi)展擊實(shí)試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分別建立了兩種擊實(shí)方法下，水泥穩(wěn)定碎石的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度間的線性回歸關(guān)系，結(jié)果顯示振動(dòng)成型有利于提高水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度性能指標(biāo).

目前，關(guān)于水泥穩(wěn)定碎石的振動(dòng)壓實(shí)方面已有較多的研究成果［11-13］，但在實(shí)際工程中得到應(yīng)用的并不多，其主要原因在于：現(xiàn)階段，水泥穩(wěn)定碎石工程施工常用的質(zhì)量控制和室內(nèi)試驗(yàn)方法是重型擊實(shí)和靜壓成型，但目前振動(dòng)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、振動(dòng)成型方法與靜壓試件成型方法尚未建立準(zhǔn)確關(guān)系，無(wú)法有效指導(dǎo)施工［14］. 本文通過(guò)對(duì)不同試驗(yàn)方法（振動(dòng)壓實(shí)、振動(dòng)成型和重型擊實(shí)、靜壓成型）、不同級(jí)配類型（骨架密實(shí)、懸浮密實(shí)和骨架空隙）、不同水泥摻量（3.0%、3.5%、4.0%、4.5%）的水泥穩(wěn)定碎石開(kāi)展擊實(shí)試驗(yàn)和力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)，對(duì)比分析不同條件下振動(dòng)成型和靜壓成型的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果及抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度等指標(biāo)變化，以便建立振動(dòng)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、振動(dòng)成型試件力學(xué)性能和靜壓成型試件力學(xué)性能間的聯(lián)系，為振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)在水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層的應(yīng)用提供支持.

1 原材料及實(shí)驗(yàn)儀器

1.1 水泥

所用水泥為同力牌P.O 42.5 級(jí)緩凝水泥，相關(guān)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1.

表1 水泥相關(guān)技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indicators of cement

1.2 集料

所用集料產(chǎn)地為河南禹州，按粒徑大小共分0～＜4.75、4.75～＜9.5、9.5～＜19、19～＜31.5 mm 四種規(guī)格，主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表2，所用粗、細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)滿足有關(guān)要求.

表2 集料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indicators of aggregates

1.3 振動(dòng)壓實(shí)儀器參數(shù)

結(jié)合河南省地方標(biāo)準(zhǔn)［15］要求，所用振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)設(shè)備的工作頻率為30 Hz，振幅為（1.3±0.05）mm，上車系統(tǒng)重（1.2±0.01）kN，下車系統(tǒng)重（1.8±0.01）kN.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石的骨架空隙結(jié)構(gòu)（GK型）、骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)（GM型）和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)（XM型）三種結(jié)構(gòu)類型［16］，選取3.0%、3.5%、4.0%、4.5%四個(gè)水泥摻量（外摻），分別采用《公路水泥穩(wěn)定碎石抗裂設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)范》（DB41/T 864—2013）附錄B和《和公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）T0804規(guī)定的方法進(jìn)行振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)和重型擊實(shí)試驗(yàn)，得到不同條件下水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度（ρdmax）和最佳含水率（ωopt），如表3.

表3 兩種擊實(shí)方法下的試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of the two compaction methods

從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出：對(duì)于三種級(jí)配類型的水泥穩(wěn)定碎石，從ωopt上看，GM型結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)擊實(shí)結(jié)果小于重型擊實(shí)，另外兩種結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)擊實(shí)結(jié)果均大于重型擊實(shí)；從ρdmax來(lái)看，與重型擊實(shí)結(jié)果相比，采用振動(dòng)擊實(shí)的GM型級(jí)配提高了約1.3%～1.9%，XM型級(jí)配提高2.3%左右，骨架空隙型級(jí)配提高0.5%～1.0%；對(duì)不同的級(jí)配類型，GM型結(jié)構(gòu)的ωopt居中，ρdmax最大.

2.2 不同條件下7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

按《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）T0843和《公路水泥穩(wěn)定碎石抗裂設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)范》（DB41/T 864—2013）附錄C 的規(guī)定，分別采用靜壓成型法和振動(dòng)成型法制作不同水泥摻量（3.0%、3.5%、4.0%、4.5%）、不同壓實(shí)度（96%、97%、98%）下三種級(jí)配類型的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度圓柱體（φ15 cm×15 cm）試件，按JTG E51—2009中T0845的規(guī)定養(yǎng)生后，進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4.

從表4可以看出：①對(duì)于三種類型的水泥穩(wěn)定碎石，水泥摻量為3.0%的垂直振動(dòng)成型的試件抗壓強(qiáng)度與水泥摻量4.5%的靜壓成型試件接近或更高，說(shuō)明在抗壓強(qiáng)度要求相同時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石采用振動(dòng)成型時(shí)的水泥摻量可比靜壓成型至少降低約1.5%；②相同壓實(shí)度和水泥摻量下，振動(dòng)壓實(shí)時(shí)三種類型水泥穩(wěn)定碎石試件的抗壓強(qiáng)度關(guān)系為GM型＞GK型＞XM型，靜壓成型時(shí)GM型水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度最高，XM型和GK型結(jié)構(gòu)相差不大，說(shuō)明GM型結(jié)構(gòu)具有突出的抗壓性能；③相同級(jí)配和水泥摻量下，壓實(shí)度為96%時(shí)的三種級(jí)配振動(dòng)壓實(shí)抗壓強(qiáng)度均高于靜壓成型，說(shuō)明96%壓實(shí)度下的水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)壓實(shí)所能達(dá)到的抗壓強(qiáng)度可滿足98%壓實(shí)度的靜壓成型抗壓強(qiáng)度要求；④相同條件下，振動(dòng)成型的抗壓強(qiáng)度較靜壓成型均有明顯提高，且隨著壓實(shí)度的降低，提高幅度逐漸增大，說(shuō)明振動(dòng)成型能夠使水泥穩(wěn)定碎石的結(jié)構(gòu)更加密實(shí).

表4 不同條件下水泥穩(wěn)定碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of 7-day unconfined compressive strengths of cement stabilized macadam under different conditions

2.3 不同條件下劈裂強(qiáng)度關(guān)系

按照表3的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，分別采用振動(dòng)壓實(shí)和靜壓成型制作水泥摻量3.0%、3.5%、4.0%、4.5%，壓實(shí)度96%、97%、98%的劈裂強(qiáng)度試件，按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）規(guī)定的方法經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后，進(jìn)行無(wú)壓條法劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 不同條件下水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of splitting strengths of cement stabilized macadam under different conditions

從表5可以看出：①同一壓實(shí)度下，三種級(jí)配試件的劈裂強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而提高，振動(dòng)成型試件的劈裂強(qiáng)度提高幅度比靜壓成型更大，說(shuō)明振動(dòng)成型對(duì)水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度的改善更顯著；②壓實(shí)度和水泥摻量相同時(shí)，振動(dòng)壓實(shí)和靜壓成型的三種類型水泥穩(wěn)定碎石試件抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)為GM型＞XM型＞GK型，說(shuō)明GM型結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石具有較強(qiáng)的抗劈裂性能；③級(jí)配類型和壓實(shí)度相同時(shí)，振動(dòng)壓實(shí)3.0%水泥摻量的劈裂強(qiáng)度接近甚至大于靜壓成型4.0%水泥摻量的劈裂強(qiáng)度，振動(dòng)壓實(shí)3.5%水泥摻量的劈裂強(qiáng)度接近甚至大于靜壓成型4.5%水泥摻量的劈裂強(qiáng)度，說(shuō)明僅從劈裂強(qiáng)度來(lái)看，振動(dòng)成型的水泥摻量可比靜壓成型降低1%以上；④級(jí)配類型和水泥摻量相同時(shí)，振動(dòng)成型96%壓實(shí)度的劈裂強(qiáng)度明顯高于靜壓成型98%壓實(shí)度的強(qiáng)度，說(shuō)明振動(dòng)成型的壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)比靜壓成型降低2%，劈裂強(qiáng)度仍能滿足要求.

2.4 不同條件下抗壓回彈模量關(guān)系

抗壓回彈模量表征的是基層承受車輛荷載的能力，抗壓回彈模量越大，結(jié)構(gòu)層的承載能力越強(qiáng)［17-20］. 為此，以壓實(shí)度98%的水泥穩(wěn)定碎石為例，通過(guò)采用振動(dòng)成型和靜壓成型兩種方法成型GM型、XM型和GK型三種級(jí)配類型、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%四個(gè)水泥摻量的水泥穩(wěn)定碎石試件，按照標(biāo)準(zhǔn)方法養(yǎng)生后，測(cè)試各試件的回彈模量，試驗(yàn)時(shí)荷載分7個(gè)等級(jí)逐級(jí)加載至最大壓應(yīng)力（0.7 MPa），結(jié)果見(jiàn)表6.

表6 兩種成型方法下抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results of compressive resilience modulus under two molding methods

從表6可以看出：①相同壓實(shí)度和水泥摻量下，采用振動(dòng)壓實(shí)和靜壓成型的三種類型水泥穩(wěn)定碎石試件抗壓回彈模量的大小關(guān)系均表現(xiàn)為GM 型＞GK 型＞XM 型，說(shuō)明GM 型結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層的承載能力最強(qiáng)［21］；②同等級(jí)配類型和壓實(shí)度條件下，振動(dòng)壓實(shí)3.0%水泥摻量與靜壓成型4.0%水泥摻量、振動(dòng)壓實(shí)3.5%水泥摻量與靜壓成型4.5%水泥摻量的抗壓回彈模量接近，說(shuō)明從抗壓回彈模量來(lái)看，相同條件下水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)成型可比靜壓成型降低水泥摻量約1%；③相同級(jí)配類型和水泥摻量時(shí)，96%壓實(shí)度下振動(dòng)成型的抗壓回彈模量高于98%壓實(shí)度下靜壓成型的抗壓回彈模量，而且隨著水泥摻量的提高，抗壓回彈模量的提高幅度增大，說(shuō)明工程應(yīng)用中振動(dòng)成型的壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)可比靜壓成型降低約2%.

3 結(jié)論

1）對(duì)于骨架密實(shí)（GM型）、懸浮密實(shí)（XM型）和骨架空隙（GK型）三種類型水泥穩(wěn)定碎石，相同水泥摻量下，振動(dòng)擊實(shí)的最大干密度（ρdmax）均較重型擊實(shí)有所提高，但XM型的最佳含水率（ωopt）大于重型擊實(shí)，而GM型和GK型小于重型擊實(shí)，且振動(dòng)成型時(shí)，GM型結(jié)構(gòu)的ρdmax最大而ωopt居中，間接說(shuō)明振動(dòng)成型對(duì)GM型結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石的擊實(shí)效果具有較大影響.

2）三種結(jié)構(gòu)類型水泥穩(wěn)定碎石的路用性能試驗(yàn)結(jié)果表明：相同條件下，振動(dòng)成型的水泥穩(wěn)定碎石各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于靜壓成型，而水泥摻量可比靜壓成型降低1%～1.5%，而且振動(dòng)成型下，GM型結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)明顯優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)，說(shuō)明GM型結(jié)構(gòu)是水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)成型的最佳結(jié)構(gòu).

3）水泥摻量相同時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石96%壓實(shí)度下振動(dòng)成型的力學(xué)性能指標(biāo)與98%壓實(shí)度下靜壓成型相當(dāng)或偏高，說(shuō)明若水泥穩(wěn)定碎石的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)要求相同，振動(dòng)成型的壓實(shí)度控制可較靜壓成型降低2%.