洪 亮，劉 濤，楊三強(qiáng)

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆交通科學(xué)研究院 干旱荒漠地區(qū)公路工程技術(shù)行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830000)

水泥穩(wěn)定碎石混合料作為高等級(jí)公路基層應(yīng)用在我國(guó)大部分地區(qū)。水泥穩(wěn)定碎石基層振動(dòng)壓實(shí)與重型擊實(shí)對(duì)比分析較多。振動(dòng)成型設(shè)計(jì)方法在國(guó)內(nèi)已有多個(gè)省份廣泛采用，同時(shí)其也作為推薦的成型方式列入相關(guān)規(guī)范。而新疆地區(qū)的高等級(jí)公路和大量二級(jí)路都采用水泥穩(wěn)定礫石混合料作為基層，水穩(wěn)礫石基層施工中仍多采用傳統(tǒng)的重型擊實(shí)法確定最大干密度與最佳含水量，對(duì)振動(dòng)壓實(shí)法經(jīng)驗(yàn)積累相對(duì)較少，加之新疆水穩(wěn)礫石集料結(jié)構(gòu)與內(nèi)陸其他地區(qū)水穩(wěn)碎石集料結(jié)構(gòu)不同，重型擊實(shí)法施加沖擊荷載對(duì)被壓材料進(jìn)行壓實(shí)與振動(dòng)壓實(shí)通過(guò)高頻振動(dòng)作用使材料減小靜摩擦阻力來(lái)壓密的過(guò)程完全不同。因此，筆者在保持基本因素相同的情況下，對(duì)水泥穩(wěn)定礫石基層振動(dòng)壓實(shí)與重型擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行了比較分析。

1 成型方式比較

我國(guó)公路部門多年來(lái)利用重型擊實(shí)方法確定水泥穩(wěn)定材料最佳含水量和最大干密度。目前通常采用的重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)功相當(dāng)于12～15 t的靜力壓路機(jī)的碾壓效果。相比傳統(tǒng)的重型擊實(shí)，振動(dòng)成型設(shè)備在研制初期的目的即是充分模擬現(xiàn)場(chǎng)壓路機(jī)工作狀況，使集料形成共振、壓密。其振動(dòng)頻率、內(nèi)部偏心塊角度、激振力及振幅等參數(shù)基本與應(yīng)用廣泛的單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)一致。研究采用與國(guó)內(nèi)研究應(yīng)用的振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)方式基本匹配的振動(dòng)壓實(shí)成型儀，本試驗(yàn)使用儀器的基本參數(shù)見(jiàn)表1。振動(dòng)壓路機(jī)與光輪靜碾壓路機(jī)工作參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 振動(dòng)壓實(shí)儀與重型擊實(shí)儀工作參數(shù)Table 1 Working parameters of vibrating compactor and modified proctor compactor

表2 振動(dòng)壓路機(jī)與靜碾光輪壓路機(jī)工作參數(shù)Table 2 Vibratory roller and static effect roller working parameters

由表1、表2可知，采用的振動(dòng)壓實(shí)成型方式的振動(dòng)頻率、振幅等參數(shù)與振動(dòng)壓路機(jī)參數(shù)基本吻合，且均為由上向下的表面振動(dòng)模式。更為重要的，振動(dòng)壓實(shí)功是重型擊實(shí)的2.2倍，振動(dòng)壓路機(jī)的動(dòng)線荷載是靜碾壓路機(jī)的1.8倍，兩者也基本吻合[1]。因此從振動(dòng)參數(shù)、振動(dòng)方式及壓實(shí)功來(lái)分析，采用振動(dòng)壓實(shí)成型方式與振動(dòng)壓路機(jī)更為匹配，可更有效地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

2 級(jí)配礫石力學(xué)性能比較

本研究所采用級(jí)配礫石為南疆G3012阿克蘇-喀什高速公路三標(biāo)建設(shè)項(xiàng)目水穩(wěn)礫石施工料場(chǎng)生產(chǎn)，水泥采用32.5復(fù)合硅酸鹽水泥。礫石顆粒表面光滑，沒(méi)有破損的裂紋，基本上是橢球型。相對(duì)于碎石顆粒棱角分明，礫石顆粒的獨(dú)特外形也對(duì)水泥穩(wěn)定礫石基層物理力學(xué)性能起到一定影響，其物理性質(zhì)介于固體與流體之間，其顆粒具有流動(dòng)性，對(duì)維護(hù)面可產(chǎn)生一定壓力，抗剪能力取決于圍壓的大小，即具有壓硬性；與金屬材料相比具有剪脹性，即在純剪應(yīng)力下產(chǎn)生體積變形[2-3]。礫石集料各項(xiàng)路用性能指標(biāo)均滿足JTJ 034—2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《034施工規(guī)范》)以及JTG D 50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《06設(shè)計(jì)規(guī)范》)要求，具體指標(biāo)從略。

3 振動(dòng)壓實(shí)和重型擊實(shí)試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)方法

新疆屬大陸性干旱和半干旱氣候區(qū)，大部分地區(qū)年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，季節(jié)溫差、日溫差較大。通過(guò)對(duì)新疆各地區(qū)典型路段相關(guān)資料調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水泥穩(wěn)定礫石基層水泥摻量在施工過(guò)程中一般控制在3%～6%之間。水穩(wěn)礫石基層在濕度、溫度變化時(shí)易產(chǎn)生干縮、溫縮裂縫，導(dǎo)致瀝青面層形成反射裂縫進(jìn)而影響路用性能和使用壽命[4]。這一方面是因?yàn)楦珊祷哪畢^(qū)惡劣的自然環(huán)境，級(jí)配礫石的干縮、溫縮變形相比較水泥要小，水泥摻量的增大在病害發(fā)展中起到了一定的促進(jìn)作用；另一方面水泥穩(wěn)定礫石集料不同級(jí)配類型對(duì)于水穩(wěn)基層抗裂也有一定影響。通過(guò)采用3種級(jí)配類型，摻加3%、6%水泥劑量對(duì)所設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定礫石基層材料進(jìn)行振動(dòng)與擊實(shí)對(duì)比試驗(yàn)，從而對(duì)不同級(jí)配類型和高、低水泥劑量下振動(dòng)與擊實(shí)關(guān)系進(jìn)行分析。

3.2 級(jí)配的確定

本研究具體選擇依據(jù)連續(xù)嵌擠優(yōu)化級(jí)配，采用均勻設(shè)計(jì)、多級(jí)填充等方法綜合考慮最大干密度最大、級(jí)配衰減最小等指標(biāo)，選取了骨架密實(shí)型級(jí)配一組，與此同時(shí)，還依據(jù)《06設(shè)計(jì)規(guī)范》選配了懸浮密實(shí)型和骨架空隙型級(jí)配各一組進(jìn)行對(duì)比分析。具體級(jí)配與各檔篩孔通過(guò)百分率見(jiàn)表3。

表3 不同級(jí)配類型集料通過(guò)百分率Table 3 Passing percentage of different distribution types

4 最佳含水量及最大干密度

4.1 含水量對(duì)壓實(shí)效果的影響

含水量在公路路面基層壓實(shí)過(guò)程中起著重要的作用，也是很重要的一個(gè)控制指標(biāo)。為了對(duì)比在振動(dòng)壓實(shí)與重型擊實(shí)條件下達(dá)到最佳壓實(shí)效果所需含水量的關(guān)系，試驗(yàn)選用以上3種級(jí)配類型，3%，6%摻量水泥穩(wěn)定礫石混合料進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)以及重型擊實(shí)，進(jìn)行含水量影響試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定礫石在振動(dòng)壓實(shí)下，含水量對(duì)壓實(shí)效果的影響很敏感，而且振動(dòng)壓實(shí)法得到的最佳含水量要比重型擊實(shí)法小10%～20%。表4、表5分別列出骨架密實(shí)型3%水泥摻量的水泥穩(wěn)定礫石基層(GM3%)重型與振動(dòng)壓實(shí)含水量。

表4 重型擊實(shí)下GM3%的含水量與干密度值Table 4 Moisture content and dry density of GM3% under MPCM

表5 振動(dòng)壓實(shí)下GM3%的含水量與干密度值Table 5 Moisture content and dry density of GM3% under VCM

通過(guò)對(duì)3種級(jí)配類型，3%，6%摻量水泥穩(wěn)定礫石混合料進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)以及重型擊實(shí)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，重型擊實(shí)含水量成不規(guī)則拋物線方式，最佳含水量在拋物線的頂點(diǎn)；而在振動(dòng)頻率固定在28～30 Hz情況下，振動(dòng)壓實(shí)含水量曲線成上升趨勢(shì)，振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中因提漿而出現(xiàn)的泌水現(xiàn)象會(huì)因增加配水而加重，含水量在上升的最高點(diǎn)(最佳含水量點(diǎn))趨于平衡(圖1)，不會(huì)因增加配水而改變最佳含水量。

圖1 振動(dòng)壓實(shí)下GM3%的含水量與干密度曲線Fig.1 Curve of moisture content and dry density of GM3% under VCM

通過(guò)對(duì)比分析，水泥穩(wěn)定礫石混合料振動(dòng)狀態(tài)下雙層壓實(shí)時(shí)間合計(jì)在80～100 s左右壓頭就會(huì)出現(xiàn)跳起現(xiàn)象。相對(duì)比于國(guó)內(nèi)其他地區(qū)使用的級(jí)配碎石，級(jí)配礫石顆粒外表面光滑，基本上是橢球型，這種結(jié)構(gòu)相較于碎石結(jié)構(gòu)棱角少的多，在沖擊力或振動(dòng)狀態(tài)作用下都更容易被壓實(shí)。若振動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)水泥穩(wěn)定礫石混合料會(huì)因已形成剛體而產(chǎn)生共振，這對(duì)振動(dòng)壓實(shí)儀器會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞。振動(dòng)成型最佳含水量要比重型擊實(shí)的稍低，平均低10%～20%左右。這主要因水在壓實(shí)過(guò)程中起潤(rùn)滑作用,振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中會(huì)因共振而產(chǎn)生提漿現(xiàn)象使過(guò)多的水滲透出試件；同時(shí)，最佳含水量的大小與水泥劑量和級(jí)配礫石中0.075 mm以下集料含量多少有關(guān)[5]。所以通過(guò)振動(dòng)來(lái)減小阻力的振動(dòng)壓實(shí)所需的水分相對(duì)于重型擊實(shí)法要少一些，振動(dòng)成型的最佳含水量要比重型擊實(shí)的稍低。

4.2 擊實(shí)方式對(duì)最大干密度影響

振動(dòng)與重型擊實(shí)成型的最大干密度具有明顯的線性關(guān)系而且具有較好的相關(guān)性, 可以根據(jù)一種成型方法的結(jié)果推求另一種方法的結(jié)果。根據(jù)以上3類級(jí)配類型，3%、6%兩種水泥摻量的試驗(yàn)結(jié)果得到振動(dòng)成型在確定最大干密度上占有很大優(yōu)勢(shì)。筆者列舉了骨架密實(shí)型(GM)3%、6%水泥摻量的水泥穩(wěn)定礫石基層振動(dòng)與重型擊實(shí)最大干密度和最佳含水量的對(duì)比結(jié)果(表6)。

表6 不同水泥摻量下級(jí)配礫石最大干密度及最佳含水量Table 6 The optimum moisture content and the maximum dry density of graded gravel with different cement dosage

通過(guò)分析表6結(jié)果，針對(duì)于不同級(jí)配類型的水泥穩(wěn)定礫石混合料在振動(dòng)壓實(shí)后最大干密度都有較大程度的提高，相比較于重型擊實(shí)法，都提高了1.01～1.02倍，使用振動(dòng)壓實(shí)時(shí)水泥穩(wěn)定礫石混合料最佳含水量也降低了10%～20%，振動(dòng)壓實(shí)方法可以使粗集料和細(xì)集料形成更緊密的排列組合。這一方面是由于振動(dòng)成型壓實(shí)功大幅度增加，另一方面，振動(dòng)成型施加的沖擊力，使被壓材料之間的摩擦力由初始的靜摩擦狀態(tài)逐漸進(jìn)入到動(dòng)摩擦狀態(tài)，材料間的摩擦阻力減小，而且由于共振作用使振動(dòng)頻率和被壓材料的固有頻率一致時(shí)被壓材料的受迫運(yùn)動(dòng)最大，材料最易密實(shí)。通過(guò)這兩方面的共同作用使級(jí)配礫石在振動(dòng)狀態(tài)作用下最大干密度大幅度提高。這種結(jié)構(gòu)密實(shí)度較高，強(qiáng)度相應(yīng)增加，水泥劑量也可以相應(yīng)減少，對(duì)于降低水穩(wěn)基層溫縮干縮病害起到一定的防治作用。通過(guò)對(duì)振動(dòng)與重型擊實(shí)對(duì)比分析，試驗(yàn)使用了兩種水泥劑量，但是最大干密度并沒(méi)有起太大的變化，這說(shuō)明增加一定水泥用量對(duì)水泥穩(wěn)定礫石的最大干密度影響不大。在試驗(yàn)過(guò)程中還注意到因礫石粒徑較大，一個(gè)顆粒的差別就有十幾克之多，礫石混合料在裝填擊實(shí)試件鋼模時(shí)級(jí)配稍有點(diǎn)不均勻就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此振動(dòng)與重型擊實(shí)法對(duì)裝料的均勻性也較為敏感，這就意味著不同的試驗(yàn)人員操作同一批試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程一定要非常小心，稍有不注意最終得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可能就有一定誤差。

5 振動(dòng)與重型擊實(shí)對(duì)集料級(jí)配衰退的影響

重型擊實(shí)試驗(yàn)和振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)都是直接施加沖擊力作用于擊實(shí)筒中集料上，擊實(shí)功都非常大，試驗(yàn)過(guò)程很容易使集料被擊碎導(dǎo)致混合料級(jí)配產(chǎn)生較大變化[6-7]。為定量分析兩種擊實(shí)方法對(duì)水泥穩(wěn)定礫石級(jí)配的影響，對(duì)經(jīng)過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)和振動(dòng)壓實(shí)的混合料進(jìn)行水洗篩分，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 振動(dòng)壓實(shí)與重型擊實(shí)級(jí)配衰退通過(guò)率Table 7 The declination passing percentage of VCM and MPCM

從表7可以看出，使用振動(dòng)壓實(shí)和重型擊實(shí)方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)都會(huì)改變混合料的級(jí)配，但是重型擊實(shí)級(jí)配通過(guò)率變化量要大于振動(dòng)壓實(shí)數(shù)據(jù)，特別19 mm和4.75 mm篩孔變化量很大。這主要是由于擊實(shí)過(guò)程中混合料的較大粒徑(主要是粒徑大于19 mm的礫石)被擊碎，導(dǎo)致粒徑大于19 mm礫石大量減少，19 mm篩孔通過(guò)率變大，這也導(dǎo)致4.75 mm和2.36 mm篩孔通過(guò)率也相應(yīng)變大。但總體來(lái)看重型擊實(shí)的破壞偏差要略大于振動(dòng)壓實(shí)法。

6 振動(dòng)與重型擊實(shí)對(duì)7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)水泥穩(wěn)定基層強(qiáng)度的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]。試驗(yàn)對(duì)不同級(jí)配的水泥穩(wěn)定礫石混合料，采用振動(dòng)成型和靜壓成型法制備試件。以13個(gè)試件為一組，采用3倍均方差剔除異常值，同一組實(shí)驗(yàn)的變異系數(shù)Cv(%)≤15%進(jìn)行7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)分析。級(jí)配見(jiàn)表3，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 8 7 d unconfined compressive strength /MPa

試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)還是骨架孔隙結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定礫石，隨著水泥劑量的增加混合料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)；相同水泥劑量下，3種級(jí)配振動(dòng)成型的抗壓強(qiáng)度要比靜壓法成型的要高，從抗壓強(qiáng)度比值來(lái)看，振動(dòng)成型的試件是靜壓成型的1.2～1.4倍。骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)成型出的試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)和骨架孔隙結(jié)構(gòu)。

7 結(jié) 論

1)與重型擊實(shí)相比振動(dòng)壓實(shí)確定的最佳含水量系統(tǒng)減小，振動(dòng)壓實(shí)相比較重型擊實(shí)最佳含水量減小10%～20%。

2)振動(dòng)頻率固定在28～30 Hz情況下，振動(dòng)壓實(shí)含水量曲線成上升趨勢(shì)，含水量在上升的最高點(diǎn)(最佳含水量)趨于平衡。

3)礫石顆粒外表面光滑，基本上是橢球型。在沖擊力或振動(dòng)狀態(tài)作用下都較容易被壓實(shí)，水泥穩(wěn)定礫石混合料振動(dòng)狀態(tài)下雙層壓實(shí)時(shí)間合計(jì)在80～100 s左右壓頭就會(huì)出現(xiàn)跳起現(xiàn)象。

4)對(duì)于不同級(jí)配的成型方式對(duì)最大干密度的影響表現(xiàn)出相同的規(guī)律。即振動(dòng)成型方式確定的最大干密度是重型擊實(shí)結(jié)果的1.01～1.02倍。

5)重型擊實(shí)儀垂頭的重?fù)袅?duì)礫石的級(jí)配破壞要大于振動(dòng)壓實(shí)儀壓頭面壓力。

6)相同水泥劑量下，振動(dòng)成型的試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要比靜壓法成型的要高；從抗壓強(qiáng)度比值來(lái)看，振動(dòng)成型的試件是靜壓成型的1.2～1.4倍。

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