田耀剛，石帥鋒，肖 燕，李煒光（長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710064）

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＊成型方式對(duì)厚層水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能影響

田耀剛，石帥鋒，肖 燕，李煒光
（長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710064）

摘 要：基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了不同成型方式（振動(dòng)成型和標(biāo)準(zhǔn)靜壓成型）對(duì)整體大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能（力學(xué)性能、體積變形性能和抗沖刷性能）的影響。結(jié)果表明：大激勵(lì)振動(dòng)一次成型厚層水泥穩(wěn)定碎石基層上部結(jié)構(gòu)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量均大于其下部結(jié)構(gòu)，其差異性隨齡期增長(zhǎng)而降低，且上部與下部結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能兼高于標(biāo)準(zhǔn)靜壓成型水泥穩(wěn)定碎石基層；兩種方式成型對(duì)水泥穩(wěn)定碎石干縮、溫縮及抗沖刷性能影響規(guī)律與力學(xué)性能相同。

關(guān)鍵詞：成型方式；厚層水泥穩(wěn)定碎石；基層；路用性能

（E－mail）tianguang78＠126．com

通訊聯(lián)系人：李煒光，教授，主要從事新型道路建筑材料研究，（Tel）13002977615

水泥穩(wěn)定碎石基層因具有強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)和穩(wěn)定性好而廣泛應(yīng)用于我國(guó)道路工程中，其施工成型方式主要為靜壓成型和振動(dòng)成型，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能影響顯著［1－4］。20世紀(jì)90年代前，由于公路交通量小、重載現(xiàn)象少且受施工設(shè)備技術(shù)限制，水泥穩(wěn)定碎石基層多采用重型壓路機(jī)靜壓成型［5］，靜壓成型壓實(shí)效果隨厚度增加而快速降低，易使基層壓實(shí)不均，進(jìn)而導(dǎo)致路面產(chǎn)生開裂、沉陷等病害［6］。隨著施工碾壓機(jī)械技術(shù)水平不斷提高，高噸位、大功率振動(dòng)碾壓機(jī)械得以實(shí)現(xiàn)并逐漸成為路面主要碾壓方式［7］，由此采用一次攤鋪碾壓成型工藝成型厚層水泥穩(wěn)定碎石基層成為可能。厚層水泥穩(wěn)定碎石基層整體性能良好、承載力強(qiáng)且成型施工效率高，能夠適應(yīng)我國(guó)公路交通重載、大流量的特點(diǎn)［8］，具有廣闊的應(yīng)用前景。厚層水泥穩(wěn)定碎石基層的研究主要集中在國(guó)內(nèi)，相關(guān)研究涉及配合比設(shè)

計(jì)、壓實(shí)度評(píng)價(jià)、路用性能等方面［9－15］，缺少成型方式對(duì)厚層水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能影響的系統(tǒng)研究?；诖耍疚耐ㄟ^大激振力振動(dòng)一次成型厚層水穩(wěn)碎石試件與標(biāo)準(zhǔn)靜壓成型試件對(duì)比分析其力學(xué)性能、體積變形性能和抗沖刷性能，以研究不同成型方式對(duì)厚層水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能影響規(guī)律，為厚層水泥穩(wěn)定碎石基層施工與性能控制提供數(shù)據(jù)

支撐。

1　試驗(yàn)方法

1．1 試件成型方法和力學(xué)性能試驗(yàn)

靜壓成型和振動(dòng)成型均采用最佳含水量、最大干密度相同的級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石，壓實(shí)度均為100%。靜壓成型按《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ057－94）Φ15cm×15cm圓柱體試件；振動(dòng)成型采用長(zhǎng)安大學(xué)自行研制的大激振力試驗(yàn)儀，分層振動(dòng)成型Φ15cm×30cm圓柱體試件模擬厚層水泥穩(wěn)定碎石基層，每層循環(huán)錘擊兩次，擊實(shí)錘順序見圖1所示。

圖1　振動(dòng)成型錘擊線

為使振動(dòng)成型試件和靜壓成型試件具有可比性，將養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期的振動(dòng)成型試件從中間兩截鋼模連接處切成兩節(jié)Φ15cm×15cm的標(biāo)準(zhǔn)試件，并用水泥砂漿將斷裂面補(bǔ)平，然后分別脫模。

試驗(yàn)中碎石為石灰?guī)r，水泥標(biāo)號(hào)為P．S．32．5水泥，水泥用量4．0%，采用《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ034－2000）中規(guī)定的水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配中值，見圖2所示。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生到規(guī)定齡期后，按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ057－94）對(duì)抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量進(jìn)行測(cè)試。

圖2　厚層水泥穩(wěn)定碎石試驗(yàn)級(jí)配曲線

1．2 體積變形性能試驗(yàn)

1．2．1 干縮試驗(yàn)

采用振動(dòng)和靜壓兩種成型方式分別成型40cm ×10cm×10cm的中梁試件。將試件成型好后立即脫模，將帶有三角支架的千分表固定到試件表面，在溫度20±1℃、濕度在60%±5%的試驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定試件干縮變形量。

1．2．2 溫縮試驗(yàn)

采用振動(dòng)和靜壓兩種方式分別成型40cm× 10cm×10cm的中梁試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到28d，將試件烘10～12h至恒量。試件與標(biāo)準(zhǔn)材料溫度補(bǔ)償試件以半橋法接入應(yīng)變儀中，應(yīng)變片按規(guī)定方向貼在試件表面，再將被測(cè)試件與標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償試件放入恒溫箱中溫度降低到10℃，恒溫2h后以設(shè)定的升溫速度升高直到50℃，在升溫過程中，程序每2min會(huì)自動(dòng)采集一個(gè)點(diǎn)的溫縮應(yīng)變值。

1．2．3 抗沖刷試驗(yàn)

采用長(zhǎng)安大學(xué)自行研制的沖刷試驗(yàn)儀測(cè)試厚層水泥穩(wěn)定碎石基層在車輛荷載和水耦合作用下的抗沖刷性能。試件直徑和高均為15cm的圓柱體，分別采用振動(dòng)和靜壓成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生到28d，泡水24 h后將其固定到?jīng)_刷儀上，加入適量的水，使液面超過試件頂面5mm，進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，5min后將試件取出，收集沖刷桶里的剩余物并烘干稱重，按照下式計(jì)算平均沖刷量：

式中：C為平均沖刷量，g／min；m為t時(shí)間內(nèi)的沖刷量，g；t為沖刷時(shí)間，min。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 力學(xué)性能

對(duì)振動(dòng)和靜壓成型試件不同齡期的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果分別如圖3，振動(dòng)成型試件的上下層及其與靜壓成型試件力學(xué)性能差異度見表1所示。

圖3　振動(dòng)和靜壓成型對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層力學(xué)性能影響

由圖3可知，各齡期振動(dòng)成型試件抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量均高于靜壓成型試件；振動(dòng)成型試件的上層強(qiáng)度和抗壓回彈模量高于下層；振動(dòng)和靜壓兩種成型方式下試件抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量隨齡期延長(zhǎng)而提高，振動(dòng)成型試件早期強(qiáng)度和抗壓回彈模量增長(zhǎng)速度明顯大于靜壓成型試件；振動(dòng)成型試件28d齡期后抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯，而靜壓成型試件28d齡期后抗壓強(qiáng)度還有較明顯的增大。

表1　上層與靜壓、上層與下層試件力學(xué)性能差異度

分析原因，這主要是因?yàn)殪o壓成型利用器械施加荷載使水泥穩(wěn)定碎石產(chǎn)生剪應(yīng)力、發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致骨料顆粒相互靠近，提高壓實(shí)性和密實(shí)性。隨著施加靜荷載提高，骨料的嵌擠作用與摩擦阻力增加，對(duì)外加靜載產(chǎn)生支撐分擔(dān)作用，阻止骨料顆粒發(fā)生大范圍移動(dòng)，骨料間隙中細(xì)顆粒膠結(jié)材料難以均勻密實(shí)成型，這一趨勢(shì)隨著水穩(wěn)碎石厚度增大而更加明顯，表現(xiàn)出靜壓成型時(shí)，水穩(wěn)碎石基層上部直接受壓部分與下部荷載傳遞間接受力部分的壓實(shí)度差異較大，增加厚度時(shí)難以均勻壓實(shí)［13］。

而采用振動(dòng)成型方式時(shí)，在較大振動(dòng)荷載激勵(lì)作用下，水泥穩(wěn)定碎石混合料的顆粒由初始靜止態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)態(tài)，承壓粒料間的摩擦力也由靜摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦狀態(tài)。混合料體系中密度小的水分在振動(dòng)荷載作用下發(fā)生遷移，在粒料表面形成一層水膜。發(fā)揮潤(rùn)滑作用，在此作用下粒料更易發(fā)生重新排布；與此同時(shí)，細(xì)骨料與水泥漿體在振動(dòng)荷載作用下填充到粗骨料的空隙中，提高水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)的密實(shí)性與均勻性，加之外界大激振力施加的荷載，增大了骨料間嵌擠作用和內(nèi)摩阻力。此外，振動(dòng)作用使部分水分從灰漿體中遷移出來，分散到厚層水穩(wěn)碎石體系結(jié)構(gòu)的孔隙中，優(yōu)化水分在試件中的分布，降低了灰漿體的水灰比。當(dāng)水泥水化使體系中水分降低時(shí)，分布在骨料孔隙中的水分會(huì)及時(shí)釋放出來，發(fā)揮到內(nèi)部養(yǎng)護(hù)作用；灰漿體水灰比降低不僅提高其自身的強(qiáng)度、表現(xiàn)出強(qiáng)度增長(zhǎng)快，同時(shí)會(huì)改善水泥漿體與骨料之間的界面粘結(jié)，從而提高了試件的整體性能，表現(xiàn)出振動(dòng)成型試件抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量早期增長(zhǎng)快且均高于同齡期靜壓成型試件。然而，由于受基層厚度大特點(diǎn)和振動(dòng)成型工藝的影響，縱使采用大激勵(lì)振動(dòng)成型厚層水泥穩(wěn)定碎石基層，其上下層壓實(shí)度仍存在差異，上層壓實(shí)度大于下層壓實(shí)度［13］，導(dǎo)致厚層水泥穩(wěn)定碎石基層力學(xué)性能上層要優(yōu)于下層。

2．2 體積變形性能

2．2．1 干縮

對(duì)振動(dòng)和靜壓成型試件不同齡期干縮性能分別進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖4。

圖4　成型方式對(duì)水穩(wěn)碎石干縮性能影響

由圖4知，兩種成型方式下成型水泥穩(wěn)定碎石試件的干縮均隨齡期延長(zhǎng)而增大，靜壓成型試件干縮性能均高于同齡期振動(dòng)成型試件；兩種成型方式下試件早齡期（4～24h）干縮變化幅度較其它齡期干縮變化幅度大，在4～24h內(nèi)，靜壓成型試件和振動(dòng)成型試件干縮量變化幅度分別達(dá)到20．8%和26．7%。

分析原因，如前所述，振動(dòng)成型時(shí)，較大振動(dòng)荷載的激勵(lì)作用不僅可提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的密實(shí)性，還可使灰漿中密度小的水分發(fā)生遷移，灰漿體中水分逸出并聚集在周圍粗大顆粒之間的空隙中，灰漿體的有效水灰比降低，孔隙率降低，固化灰漿體更加密實(shí)。振動(dòng)成型的水泥穩(wěn)定碎石密實(shí)結(jié)構(gòu)可有效削弱體系內(nèi)部水分向環(huán)境中逸失，其粗大粒料空隙中聚集的水分可發(fā)揮內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用向灰漿體提供水分，從而降低灰漿體水化硬化產(chǎn)生的收縮。與此相比，靜壓成型時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石上下層壓實(shí)程度不均、也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)荷載激勵(lì)時(shí)水分的分離與聚集，無法發(fā)揮內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用且灰漿體的有效水灰比較大，因此表現(xiàn)出靜壓成型同齡期試件干縮比振動(dòng)成型試件大的現(xiàn)象。

2．2．2 溫縮

對(duì)振動(dòng)和靜壓成型試件不同時(shí)間點(diǎn)的溫縮性能分別進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖5所示。

圖5　溫縮變化曲線對(duì)比圖

由圖5知，靜壓成型試件10～50℃時(shí)溫縮應(yīng)變值均大于振動(dòng)成型試件，兩種試件溫縮應(yīng)變值變化均隨著時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸增大。這主要是因?yàn)殪o壓成型的水泥穩(wěn)定碎石灰漿體中有效水灰比較大，其硬化結(jié)構(gòu)中有較多的毛細(xì)孔、凝膠孔和空隙且里面分布著未水化完全的水分，這些水分在溫度變化情況下通過熱脹冷縮小變形累積使試件發(fā)生宏觀變形，動(dòng)成型可使灰漿體中水分在其固化前分離出來，降低水泥穩(wěn)定碎石灰漿體水灰比，在提高固化漿體強(qiáng)度的同時(shí)減少其內(nèi)部含水率，從而使得振動(dòng)成型試件溫縮應(yīng)變和溫縮系數(shù)小于靜壓成型試件。此外，研究發(fā)現(xiàn)，混合料中粗骨料的溫縮系數(shù)較小，而砂粒以下顆粒特別是黏土礦物的溫縮系數(shù)較大［16－18］。細(xì)集料在碾壓過程中容易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，隨著溫度的變化，團(tuán)聚在一起的細(xì)集料容易產(chǎn)生溫度應(yīng)力集中現(xiàn)象，使厚層水泥穩(wěn)定碎石基層產(chǎn)生較大的溫縮應(yīng)變；振動(dòng)成型方式是以一定振動(dòng)頻率對(duì)厚層水泥穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行振動(dòng)碾壓，機(jī)械振動(dòng)作用破壞了細(xì)集料的團(tuán)聚現(xiàn)象，使細(xì)集料分散開并進(jìn)入到粗集料空隙中，減弱了細(xì)集料產(chǎn)生的溫度應(yīng)力集中對(duì)厚層水泥穩(wěn)定碎石基層影響，從而減小了厚層水泥穩(wěn)定碎石基層的溫縮應(yīng)變。

2．3 抗沖刷性能

在雨季，路面容易產(chǎn)生積水，當(dāng)積水進(jìn)入到基層后，在車輛荷載的耦合作用下，產(chǎn)生動(dòng)水壓力，使基層受到?jīng)_刷破壞，因此對(duì)基層抗沖刷性能的研究至關(guān)重要［18－20］。對(duì)振動(dòng)和靜壓成型試件平均沖刷量分別進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖6。

由圖6知，靜壓成型試件的平均沖刷量大于振動(dòng)成型試件。從振動(dòng)成型到靜壓成型，試件平均沖刷量增長(zhǎng)幅度為3．8%。

圖6　成型方式對(duì)水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能影響

分析原因，如前所述，與靜壓成型相比，適當(dāng)頻率與作用時(shí)間下的振動(dòng)成型可促使骨料與漿體的均勻分布，提高結(jié)構(gòu)的整體性和密實(shí)性；此外，振動(dòng)成型可使水分從灰漿中分離出來并聚集在嵌擠粗骨料形成的空隙中，降低灰漿水灰比的同時(shí)發(fā)揮內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，提高硬化水泥漿體的強(qiáng)度與密實(shí)性，改善骨料與水泥漿體的界面粘結(jié)性能，振動(dòng)作用影響隨厚度增大而降低，表現(xiàn)出振動(dòng)成型試件上層抗沖刷性能比下層優(yōu)良；而靜壓成型試件缺少振動(dòng)作用，灰漿中的水分難以分離并聚集于空隙中，灰漿漿體的水灰比偏大，硬化水泥漿體強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)密實(shí)性差，骨料與水泥漿體的界面粘結(jié)性能較差，在動(dòng)水壓力作用時(shí)，細(xì)集料容易被沖刷流失，抗沖刷性能不如振動(dòng)成型試件。

3　結(jié)論

1）成型方式對(duì)厚層水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能有顯著影響。大激勵(lì)振動(dòng)一次成型厚層水穩(wěn)碎石基層上部和下部結(jié)構(gòu)均比標(biāo)準(zhǔn)靜壓成型基層具有更優(yōu)良的力學(xué)性能、體積變形性能和抗沖刷性能；

2）受激振力作用范圍的影響，振動(dòng)成型大厚基層上部結(jié)構(gòu)的路用性能優(yōu)于下部結(jié)構(gòu)，但其差異性隨齡期延長(zhǎng)而降低；

3）采用大激勵(lì)振動(dòng)一次成型方式成型30cm厚層水泥穩(wěn)定碎石基層可獲得良好的路用性能。

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（編輯：賈麗紅）

Effect of Molding Methods on Pavement Performance of Thick Cement Stabilized Macadam Base

TIAN Yaogang，SHI Shuaifeng，XIAO Yan，LI Weiguang
（School of Materials Science and Engineering，Chang’an University，Xi’an710064，China）

Abstract：Based on simulation test in laboratory，the effects of different molding methods（vibrating compaction and standard static pressure）on overall large－thickness cement stabilized macadam base were studied，in terms of mechanical properties，volume deformation，and erosion resistance．The results show that unconfined compressive strength，splitting strength，and compressive modulus of the upper layer are all higher than those of the lower layer for the thick cement stabilized macadam base molded by largely vibrating compaction．And it also indicates that the difference in the mechanical properties between the upper and lower layers decreases with age growth．It is obtained that the mechanical properties of both upper and lower layers for the thick cement stabilized macadam base molded by largely vibrating force were larger than those of cement stabilized macadam base molded by standard static pressure；and on the other hand，the effects of drying shrinkage，temperature shrinkage，and erosion resistance are similar to those of mechanical properties on the cement stabilized macadam base molded by two methods．

Key words：molding method；thick cement stabilized macadam；base；pavement performance

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：基于聚合物多級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的混凝土減振集料形成機(jī)理與力學(xué)響應(yīng)（51208046）；交通運(yùn)輸部建設(shè)科技基金資助項(xiàng)目：熱帶多雨區(qū)公路保暢快修材料開發(fā)與應(yīng)用研究（2013318J09230）；河南省交通運(yùn)輸廳科技基金資助項(xiàng)目；路面瀝青免壓快速修復(fù)材料與技術(shù)研究（2012D11）

作者簡(jiǎn)介：田耀剛（1978－），男，陜西富平人，博士，副教授，主要從事道路建筑材料教學(xué)與科研工作，（Tel）15191573872，

文章編號(hào)：1007－9432（2015）03－0278－05＊

收稿日期：2014－10－25

DOI：10．16355／j．cnki．issn1007－9432tyut．2015．03．006

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U416．1