基于分級振動方法的骨架密實型水泥穩定級配碎石混合料性能研究

黃禎敏，王斯倩，彭 波

（1.江西省天馳高速科技發展有限公司，江西 南昌 330103；2.江西省高速公路養護工程技術研究中心；3.長安大學公路學院，陜西 西安 710064）

1 引言

半剛性基層瀝青路面是我國等級公路的最主要路面結構形式，而水泥穩定碎石材料在半剛性基層中應用最為廣泛。隨著大噸位振動壓路機在半剛性基層材料壓實工藝中的廣泛使用，常用激振力大于35t的重型振動壓路機與25t 以上的輪胎壓路機進行組合使用[1]，基層材料的碾壓效果得到了顯著提高。傳統的重型擊實試驗與靜壓成型試驗已與當前水泥穩定碎石基層材料的振動壓實工藝不相適應[2，3]。呂文全等[4]通過振動壓實試驗，提出確定骨架密實型水泥穩定碎石壓實效果最佳時的VTM 配置條件。李海寧[5]開展了基于振動成型水泥穩定碎石基層材料設計研究，分析了振動壓實原理以及振動壓實儀工作原理，確定了合理的振動參數，提出采用振動法確定的壓實標準具有明顯的優勢。

對于室內振動成型方法，國內研究主要與傳統的重型擊實試驗和靜壓成型試驗方法進行對比，形式上采用不間斷的連續振動擊實方法和連續振動成型方法，與施工現場水泥穩定碎石基層材料現場的振動碾壓工況不盡相同，即同一位置的振動碾壓存在短暫間歇期[6]。為模擬基層材料現場間歇振動碾壓效果，本文提出了室內分級振動試驗方法，研究了骨架密實型水泥穩定級配碎石混合料的不同擊實特性，對比評價了不同方式成型試件的力學性能、抗沖刷性能和抗裂性能，可為水泥穩定級配碎石混合料的材料組成設計與施工質量控制提供參考借鑒。

2 材料與級配設計

2.1 原材料試驗

2.1.1 水泥

采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，主要技術指標檢測結果見表1。

表1 P·O42.5普通硅酸鹽水泥主要技術性能

2.1.2 集料

集料物理性能及篩分級配見表2和表3。

表2 水泥穩定碎石用集料物理性能

表3 水泥穩定碎石用單檔集料級配

2.2 骨架密實型級配設計

根據粗集料含量和空隙率的不同，將水泥穩定碎石分為懸浮密實結構、一般骨架密實結構和緊密骨架密實結構?；诙嗨槭癁r青混凝土SAC級配設計方法及其選用關鍵篩孔的原則[6，7]，提出適用于骨架密實型水泥穩定碎石級配設計方法[8]，如式（1）所示，并將19mm、4.75mm和0.075mm篩孔作為骨架密實型級配設計方法的關鍵篩孔。

式中，Pdi為某篩孔尺寸di的質量通過率，%；di為某篩孔尺寸，mm；A1、A2、B1、B2為設計參數。

黃禎敏等[8]研究了不同細集料填充系數對水泥穩定碎石力學性能和路用性能的影響，確定骨架密實型水泥穩定碎石適用的細集料填充系數范圍為0.63～0.75，對應的4.75mm 篩孔通過率范圍為27%～33%，本文4.75mm設計的期望通過率為區間中值?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g細則》（JTG/T F20—2015）[1]中對于高速公路，推薦采用C-B-1 和C-B-2 級配范圍進行混合料設計，目的是提高混合料抗離析性，此時0.075mm 通過率為2%～5%，適量的0.075mm 以下顆粒含量可以保證水泥穩定碎石混合料具有良好的抗疲勞性能，但合成礦料中0.075mm通過率不宜過高，將影響混合料的收縮性能，容易開裂，綜合C-B-3設計級配范圍中0.075mm 以下顆粒含量為0～3%，設計時將0.075mm 通過率控制在2%～3%。19mm 通過率大小直接影響骨架密實型水泥穩定碎石大粒徑骨料含量，其含量不宜過小，根據工程經驗，設計時19mm 通過率一般控制在72%。利用式（1）和表3 中的單檔集料級配，確定各檔集料的摻配比例為（0～5）mm：（5～10）mm：（10～20）mm：（20～30）mm=31：15：25：29，由此確定的試驗級配見表4。

表4 骨架密實型水泥穩定級配碎石設計級配

3 室內分級振動試驗方法

3.1 工作參數

振動壓實機（VTM）是依照振動壓路機的壓實原理進行設計，分為上車和下車系統，對于不同穩定材料，通過調節振動壓實機上下車的配重塊數、偏心塊夾角和變頻器的頻率等參數，以確定與設計穩定材料相匹配的工作參數。依據現行的無機結合料穩定材料振動壓實試驗方法[9]，一般選用面壓力約0.1MPa，激振力約6800N，振動頻率為28Hz～30Hz，偏心塊夾角為60°，下車質量/整車質量0.6 左右，一般選用上車配重為3 塊、下車配重為6塊（上車配重塊約4.5kg/個，下車配重塊約5.5kg/個）。有關試驗表明[4]，對于骨架密實型水泥穩定級配碎石，采用表5所示工作參數時材料的振動壓實效果最佳。本文振動擊實試驗和振動成型試驗采用表5所示參數。

表5 振動壓實機（VTM）的工作參數

3.2 振動擊實特性

3.2.1 振動擊實時間

水泥劑量采用4.0%，試驗級配見表4，骨架密實型水泥穩定級配碎石混合料預加含水率4.5%，連續振動擊 實 時間依次為30s、45s、60s、75s、90s、120s、150s、180s，分別測試不同振動擊實時間下混合料干密度，測試結果如圖1所示。

圖1 不同振動擊實時間的擊實曲線

由圖1 可知，振動擊實時間小于100s 時，隨著振動擊實時間增加，水泥穩定碎石擊實試樣的最大干密度增長迅速，振動擊實時間大于100s后，增加振動擊實時間，水泥穩定碎石擊實試樣的最大干密度增長速度趨于平緩，故選擇拐點時間100s為振動擊實時間參數。

3.2.2 振動擊實方案

雖然室內振動試驗方法較傳統的重型擊實方法能較好地模擬現場振動壓實工況，但其采用連續振動方式進行試樣擊實和試件成型，振動壓頭與試件頂面的接觸時間間隔很短幾乎可以忽略，這與現場水泥穩定粒料在振動碾壓階段碾壓密實過程不盡相同?；诖?，本文嘗試采用連續振動和分級振動（存在間歇時間）兩種形式開展室內振動擊實試驗，分析不同振動擊實方式對混合料密實性的影響，振動擊實方案見表6。

表6 骨架密實型水泥穩定粒料設計的振動擊實方案

3.2.3 振動擊實試驗

有關研究成果表明[10-14]，振動擊實骨架密實型水泥試樣最大干密度對含水率表現為較為敏感。因此，不同振動擊實試驗含水率間隔0.3%，預定的含水率依次為3.8%、4.1%、4.4%、4.7%、5.0%和5.3%，水泥劑量采用4.0%，并采用重型擊實試驗進行對比，不同擊實曲線如圖2所示，其中從左至右依次為振動擊實方案1至方案3關于最大干密度與含水率的回歸公式。

圖2 不同擊實方案的擊實曲線

將擊實參數表示為（最大干密度，最佳含水率）。由圖2 可知，連續振動100s 的擊實參數為（2.441 g/cm3，4.6%），分兩級振動50s×2 的擊實參數為（2.451 g/cm3，4.5%），分四級振動25s×4 的擊實參數為（2.453g/cm3，4.5%），重型擊實的參數為（2.379 g/cm3，4.8%），振動擊實試驗確定的最大干密度是重型擊實的1.03 倍，最佳含水率是重型擊實的0.94倍。與連續振動擊實100s的混合料干密度相比，采用分級振動擊實25s×4 時混合料最大干密度增大0.012g/cm3，最佳含水率減小0.1%，而分級振動50s×2時與分級振動擊實25s×4時混合料最大干密度和最佳含水率比較接近。因此，從振動擊實效率和效果而言，分級振動選擇50s×2 方式更為合理。

3.3 振動成型試驗

水泥劑量采用4.0%，試驗級配見表1，水泥穩定級配碎石混合料預加含水率4.5%，連續振動成型時間依次為50s、60s、70s、80s、90s 和100s，分兩級振動成型時間依次為25s×2、30s×2、35s×2、40s×2、45s×2 和50s×2，分別測試不同振動成型時間和方式下試件壓實度，測試結果如圖3所示。

圖3 不同振動成型方式試件的壓實度增長曲線

骨架密實型水泥穩定級配碎石試件計算壓實度的最大干密度連續振動時采用2.441g/cm3，分兩級振動時采用2.451g/cm3。由圖3可知，隨著振動成型時間延長，試件壓實度呈先快速增長后增長趨于緩慢的變化規律；相同振動成型時間，分兩級振動試件壓實度大于連續振動試件。依據JTG/T F20—2015，高速公路、一級公路水泥穩定材料基層壓實標準要求大于98%，滿足此標準的連續振動成型時間為75s，分兩級振動成型時間為35s×2，并以此作為振動成型試件的時間參數。

3.4 不同水泥劑量擊實參數

為對比研究不同室內成型方式對骨架密實型水泥穩定級配碎石混合料性能的影響，水泥劑量采用3.0%、4.0%、5.0%，分別進行重型擊實試驗、連續振動擊實試驗（100s）、分級振動擊實試驗（50s×2），擊實試驗結果見表7。

表7 不同水泥劑量骨架密實型水泥穩定級配碎石混合料的擊實參數

4 分級振動法成型試件性能

4.1 抗壓強度

水泥劑量采用3.0%、4.0%、5.0%，振動成型Ф 150mm×h150mm 圓柱體試件，標準養生6d 泡水1d 后測試試件的7d 無側限抗壓強度，不同成型方法成型水泥穩定碎石圓柱體試件的7d無側限抗壓強度試驗結果如圖4所示。

圖4 不同成型方式水泥穩定碎石混合料的7d無側限抗壓強度

由圖4可知，不同水泥劑量，采用振動成型方式，骨架密實型水泥穩定級配碎石試件的7d無側限抗壓強度較靜壓成型試件大50%以上，采用3.0%水泥劑量，7d無側限抗壓強度代表值可以滿足JTG/T F20—2015 中極重、特重交通高速公路和一級公路不小于5.0MPa 的要求，而采用靜壓成型方法強度不小于5.0MPa 的水泥劑量為4.0%，有關研究表明[8]振動成型試件強度與現場取芯強度接近；雖然分級振動成型時間較連續振動時間少了5s，但不同水泥劑量分級振動成型試件7d 無側限抗壓強度較連續振動成型試件大7.4%～12.5%，反映出分級振動成型水泥穩定級配碎石混合料更易形成穩固嵌擠密實結構。

4.2 劈裂強度

水泥劑量采用3.0%、4.0%、5.0%，振動成型Ф 150mm×h150mm 圓柱體試件，標準養生27d 泡水1d 后測試試件的28d劈裂強度，不同成型方法成型水泥穩定碎石圓柱體試件的28d劈裂強度試驗結果如圖5所示。

圖5 不同成型方式水泥穩定碎石混合料的28d劈裂強度

由圖5可知，不同水泥劑量，采用振動成型方式，骨架密實型水泥穩定級配碎石試件的28d 劈裂強度均較靜壓成型試件大，其中分級振動成型試件的28d劈裂強度較靜壓成型試件大20%以上，分級振動成型試件的28d劈裂強度較連續振動成型試件增長2.7%～6.9%。分析原因，采用振動成型方法，試件內部粗集料相互嵌擠形成穩固密實結構，水泥水化產物緊密裹覆集料表面，表現出試件發生間接拉伸破壞時需要施加更大的作用力。

4.3 抗壓回彈模量

水泥劑量采用3.0%、4.0%、5.0%，振動成型Ф 150mm×h150mm 圓柱體試件，標準養生90d 后采用頂面法測試試件的抗壓回彈模量，不同成型方法成型水泥穩定碎石圓柱體試件的90d 抗壓回彈模量試驗結果如圖6所示。

圖6 不同成型方式水泥穩定碎石混合料的抗壓回彈模量

由圖6 可知，不同水泥劑量，采用分級振動成型方式，骨架密實型水泥穩定級配碎石試件的90d抗壓回彈模量較靜壓成型試件提高6.9%～13.8%，不同振動成型試件方式對抗壓回彈模量的影響不及7d無側限抗壓強度、28d劈裂強度。分析原因，抗壓回彈模量試驗用試件標準養生90d，試件強度已基本形成，不同成型方法試件隨著養生期的延長其抵抗變形能力差距變小，盡管如此，分級振動成型法試件仍然表現出更優的抗變形能力。

4.4 抗沖刷性能

水泥劑量采用3.0%、4.0%、5.0%，振動成型Ф 150mm×h150mm圓柱體試件，標準養生28d后，將飽水后試件按要求固定在沖刷桶中，并將其安置在MTS 試驗機上沖刷30min，稱取飽水試件沖刷前質量和沖刷物質量，然后計算各試件的沖刷質量損失，不同成型方法成型水泥穩定碎石圓柱體試件的沖刷試驗結果如圖7所示。

圖7 不同成型方式水泥穩定碎石混合料的沖刷質量損失

由圖7 可知，振動成型法試件骨架密實性好，其沖刷試驗質量損失較靜壓成型方法試件小，變化水泥劑量3.0%～5.0%，采用振動成型法與靜壓成型法的沖刷質量損失差值相當，其中連續振動法試件的沖刷質量損失較靜壓成型法小0.06%～0.07%，分級振動法試件的沖刷質量損失平均較靜壓成型法小0.09%以上；增加水泥劑量，振動成型法試件內部集料與水泥石界面強度更大，黏結牢靠，在沖刷試驗過程中掉粒較少，抗水損壞能力更強。

4.5 抗收縮開裂性能

水泥劑量采用4.0%，靜壓成型400mm×100mm×100mm 小梁試件，不同成型方法成型水泥穩定碎石混合料小梁試件，試件標準養生6d，養生結束后泡水1d，然后進行干縮試驗和溫縮試驗，測試各個試件的干縮變形、含水率和溫縮變形，不同成型方法水泥穩定碎石的平均干縮系數和溫縮系數見表8。

表8 不同成型方式水穩碎石小梁試件的平均收縮系數

由表8 可知，不同成型法，對相同水泥劑量養生7d小梁試件的干縮系數、溫縮系數有影響，表現為振動成型法試件的平均干縮系數和平均溫縮系數均較靜壓成型法試件的小，與靜壓成型法相比，連續振動成型法試件的平均干縮系數小11.8%，平均溫縮系數小17.5%，分級振動成型法試件的平均干縮系數小17.9%，平均溫縮系數小24.8%。由此可見，不同成型方法對小梁試件的早期抗裂能力有顯著差異，且主要預防水穩碎石材料在施工早期受濕度顯著變化影響而發生的干縮開裂，采用合理的振動碾壓方案的同時，應加強早期養生。

5 結語

本文研究了骨架密實型水泥穩定級配碎石的不同擊實特性，并對比評價了不同方式成型試件的力學性能、抗沖刷性能和抗裂性能，得出以下結論：

①振動擊實試驗確定的最大干密度是重型擊實的1.03倍，最佳含水率是重型擊實的0.94倍。采用連續振動100s、分兩級振動50s×2、分四級振動25s×4三種振動擊實方案，總振動時間相同時，分級振動擊實試樣的干密度大于連續振動擊實試樣，且分級振動次數越多單次振動時間越短，擊實試樣最大干密度越大，不同振動擊實方案最佳含水率比較接近。

②隨著振動成型時間增加，試件壓實度呈先快速增長后增長趨于緩慢的變化規律；振動成型時間相同時，分兩級振動的試件壓實度大于連續振動的試件壓實度。

③采用同一抗壓強度標準，振動試驗方法確定的設計水泥劑量較傳統靜壓成型方法低，有利于改善半剛性基層材料抗收縮開裂性能。

④與靜壓法相比，分級振動法成型試件的7d 無側限抗壓強度、28d 劈裂強度大幅提高，分別高出50%、20%以上，90d 抗壓回彈模量提高6.9%～13.8%，沖刷質量損失減少0.09%以上，平均干縮系數和平均溫縮系數分別減少17.9%、24.8%；與連續振動法相比，分級振動法成型試件的7d 無側限抗壓強度提高7.4%～12.5%，28d劈裂強度、90d抗壓回彈模量、抗沖刷性能和抗收縮開裂性能差異不大。