洪 亮，劉 濤，楊三強

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 機械交通學院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆交通科學研究院 干旱荒漠地區(qū)公路工程技術(shù)行業(yè)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830000)

水泥穩(wěn)定碎石混合料作為高等級公路基層應用在我國大部分地區(qū)。水泥穩(wěn)定碎石基層振動壓實與重型擊實對比分析較多。振動成型設(shè)計方法在國內(nèi)已有多個省份廣泛采用，同時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)的高等級公路和大量二級路都采用水泥穩(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)的重型擊實法確定最大干密度與最佳含水量，對振動壓實法經(jīng)驗積累相對較少，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，重型擊實法施加沖擊荷載對被壓材料進行壓實與振動壓實通過高頻振動作用使材料減小靜摩擦阻力來壓密的過程完全不同。因此，筆者在保持基本因素相同的情況下，對水泥穩(wěn)定礫石基層振動壓實與重型擊實試驗進行了比較分析。

1 成型方式比較

我國公路部門多年來利用重型擊實方法確定水泥穩(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標準壓實功相當于12～15 t的靜力壓路機的碾壓效果。相比傳統(tǒng)的重型擊實，振動成型設(shè)備在研制初期的目的即是充分模擬現(xiàn)場壓路機工作狀況，使集料形成共振、壓密。其振動頻率、內(nèi)部偏心塊角度、激振力及振幅等參數(shù)基本與應用廣泛的單鋼輪振動壓路機一致。研究采用與國內(nèi)研究應用的振動壓路機壓實方式基本匹配的振動壓實成型儀，本試驗使用儀器的基本參數(shù)見表1。振動壓路機與光輪靜碾壓路機工作參數(shù)見表2。

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

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

由表1、表2可知，采用的振動壓實成型方式的振動頻率、振幅等參數(shù)與振動壓路機參數(shù)基本吻合，且均為由上向下的表面振動模式。更為重要的，振動壓實功是重型擊實的2.2倍，振動壓路機的動線荷載是靜碾壓路機的1.8倍，兩者也基本吻合[1]。因此從振動參數(shù)、振動方式及壓實功來分析，采用振動壓實成型方式與振動壓路機更為匹配，可更有效地指導現(xiàn)場施工。

2 級配礫石力學性能比較

本研究所采用級配礫石為南疆G3012阿克蘇-喀什高速公路三標建設(shè)項目水穩(wěn)礫石施工料場生產(chǎn)，水泥采用32.5復合硅酸鹽水泥。礫石顆粒表面光滑，沒有破損的裂紋，基本上是橢球型。相對于碎石顆粒棱角分明，礫石顆粒的獨特外形也對水泥穩(wěn)定礫石基層物理力學性能起到一定影響，其物理性質(zhì)介于固體與流體之間，其顆粒具有流動性，對維護面可產(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，即在純剪應力下產(chǎn)生體積變形[2-3]。礫石集料各項路用性能指標均滿足JTJ 034—2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《034施工規(guī)范》)以及JTG D 50—2006《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《06設(shè)計規(guī)范》)要求，具體指標從略。

3 振動壓實和重型擊實試驗方法

3.1 試驗方法

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)量遠大于降水量，季節(jié)溫差、日溫差較大。通過對新疆各地區(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、溫度變化時易產(chǎn)生干縮、溫縮裂縫，導致瀝青面層形成反射裂縫進而影響路用性能和使用壽命[4]。這一方面是因為干旱荒漠區(qū)惡劣的自然環(huán)境，級配礫石的干縮、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作用；另一方面水泥穩(wěn)定礫石集料不同級配類型對于水穩(wěn)基層抗裂也有一定影響。通過采用3種級配類型，摻加3%、6%水泥劑量對所設(shè)計的水泥穩(wěn)定礫石基層材料進行振動與擊實對比試驗，從而對不同級配類型和高、低水泥劑量下振動與擊實關(guān)系進行分析。

3.2 級配的確定

本研究具體選擇依據(jù)連續(xù)嵌擠優(yōu)化級配，采用均勻設(shè)計、多級填充等方法綜合考慮最大干密度最大、級配衰減最小等指標，選取了骨架密實型級配一組，與此同時，還依據(jù)《06設(shè)計規(guī)范》選配了懸浮密實型和骨架空隙型級配各一組進行對比分析。具體級配與各檔篩孔通過百分率見表3。

表3 不同級配類型集料通過百分率Table 3 Passing percentage of different distribution types

4 最佳含水量及最大干密度

4.1 含水量對壓實效果的影響

含水量在公路路面基層壓實過程中起著重要的作用，也是很重要的一個控制指標。為了對比在振動壓實與重型擊實條件下達到最佳壓實效果所需含水量的關(guān)系，試驗選用以上3種級配類型，3%，6%摻量水泥穩(wěn)定礫石混合料進行振動壓實以及重型擊實，進行含水量影響試驗。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定礫石在振動壓實下，含水量對壓實效果的影響很敏感，而且振動壓實法得到的最佳含水量要比重型擊實法小10%～20%。表4、表5分別列出骨架密實型3%水泥摻量的水泥穩(wěn)定礫石基層(GM3%)重型與振動壓實含水量。

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

表5 振動壓實下GM3%的含水量與干密度值Table 5 Moisture content and dry density of GM3% under VCM

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

圖1 振動壓實下GM3%的含水量與干密度曲線Fig.1 Curve of moisture content and dry density of GM3% under VCM

通過對比分析，水泥穩(wěn)定礫石混合料振動狀態(tài)下雙層壓實時間合計在80～100 s左右壓頭就會出現(xiàn)跳起現(xiàn)象。相對比于國內(nèi)其他地區(qū)使用的級配碎石，級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，在沖擊力或振動狀態(tài)作用下都更容易被壓實。若振動時間過長水泥穩(wěn)定礫石混合料會因已形成剛體而產(chǎn)生共振，這對振動壓實儀器會產(chǎn)生嚴重損壞。振動成型最佳含水量要比重型擊實的稍低，平均低10%～20%左右。這主要因水在壓實過程中起潤滑作用,振動壓實過程中會因共振而產(chǎn)生提漿現(xiàn)象使過多的水滲透出試件；同時，最佳含水量的大小與水泥劑量和級配礫石中0.075 mm以下集料含量多少有關(guān)[5]。所以通過振動來減小阻力的振動壓實所需的水分相對于重型擊實法要少一些，振動成型的最佳含水量要比重型擊實的稍低。

4.2 擊實方式對最大干密度影響

振動與重型擊實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類級配類型，3%、6%兩種水泥摻量的試驗結(jié)果得到振動成型在確定最大干密度上占有很大優(yōu)勢。筆者列舉了骨架密實型(GM)3%、6%水泥摻量的水泥穩(wěn)定礫石基層振動與重型擊實最大干密度和最佳含水量的對比結(jié)果(表6)。

表6 不同水泥摻量下級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

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

5 振動與重型擊實對集料級配衰退的影響

重型擊實試驗和振動壓實試驗都是直接施加沖擊力作用于擊實筒中集料上，擊實功都非常大，試驗過程很容易使集料被擊碎導致混合料級配產(chǎn)生較大變化[6-7]。為定量分析兩種擊實方法對水泥穩(wěn)定礫石級配的影響，對經(jīng)過重型擊實試驗和振動壓實的混合料進行水洗篩分，結(jié)果見表7。

表7 振動壓實與重型擊實級配衰退通過率Table 7 The declination passing percentage of VCM and MPCM

從表7可以看出，使用振動壓實和重型擊實方法進行擊實試驗都會改變混合料的級配，但是重型擊實級配通過率變化量要大于振動壓實數(shù)據(jù)，特別19 mm和4.75 mm篩孔變化量很大。這主要是由于擊實過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，導致粒徑大于19 mm礫石大量減少，19 mm篩孔通過率變大，這也導致4.75 mm和2.36 mm篩孔通過率也相應變大。但總體來看重型擊實的破壞偏差要略大于振動壓實法。

6 振動與重型擊實對7 d無側(cè)限抗壓強度的影響

7 d無側(cè)限抗壓強度是現(xiàn)行規(guī)范中對水泥穩(wěn)定基層強度的一個重要評價指標[8]。試驗對不同級配的水泥穩(wěn)定礫石混合料，采用振動成型和靜壓成型法制備試件。以13個試件為一組，采用3倍均方差剔除異常值，同一組實驗的變異系數(shù)Cv(%)≤15%進行7 d無側(cè)限抗壓強度對比試驗分析。級配見表3，7 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表8。

表8 7 d無側(cè)限抗壓強度Table 8 7 d unconfined compressive strength /MPa

試驗結(jié)果表明，無論是懸浮密實結(jié)構(gòu)、骨架密實結(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無側(cè)限抗壓強度呈增大趨勢；相同水泥劑量下，3種級配振動成型的抗壓強度要比靜壓法成型的要高，從抗壓強度比值來看，振動成型的試件是靜壓成型的1.2～1.4倍。骨架密實結(jié)構(gòu)成型出的試件7 d無側(cè)限抗壓強度高于懸浮密實結(jié)構(gòu)和骨架孔隙結(jié)構(gòu)。

7 結(jié) 論

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

2)振動頻率固定在28～30 Hz情況下，振動壓實含水量曲線成上升趨勢，含水量在上升的最高點(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。在沖擊力或振動狀態(tài)作用下都較容易被壓實，水泥穩(wěn)定礫石混合料振動狀態(tài)下雙層壓實時間合計在80～100 s左右壓頭就會出現(xiàn)跳起現(xiàn)象。

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

5)重型擊實儀垂頭的重擊力對礫石的級配破壞要大于振動壓實儀壓頭面壓力。

6)相同水泥劑量下，振動成型的試件7 d無側(cè)限抗壓強度要比靜壓法成型的要高；從抗壓強度比值來看，振動成型的試件是靜壓成型的1.2～1.4倍。

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