邵　強,向　源,趙國云(.重慶交通大學土木建筑學院,重慶　400074;.重慶市公路工程質量檢測中心,重慶　400060; .重慶鵬方路面工程技術研究院,重慶　40005)

關于公路路面基層配合比試驗方法的思考

邵強1,向源2,趙國云3
(1.重慶交通大學土木建筑學院,重慶400074;2.重慶市公路工程質量檢測中心,重慶400060; 3.重慶鵬方路面工程技術研究院,重慶400025)

通過對?公路路面基層施工技術規(guī)范?中關于試件成型方法的規(guī)定進行分析,提出了重型擊實法不適用于無機結合料穩(wěn)定土的觀點.在借鑒他人研究成果并結合加固土原理基本知識的基礎上,對水泥穩(wěn)定級配碎石重型擊實法和振動壓實法兩種成型方法進行對比分析,驗證了振動壓實法能夠更好地模擬路面基層現(xiàn)場施工工況.

路面基層;重型擊實法;振動壓實法;試驗方法

0　引　言

?公路路面基層施工技術規(guī)范?(JTJ 034—2000)[1]中將重型擊實試驗法作為標準的配合比試驗方法,用靜壓法成型試件進行抗壓強度等性能試驗.而?公路土工試驗規(guī)程?(JT E40—2007)[2]中規(guī)定,擊實試驗法適用于細粒土,粗粒土和巨粒土最大干密度的試驗方法為表面振動壓實儀法.

重型擊實法源于土工擊實試驗,用以確定土的最佳含水量和最大干密度,?公路土工試驗規(guī)程? (JT E40—2007)中將0.075 mm作為土的粗粒與細粒的分界粒徑,且規(guī)定細粒組土粒質量多于或等于總質量50%的土稱細粒土.參考?公路路面基層施工技術規(guī)范?(JTJ 034—2000)和?公路瀝青路面設計規(guī)范?(JT D50—2006)[3]中各類穩(wěn)定土的顆粒組成范圍可知,無機結合料穩(wěn)定土基本上不屬于細粒土的范疇,由此可以認為采用重型擊實試驗確定無機結合料穩(wěn)定土最大干密度的方法不合理.近年在半剛性基層中應用較多的水泥穩(wěn)定級配碎石混合料可以歸類為粗粒組,應該采用振動壓實法確定其最大干密度.

判斷一種成型方法是否合理,還可以從實驗室試件成型條件與工程工況的匹配性方面考慮.只有室內成型試件的結構與工程實際相吻合,室內試驗的結果才能有效指導現(xiàn)場施工并控制施工質量,其中的關鍵點在于室內試件成型與現(xiàn)場壓實過程中力的作用方式要保持一致.重型擊實試驗法是針對1993年以前8～12 t壓路機提出的,而目前壓實機械已經發(fā)展到調頻調幅式的振動壓路機,壓實過程中力的作用方式已經發(fā)生了改變,仍然采用重型擊實試驗法就會導致室內確定的最大干密度偏低,實際工程振動壓實時壓實度普遍超百.所以說,使用重型擊實試驗法測定的最佳含水率和最大干密度在控制施工質量方面存在很大的弊端.

1　兩種壓實試驗方法的對比分析

以水泥穩(wěn)定碎石為代表的半剛性基層是中國各級公路中最常用的基層類型.以往的水泥穩(wěn)定碎石中細集料含量偏多,造成基層易開裂且抗沖刷能力不足.隨著對水泥穩(wěn)定碎石結構和強度形成機理的深入研究,粗集料含量較多的骨架密實結構表現(xiàn)出抗裂性好、抗沖刷能力強的特點,并逐漸得到行業(yè)內的認可.多年來,國內都是通過室內重型擊實試驗法來確定水泥穩(wěn)定碎石材料的壓實標準,但這種方法不太適合于粗集料含量較多的骨架密實結構的水泥穩(wěn)定碎石;而采用振動壓實試驗確定最佳含水量和最大干密度的方法逐漸被業(yè)界所接受.

首先,從顆粒組成來看,對于水泥穩(wěn)定碎石這種粗粒組類材料,依據(jù)?公路土工試驗規(guī)程?(JT E40—2007)中的規(guī)定,應該采用表面振動壓實儀法進行試驗.

其次,從力的作用方式來看,重型擊實成型是靠一種強制性的沖擊力迫使集料顆粒向下移動,在這種成型方式下,較細集料在一次次的沖擊力作用下被填充在空隙里,而大粒徑集料很容易被擊碎.粗集料的破碎不僅改變了原有的級配,而且破碎的界面是薄弱面,導致成型的材料試件存在一定缺陷.振動壓實法成型則是利用激振力使粗集料不斷改變自身位置以適應振動外力的作用,有效降低了集料破碎的幾率,混合料原有級配不會遭到破壞,粗細集料分布均勻;此外,水泥漿的振動液化,也更有利于填充縫隙,減少缺陷的發(fā)生,這與振動壓路機的碾壓方式相似.中國目前公路基層現(xiàn)場的壓實施工普遍使用振動壓路機來完成.從材料結構形態(tài)來看,振動壓實法與現(xiàn)場壓實基本吻合,可通過水泥穩(wěn)定碎石混合料室內成型材料試件剖面與現(xiàn)場鉆芯試件表面結構的對比說明這一問題.

再次,工程實踐表明,采用重型擊實法得到的最大干密度來計算路面壓實度,壓實度往往很容易就滿足規(guī)范的要求,甚至很容易超過100%;而在原材料、施工機械一定的情況下,采用振動壓實試驗測定的最大干密度計算的路面壓實度基本達到98%,在一定程度內更好地摸擬了現(xiàn)場碾壓工藝[4].

部分學者認為,為了提高最大干密度、降低最佳含水量,重型擊實方法完全可以通過進一步增加擊實功來實現(xiàn)[5].筆者對此持否定觀點,對于細粒土來說這種觀點可能有效,但對于粗粒組類材料,重型擊實試驗擊實功的增大,意味著集料破碎的幾率也隨之提高,容易導致成型的材料試件存在嚴重缺陷,無法有效模擬現(xiàn)場施工工況.兩種試件成型方法的對比分析見表1.

表1　兩種試件成型方法的對比分析

此外,重型擊實試驗用重型擊實法確定最大干密度及最佳含水量,用靜壓法成型試件測定抗壓強度,先不論室內成型工藝與現(xiàn)場施工工況的匹配性問題,單單就性能檢驗與最大干密度成型方法的差異來看就很難讓人信服.振動壓實法則通過振動壓實確定混合料的最佳含水量和最大干密度,并采用相同的方法成型后續(xù)試驗所用試件,試驗結果更為合理、可信.重型擊實試驗法還存在以下問題:混合料分層裝料并分層擊實,擊實層表面經拉毛處理,與實際現(xiàn)場施工工藝不吻合,模擬施工效果差;擊實后對試樣表面采用刮刀刮平處理,容易造成試件體積變化,試驗結果離散性較大;人為因素對試驗結果的影響顯著,存在不同試驗人員所做試驗結果差異較大的情況,試驗結果再現(xiàn)性差.

重型擊實法通過施加沖擊荷載對混合料進行壓實,與現(xiàn)場夯實過程一致,與現(xiàn)場靜力壓路機的作用過程雖然不盡相同,但就通過對材料產生剪應力使之壓實這一效果來說是相似的,在之前壓實施工主要使用靜力壓路機的時候,問題并沒有凸現(xiàn)出來;現(xiàn)在,振動壓路機已成為水泥穩(wěn)定碎石基層壓實的主要機械,室內重型擊實試驗與室外振動壓路機的施工工況明顯不匹配.通過以上對比分析可以看出,振動擊實試驗能夠更有效地模擬現(xiàn)場基層施工條件.

2　基于振動壓實法的配合比設計試驗成果

針對于半剛性基層材料的室內壓實成型方法,業(yè)內眾多專家及學者進行了大量的研究.為更好地模擬半剛性基層現(xiàn)場的施工工況,有效指導室內試驗,2002年長安大學沙愛民教授課題組研發(fā)了專門用于水泥穩(wěn)定碎石材料的上壓上振式室內振動壓實機,并申請了專利,同時在大量試驗研究的基礎上,提出了振動參數(shù)配置、振動法確定壓實標準試驗方法和振動法成型試件的方法[6].在2006年頒布的?公路瀝青路面設計規(guī)范?(JT D50—2006)附A中列入了該試驗方法,在一定程度上促進了振動壓實法在國內的推廣.周衛(wèi)峰、趙可和王德群等人[7]對半剛性基層試件成型方法及其級配組成、配合比設計等進行了深入研究,以振動成型方式為試驗手段,以強度滿足要求、抗裂能力最佳為判據(jù),提出了水泥穩(wěn)定碎石混和料配合比設計優(yōu)化的方法.研究結果表明,水泥穩(wěn)定碎石混合料采用標準擊實確定的最大干密度過小,用來控制現(xiàn)場壓實是失效的,因此建議采用振動擊實確定的結果作為現(xiàn)場壓實度控制指標.試驗工程檢測結果表明,現(xiàn)場7 d齡期芯樣抗壓強度均高于室內靜壓法成型試件的抗壓強度,而與室內振動法制作的試件抗壓強度相當;通過振動法優(yōu)化的配合比達到了增加強度和抗裂性能、減少水泥含量及降低工程造價的最佳效果.許海云、武啟誠、謝熠等[8]為提高半剛性基層的路用性能,采用振動法設計水泥穩(wěn)定碎石混合料,并應用于浙江省申嘉湖高速公路半剛性基層的鋪筑.結果表明,振動法設計的水泥穩(wěn)定碎石無側限抗壓強度與現(xiàn)場芯樣的無側限抗壓強度基本吻合;采用優(yōu)化的骨架密實型級配并以振動法設計的混合料在拌和、運輸、攤鋪及碾壓過程中未發(fā)現(xiàn)明顯離析;使用現(xiàn)有的施工設備,以振動法確定的最大干密度作為標準密度,基層壓實度標準可達到98%.

國內眾多研究成果及數(shù)千公里的實體工程應用結果表明[9],在原材料一定以及壓實功等效的前提下,振動壓實法確定的最大干密度與重型擊實法相比約提高1.02～1.03倍,最佳含水量基本相當.振動法成型的混合料物理性能和結構性能明顯優(yōu)于靜壓法成型的混合料,振動試驗儀為上置式振動壓實設備,可近似地模擬振動壓路機在材料表面的作業(yè)狀況,這對于施工質量的控制更具有指導意義.

3　討論及見解

?加固土原理?[10]中提到:土的壓實加固法是各種加固方法中最經濟、最有效的方法,從某種意義上說,摻加添加劑的加固方法只能是它的輔助方法.由此可以看出壓實在路面基層施工過程中的重要性,因而確定最能模擬混合料現(xiàn)場壓實方式的室內試件成型方式顯得尤為重要.在查閱資料的過程中,筆者發(fā)現(xiàn)眾多學者的觀點一致認為振動試驗方法能夠更好地模擬基層的實際碾壓效果,成型的試件能真實地反映基層材料的實際性能.但在工程實際應用過程中,很多施工單位的人員認為,因為振動壓實法提高了壓實功,所以會造成所測定的混合料最大干密度比重型擊實法偏大,這是對振動壓實試驗的誤解,其根本原因在于改變了力的作用方式和改善了試件成型的操作方法.事實上振動壓實法是以達到重型擊實法所確定的最大干密度時的時間作為成型粒料類的振動壓實時間,所以說兩種成型方式的壓實功是相當?shù)?

隨著中國筑路機械20多年來的發(fā)展,振動壓路機的壓實功效得到一定提升,而在現(xiàn)有碾壓設備的基礎上,通過一定的組合方式也可以進一步改善施工機械的壓實效果;因此在現(xiàn)有施工機械和施工技術的水平下,整個行業(yè)的路面壓實功效得到了顯著提升,所以適當提高室內試驗的標準值是可行的.

在目前的施工機械條件下,國內眾多工程中甚至實現(xiàn)了大厚度攤鋪,所以說,在一定條件下可以通過適當提高振動壓實試驗法的壓實功來進一步提高室內試驗的標準值,也就相當于提高了壓實度.對于水泥穩(wěn)定土而言,一般壓實度提高1%,強度就會提高5%～10%;此外,土體空隙率減小,密實度增大,透水性及毛細吸水性降低,從而穩(wěn)定性和耐久性也相應得到提高[11].4結語

?公路路面基層施工技術規(guī)范?(JTJ 034—2000)中采用的重型擊實試驗法不適用于目前半剛性基層應用較多的水泥穩(wěn)定碎石,而振動壓實法可在一定程度上更好地摸擬現(xiàn)場的碾壓工藝,使室內混合料的物理結構及力學性能更好地反映其施工工況.因此,運用振動壓實法進行以水泥穩(wěn)定碎石為代表的粗粒組類材料混合料設計,可以充分發(fā)揮半剛性基層的優(yōu)勢,提高路面的使用性能,對中國高等級公路建設將產生積極的影響.

[1]JTJ 034—2000,公路路面基層施工技術規(guī)范[S].

[2]JT E40—2007,公路土工試驗規(guī)程[S].

[3]JT D50—2006,公路瀝青路面設計規(guī)范[S].

[4]楊勇,蔡凌堅.水泥穩(wěn)定碎石振動成型與重型擊實的比較[J].物流工程與管理,2009,31(3):134-135

[5]王旭東.關于新版?公路路面基層施工技術規(guī)范?修訂的思路[J].上海公路學報,2010(2):1-5.

[6]胡力群,沙愛民.室內振動壓實機結構及利用振動法確定水泥穩(wěn)定碎石壓實標準應注意的問題[J].公路,2010(6):132- 135.

[7]周衛(wèi)峰,趙可,王德群,等.水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比的優(yōu)化[J].長安大學學報:自然科學版,2006,26(1):24-28.

[8]許海云,武啟誠,謝熠,等.振動法設計水泥穩(wěn)定碎石在申嘉湖高速公路的應用[J].上海公路,2007(4):21-24.

[9]趙可,許仁安,鄭南翔,等.半剛性基層瀝青路面結構轉換與性能恢復關鍵技術研究[R].重慶:重慶交通大學,2013.

[10]張登良.加固土原理[M].北京:人民交通出版社,1990.

[11]張濤,朱天猛.振動法在水泥穩(wěn)定碎石基層配全比設計中的應用[J].筑路機械與施工機械化,2010,27(5):43-45.

[責任編輯:王玉玲]

Thoughts About Mix Proportion Test Method for Highway Roadbase

SHAO Qiang1,XIAN Yuan2,ZHAO uoyun3
(1.School of Civil Engineering&Architecture,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China; 2.Chongqing Highway Engineering Quality Inspection Center,Chongqing 400060,China; 3.Chongqing Pengfang Pavement Engineering Research Institute,Chongqing 400054,China)

Through the analysis of Technical Specifications for Construction of Highway Roadbases(JTJ 034—2000)provisions on the specimen compaction method,the viewpoint that heavy compaction method does not apply to inorganic binder stabilized soil was put forward.Learning from others?researches and combining with the principle of reinforced soil,the comparison of heavy compaction method and vibratory compaction method on the cement stabilized graded crushed stones verifies that the vibration compaction method can better simulate the conditions of pavement base at construction site.

roadbase;heavy compaction method;vibratory compaction method;test method

U416.2

B

1000-033X(2015)01-0066-03

2014-09-11

西部交通建設科技項目(2009318814032)