胡 聰

(安慶市水利工程質(zhì)量監(jiān)督站，安徽 安慶 246003)

1 概述

碾壓混凝土法是一種普通混凝土澆筑和壓實(shí)的方法，通常用于鋪設(shè)瀝青路面層[1- 2]。碾壓混凝土法與常規(guī)混凝土無明顯差異。土壤團(tuán)聚體、水泥和水是混凝土基本組成部分，混合均勻后的混凝土需充分干燥，以便支撐滾筒的重量，從而并避免混凝土層受壓過度變形，但又要保持足夠濕潤度，以確保上覆水泥漿的良好鋪置[3]。

碾壓混凝土在一定程度上能夠抵抗惡劣的氣候條件。目前國內(nèi)外對(duì)碾壓混凝土結(jié)構(gòu)作了深入研究[4- 6]，表面年齡為4～20a被檢碾壓混凝土樣品，其表面結(jié)垢、結(jié)構(gòu)緊湊，未見實(shí)質(zhì)性損壞。因此，碾壓混凝土可用于道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如停車場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)跑道、臨時(shí)道路等。

本文評(píng)估了碾壓混凝土樣品在實(shí)驗(yàn)室壓實(shí)過程。使用氣動(dòng)錘強(qiáng)夯方法與靜態(tài)加載下的靜壓試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較。在沒有振動(dòng)模態(tài)的軋制過程中，標(biāo)準(zhǔn)只定義了制備實(shí)驗(yàn)室樣品的過程，沒有考慮到在施工現(xiàn)場(chǎng)的制造過程的相符性。實(shí)際樣品可能與實(shí)驗(yàn)室制備樣有顯著差異，本文將兩種類型的實(shí)驗(yàn)室樣品與建筑工地的巖心鉆機(jī)樣獲得的結(jié)果進(jìn)行比較分析。

2 壓實(shí)參數(shù)計(jì)算

壓實(shí)參數(shù)的計(jì)算可以利用壓實(shí)過程中消耗的能量來進(jìn)行壓實(shí)度的數(shù)值表征[7]。各種方法運(yùn)用不同的壓實(shí)原理測(cè)試不同的樣品，因此必須對(duì)試驗(yàn)樣品施加的總壓實(shí)能量進(jìn)行統(tǒng)一比較。一是把能量與樣品的體積聯(lián)系起來；二是將能量與夯實(shí)板的表面積聯(lián)系起來。作為確定壓實(shí)能的參考試驗(yàn)，選用標(biāo)準(zhǔn)普氏壓實(shí)試驗(yàn)(CSN EN1328 6- 2—4)。式(1)和(2)表示相對(duì)于試驗(yàn)樣品體積和夯實(shí)板表面積的壓實(shí)能量計(jì)算公式。錘的質(zhì)量(m)為2.5kg，錘從0.30m的高度(h)落下。由56次(i)沖擊每層(n)壓實(shí)樣品。與試驗(yàn)樣品體積有關(guān)的能量(標(biāo)準(zhǔn)普氏壓實(shí)試驗(yàn))：

(1)

與夯實(shí)板表面積相關(guān)的能量(標(biāo)準(zhǔn)普氏壓實(shí)試驗(yàn))：

(2)

在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法通過氣動(dòng)錘計(jì)算壓實(shí)時(shí)間(t)使能量(E)引入樣本。方程(3)和(4)分別代表壓實(shí)能量相對(duì)于試樣的夯實(shí)板表面積計(jì)算。采用氣動(dòng)錘有w=5.9J和O=48次/s沖擊頻率。樣品在3層(n)中壓實(shí)。

(3)

與夯實(shí)板(氣動(dòng)錘)表面積有關(guān)的能量：標(biāo)準(zhǔn)普雷托試驗(yàn)氣動(dòng)錘當(dāng)壓實(shí)能量與試件體積有關(guān)時(shí)

(4)

式(1)～(4)中，Ep—能量，J；m—質(zhì)量，kg；g—重力加速度，m/s2;h—高度，m；n—層數(shù)；i—沖擊次數(shù)；V—體積，m3；S—面積，m2；w—沖擊能，J；O—沖擊頻率，次/s;t—壓實(shí)時(shí)間，s；E—能量，J。

表1 按壓實(shí)方法劃分的能量計(jì)算結(jié)果

不同壓實(shí)方法的能量計(jì)算結(jié)果見表1。壓實(shí)能量與夯實(shí)板以體積計(jì)算時(shí)，需要2.5s的壓實(shí)時(shí)間；與夯實(shí)板的表面積計(jì)算時(shí)，需要17s的壓實(shí)時(shí)間。時(shí)間選擇不同導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不同，因此，選定氣動(dòng)錘的立方樣品壓實(shí)時(shí)間為2次的平均值10s。對(duì)于靜態(tài)壓實(shí)試驗(yàn)，根據(jù)輥下的應(yīng)力來確定壓實(shí)力。

(5)

式中，F(xiàn)—滾筒產(chǎn)生的壓實(shí)力，N；A—接觸面積，m2；σ—接觸應(yīng)力，N/m2。

3 樣品制備

單位體積(m3)碾壓混凝土混合物的質(zhì)量組成見表2。

表2 碾壓混凝土混合物的組成

3.1 靜態(tài)加載機(jī)

立方樣品用塑料磨具制作，長寬高尺寸為150mm，150mm，150mm。共制作21個(gè)測(cè)試樣品。每個(gè)樣品在3個(gè)6cm厚的層中壓實(shí)，表層為光滑表面。壓實(shí)過程中各層的厚度損失約為1cm。為了在靜態(tài)加載機(jī)中測(cè)試試樣，制作了壓制工具如圖1所示，基本作用力為F=19kN。

圖1 臂長145mm的壓制工具

3.2 氣動(dòng)錘

在ASTMC14352中描述了使用氣動(dòng)錘制作的試驗(yàn)樣品。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了壓實(shí)夯實(shí)板的形狀和形狀的要求。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定錘子類型的要求，最小功率輸入應(yīng)為900W，頻率至少2000次/min。選擇以滿足ASTMC14352的參數(shù)氣動(dòng)錘如圖2所示。在3層塑料模具中制作立方標(biāo)本，最后一層制作成型板如圖3所示，10s為一層壓實(shí)時(shí)間，總共制作了21個(gè)樣品。為了比較壓實(shí)度的影響，也制作了對(duì)照組樣品，對(duì)照樣品被壓實(shí)至最大可能的壓實(shí)程度。

圖2 帶有夯實(shí)板的氣動(dòng)錘

圖3 帶有145mm臂的夯實(shí)板

3.3 芯鉆

從停車場(chǎng)和超市旁道路獲取測(cè)試材料來比較實(shí)驗(yàn)室樣品與真實(shí)材料的差異。在施工過程中使用的雙滾筒輥?zhàn)又亓繛?.5t，輥?zhàn)油ㄟ^混凝土層4次，壓實(shí)厚度至20cm。雙滾筒輥?zhàn)觾H在靜態(tài)模式下工作，碾壓混凝土與實(shí)驗(yàn)室樣品的試驗(yàn)條件相同，共提取了14個(gè)巖心鉆頭。

4 結(jié)果討論

4.1 容積密度與抗壓強(qiáng)度

為了方便比較各種壓實(shí)方法，選擇容積密度為主要的評(píng)價(jià)參數(shù)，測(cè)量出抗壓強(qiáng)度[7]。不同方法的容積密度和抗壓強(qiáng)度的測(cè)量值見表3。

表3 不同壓實(shí)方法的容積密度和抗壓強(qiáng)度

從表3可以看出，與氣錘錘擊試樣相比，雙滾筒輥?zhàn)右粚屿o滾動(dòng)試樣具有相對(duì)較低的抗壓強(qiáng)度和較低的容積密度[8]。為了獲得更好的壓實(shí)效果，首選在多個(gè)層中壓實(shí)結(jié)構(gòu)運(yùn)用強(qiáng)夯模式。但是，由于從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，一般建筑公司僅使用一層靜滾動(dòng)進(jìn)行壓實(shí)。從表3中也可以看出，采用一層靜滾動(dòng)的容積密度和抗壓強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果均最差。所以使用一層靜滾動(dòng)壓實(shí)方法效果較差，顯然為施工效益犧牲了部分施工品質(zhì)。為了提升施工質(zhì)量，消耗的作用力會(huì)更大，從而限制了這一方法在實(shí)際施工過程中的應(yīng)用。從氣動(dòng)錘(壓實(shí)時(shí)間t=10s)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，容積密度結(jié)果相差不大。氣動(dòng)錘在最佳工作條件下，可以獲得最佳的容積密度和抗壓強(qiáng)度。但是，由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件，工期等各種因素的限制，以工程驗(yàn)收為考核目標(biāo)驅(qū)動(dòng)因素為主導(dǎo)，因此這種壓實(shí)方式在實(shí)際應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)。

4.2 瞬時(shí)承載指數(shù)(IBI)試驗(yàn)

為了僅通過試樣高度來確定比較不同壓實(shí)方法的壓實(shí)效果，同時(shí)又無須測(cè)定樣品的容積密度。因此選用瞬時(shí)承載指數(shù)的方法。

瞬時(shí)承載指數(shù)是一種比較方法[9]，其表示按規(guī)定的恒定速率將心軸按一定的深度推送到試驗(yàn)樣品的指定深度所需的力與將心軸推入?yún)⒈炔牧?如破碎的石灰石)所需力的比率。該試驗(yàn)用于測(cè)量公路施工中路基的阻力。在壓實(shí)實(shí)驗(yàn)完成后立即進(jìn)行IBI實(shí)驗(yàn)，其穿透芯軸直徑為0.5～50mm。將芯軸以恒定速度1.27mm/min推入試樣，選擇破碎石灰石作為參考材料其加利福尼亞承載率(CBR100%)。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖4—5所示。

對(duì)3例新混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，方法一是由F=19kN靜載機(jī)的力壓縮；方法二是由F=80kN靜載機(jī)的力壓縮，分4段施加至80kN。相對(duì)19kN而言，80kN的力壓縮效果較好，形狀穩(wěn)定。方法三是由氣動(dòng)錘壓實(shí)，壓實(shí)時(shí)間t=10s。

如圖6所示，顯然靜載荷機(jī)器壓實(shí)F=19kN的力抵抗芯軸的穿透力最差，不論從2.5mm與5mm兩個(gè)點(diǎn)看，F(xiàn)=19kN壓實(shí)效果較氣動(dòng)錘與80kN來得差。同時(shí)，氣動(dòng)錘的抗穿透能力隨著力的增加呈上升趨勢(shì)；與之不同的是，用靜載荷試驗(yàn)機(jī)壓實(shí)F=80kN的試樣，在穿過第二點(diǎn)(5mm)后，樣品對(duì)芯棒的滲透具有恒定的阻力，曲線區(qū)域平穩(wěn)[10]。就第一點(diǎn)(2.5mm)而言，氣動(dòng)錘的抗穿透能力居中，F(xiàn)=80kN最佳；但就第二點(diǎn)(5mm)，氣動(dòng)錘的抗穿透能力與F=80kN已很接近，表明兩種方法對(duì)試樣的壓實(shí)效果基本相當(dāng)。

圖4 IBI實(shí)驗(yàn)

圖5 剪切面產(chǎn)生

圖6 瞬時(shí)承載指數(shù)(IBI)試驗(yàn)

5 結(jié)論

通過對(duì)氣動(dòng)錘產(chǎn)生的巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，確定了壓實(shí)時(shí)間(t=10s)。氣動(dòng)錘制備的樣品與鉆頭具有容積密度和抗壓強(qiáng)度相似的結(jié)果。靜態(tài)加載機(jī)雖不適用于實(shí)際應(yīng)用，但靜態(tài)加載機(jī)的試件結(jié)果清楚地表明了碾壓混凝土的靜力和強(qiáng)夯之間的差異。在靜態(tài)壓實(shí)中，芯棒的初始抗?jié)B性能較高，超過一定的極限后，抗?jié)B性能不變。氣動(dòng)錘制作的試樣在整個(gè)試驗(yàn)過程中主動(dòng)抵抗，整個(gè)體積均勻壓實(shí)。