高 昆

(新疆交建公路規(guī)劃勘察設計有限公司， 烏魯木齊 830011)

半剛性基層一直是我國高等級公路的主要基層結構形式，通常采用水泥穩(wěn)定碎石材料鋪筑而成[1-2]。良好的材料組成設計和施工方式對水泥穩(wěn)定碎石基層的強度形成與耐久性至關重要[3-5]。目前，工程一般采用振動壓路機對水泥穩(wěn)定碎石層進行碾壓，但在進行材料組成設計時經常采用靜壓法成型試件進行力學性能分析，這就使室內設計與實際施工相去甚遠，試驗確定的配比設計往往無法滿足實際工程需求[6-10]。振動法成型試件與現(xiàn)場施工方式較為接近，但由于振動成型試件的影響因素尚缺乏全面認識，振動擊實能量與現(xiàn)場施工的壓實功關系尚未完全厘清[11]，因此該方法盡管得到了很多研究人員的重視，但是仍未改變實驗室內普遍采用靜壓法的現(xiàn)狀。鑒于振動擊實能量與振動作用時間關系密切，本文基于振動法壓實成型試件，研究不同振動時間下影響水泥穩(wěn)定碎石無側限抗壓強度的因素。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥穩(wěn)定碎石采用石灰?guī)r質集料，其技術規(guī)格測試如表1所示，水泥采用P·O 425硅酸鹽水泥，技術指標如表2所示。拌和混凝土采用的水為室內自來水，該水質量滿足規(guī)范要求。本次試驗結合四川省某高等級公路的半剛性基層施工工程進行驗證分析，選用3種粗細程度不同的級配，如圖1所示的C級配、M級配及F級配。該高等級公路半剛性基層的實際級配如圖1所示，該實際級配基于實驗室內的M級配進行設計。

表1 集料技術規(guī)格

表2 水泥技術指標

注：實際級配基于M級配設計，圖中2條級配曲線重合。

圖1級配組成

Fig.1 Gradations of mixtures

1.2 試驗方案

垂直振動頻率和振幅是影響振動壓實效果的關鍵因素，當碎石的固有頻率與振動頻率一致而產生共振時，集料能夠更好地重排形成密實結構，而振幅的大小直接影響沖擊能量的形成，決定集料重排過程中的遷移程度。此外，激振力對壓實效果的影響也不可忽視，激振力與振幅、頻率的選擇有關，激振力過大或過小都無法保證壓實質量。參考文獻[6]研究，本試驗采用振動頻率為30 Hz，名義振幅為1.4 mm，激振力控制為6 900 kN，通過垂直振動儀器成型直徑為150 mm、高度為150 mm的試件。采用3種級配(C級配、M級配、F級配)、3種水泥劑量(4.5%、5%、5.5%)、3個養(yǎng)生時間(7 d、28 d、60 d)及3個振動時間(60 s、90 s、120 s)以研究不同的條件對振動成型試件無側限抗壓強度的影響。為對比靜壓成型試件的抗壓強度，采用壓力試驗機成型同樣尺寸的試件，選取的水泥劑量為5%，采用的級配為M級配。此外，對現(xiàn)場施工后不同養(yǎng)生時間下的水泥穩(wěn)定碎石基層進行鉆芯取樣，經檢測，選取的路段實際級配如圖1所示，其水泥實際用量為5.0%。

根據(jù)試驗規(guī)程測試不同養(yǎng)生齡期試件的無側限抗壓強度，其結果按照下式計算：

Rc=F/A

(1)

式中：Rc為無側限抗壓強度，MPa；F為試件破壞時的最大壓力，N；A為試件面積，mm2。

2 振動成型試件抗壓強度的影響因素分析

水泥穩(wěn)定碎石的強度主要由集料之間的嵌擠作用及水泥漿凝結硬化后提供的粘結作用構成。水泥的凝結硬化隨著時間延長而不斷發(fā)展，因此其粘結強度不斷增強。此外，水泥劑量的多少直接影響著水泥穩(wěn)定碎石的強度，而集料顆粒的粗細對于集料之間的嵌擠作用影響較大，從而影響水泥穩(wěn)定碎石的結構和強度形成[12-15]。因此，本研究分別以不同級配、水泥劑量及養(yǎng)生時間為條件，經過不同的振動時間成型水泥穩(wěn)定碎石試件，并對其無側限抗壓強度進行測試。

2.1 級配類型

在5%水泥劑量條件下，采用3種級配經過不同時間振動成型試件，養(yǎng)護7 d后測試其抗壓強度，結果如圖2所示。其中，C級配、M級配及F級配分別表示級配粗、中、細3種不同的類型。由圖2可以看出，在同樣振動成型時間條件下，盡管較細的級配7 d后的抗壓強表現(xiàn)略大，但這種差異并不顯著，另外需要注意的是較細的級配更易導致基層開裂。因此，實際施工時，在同樣條件下，可多選用較粗的級配結構；隨著振動時間的增加，成型的水泥穩(wěn)定碎石試件7 d后的抗壓強度逐漸增大，這表明振動成型的時間越長，水泥穩(wěn)定碎石內部結構越密實，試件強度越大。由圖2還可以看出，經過振動成型的試件7 d后抗壓強度均大于5 MPa，表明振動成型方法比靜壓成型能夠獲得更大的密實結構。

圖2 不同級配振動成型試件的7 d抗壓強度

2.2 水泥劑量

采用M級配和不同的水泥劑量對不同振動時間成型的水泥穩(wěn)定碎石試件進行抗壓強度試驗，試件的養(yǎng)生時間為7 d，試驗結果如圖3所示。由圖3可知，隨著水泥劑量的增加，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度顯著增大。這是由于水泥劑量增加后，水泥漿的水化反應產物增多，對穩(wěn)定碎石的凝聚十分有利，進而顯著提高了試件的抗壓強度；在同樣水泥劑量下，振動時間的延長明顯提升了水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度，60 s延長到90 s后效果十分顯著，90 s進一步延長到120 s后，抗壓強度持續(xù)增加，但增長幅度有所減小。這說明振動時間的延長能夠促進水泥穩(wěn)定碎石集料間的相互運動，使得試件整體進一步密實，在同樣的水泥漿水化產物包裹下，能夠形成更強的粘結體系，從而表現(xiàn)出更大的抗壓強度。

圖3 不同水泥劑量下振動成型試件的抗壓強度

2.3 養(yǎng)生時間

基于M級配和5%的水泥劑量，采用振動成型法成型試件后分別養(yǎng)生7 d、28 d、60 d后測試其無側限抗壓強度，結果如圖4所示。由圖4可知，隨著養(yǎng)生時間不斷增加，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度逐漸增加，由于水泥的水化產物隨著時間延長而增多，但水泥的水化反應速率逐漸放緩，因此在7 d發(fā)展到28 d內的抗壓強度增長幅度明顯大于從28 d發(fā)展到60 d內的抗壓強度漲幅；隨著振動時間的延長，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度明顯增大。同時，對比同一養(yǎng)生時間段內的抗壓強度，從其漲幅可看出，振動時間的延長有利于養(yǎng)生期間抗壓強度的發(fā)展和強化，振動時間越長，水泥穩(wěn)定碎石的結構相對越密實，水泥的水化產物能更好地形成整體，其抗壓強度的增加幅度也相對較大。

圖4 不同養(yǎng)生時間下振動成型試件的抗壓強度

3 工程驗證分析

為了對比分析振動法成型水泥穩(wěn)定碎石試件、室內靜壓法成型試件與現(xiàn)場半剛性基層施工后芯樣的抗壓強度，采用養(yǎng)護7 d后的試件進行強度測試，結果如表3所示。

由表3可知，靜壓法成型的水泥穩(wěn)定碎石試件的無側限抗壓強度明顯低于現(xiàn)場實際強度，這表明在試驗內同樣的材料設計條件下，用靜壓法成型試件評價水泥穩(wěn)定碎石基層的力學性能明顯不足。振動法成型試件的抗壓強度較接近于實際工程，振動60 s成型的試件其抗壓強度略小于實際工程芯樣的抗壓強度，而振動90 s成型的試件其強度值則略大于工程芯樣。由此可見，通過振動法成型的水泥穩(wěn)定碎石試件的力學性能與實際施工效果較為接近，可通過振動時間的研究和控制，提高實驗室內的配比設計水平，從而更加準確地指導現(xiàn)場施工。

表3 不同成型方式下試件的抗壓強度

4 結論

基于水泥穩(wěn)定碎石的振動成型，研究了不同級配、水泥劑量、養(yǎng)生時間以及振動時間等因素對抗壓強度的影響，細級配(F)水泥穩(wěn)定碎石的7 d抗壓強度略高于粗級配，同時經過垂直振動后其抗壓強度均超過5 MPa，但是在差異不太顯著的情況下，細級配水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能有待進一步研究。

隨著水泥劑量或養(yǎng)生時間的增加，經過垂直振動成型的水泥穩(wěn)定碎石試件的抗壓強度相應增大；在同樣的水泥劑量或養(yǎng)生齡期條件下，振動時間的延長促使試件壓實度更高而使得試件具有更大的抗壓強度。

通過對實際工程鉆芯取樣和實驗室內靜壓成型試件進行抗壓強度測試、對比分析，發(fā)現(xiàn)振動成型試件的抗壓強度更接近于實際工程，而靜壓成型試件的抗壓強度顯著低于實際工程，說明在實驗室內通過研究與控制振動時間，可提出更加符合現(xiàn)場施工的水泥穩(wěn)定碎石配比設計，從而更好地指導現(xiàn)場施工。