李生隆

（鄭州市市政工程勘測設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州450000）

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面是我國城市道路主要的路面結(jié)構(gòu)形式。水泥穩(wěn)定碎石基層是城市道路中應(yīng)用最廣泛的基層類型。如何減少水泥穩(wěn)定碎石基層開裂是長期以來工程界普遍關(guān)注的課題，所沿用的傳統(tǒng)試驗(yàn)方法是：先采用土工擊實(shí)儀，重型擊實(shí)水泥穩(wěn)定碎石混合料，測定其最佳含水率和最大干密度；然后采用靜壓法成型標(biāo)準(zhǔn)試件，測定試件的力學(xué)性能。但工程實(shí)踐表明，采用靜壓法這一傳統(tǒng)試驗(yàn)方法不能反映實(shí)際施工中材料的真實(shí)性能。因此，科研機(jī)構(gòu)提出了能夠模擬實(shí)際施工中材料真實(shí)性能的振動(dòng)成型法。

振動(dòng)成型法采用振動(dòng)壓實(shí)成型機(jī)來振動(dòng)擊實(shí)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料，然后測定其最佳含水率、最大干密度；制備成型標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，測定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能。

長安大學(xué)最先開始研究水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)成型法及其應(yīng)用，并研制了能夠模擬振動(dòng)壓路機(jī)工作原理的振動(dòng)壓實(shí)成型設(shè)備[1-2]。天津市市政工程研究院比較了水泥穩(wěn)定碎石混合料靜壓法與振動(dòng)成型法的優(yōu)劣[3]，結(jié)果表明：在同一強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)條件下，采用振動(dòng)成型法設(shè)計(jì)的混合料水泥劑量比傳統(tǒng)靜壓法確定的水泥劑量??；振動(dòng)成型法設(shè)計(jì)的半剛性基層材料物理力學(xué)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)靜壓法設(shè)計(jì)的半剛性基層材料。

1 工程概況

鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)位于鄭州市主城區(qū)東南的城市新區(qū)，區(qū)域內(nèi)道路大部分均為新建城市道路，施工條件較好，因此該區(qū)域內(nèi)道路均采用振動(dòng)成型法設(shè)計(jì)水泥穩(wěn)定碎石基層。以區(qū)域內(nèi)某條次干路為例，道路規(guī)劃紅線40 m，規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置形式為：3.5 m（人行道）+1.5 m（邊綠化帶）+13.5 m（車行道）+3.0 m（中央綠化帶）+13.5 m（車行道）+1.5 m（邊綠化帶）+3.5 m（人行道）=40 m（見圖1）。

圖1 道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：m）

工程設(shè)計(jì)車行道瀝青路面總厚度為64 cm，分別為：厚4 cm細(xì)粒式改性瀝青混凝土（AC-13C）、厚6 cm中粒式改性瀝青混凝土（AC-20C）、厚36 cm水泥穩(wěn)定碎石（分2層攤鋪施工）和厚18 cm水泥石灰綜合穩(wěn)定土。水泥穩(wěn)定碎石基層采用振動(dòng)成型法進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。

為研究振動(dòng)成型法在城市道路工程中的應(yīng)用效果，探討振動(dòng)成型法與傳統(tǒng)靜壓法的差別，本次研究的主要內(nèi)容如下：

（1）分析傳統(tǒng)靜壓法與振動(dòng)成型法的特點(diǎn)。

（2）分別采用振動(dòng)成型法與傳統(tǒng)靜壓法確定混合料最佳含水率及最大干密度，制備相同配合比試件，比較兩者的力學(xué)性能。

（3）通過對比振動(dòng)成型法設(shè)計(jì)指導(dǎo)的實(shí)際工程效果與傳統(tǒng)靜壓法試驗(yàn)效果，檢驗(yàn)振動(dòng)成型法能否滿足指導(dǎo)控制施工的要求。

2 振動(dòng)成型法

2.1 傳統(tǒng)試驗(yàn)方法存在問題

傳統(tǒng)靜壓法中，壓實(shí)材料時(shí)采用的是擊實(shí)錘錘擊，然后用壓力試驗(yàn)機(jī)施加靜壓力來制備試件。

由于壓實(shí)工藝與設(shè)備不斷進(jìn)步，目前城市道路工程基層施工中普遍采用振動(dòng)碾壓施工工藝，振動(dòng)壓路機(jī)的激振力遠(yuǎn)大于上世紀(jì)90年代以前的壓實(shí)設(shè)備[1]。在當(dāng)前主流道路施工壓實(shí)設(shè)備條件下，施工現(xiàn)場經(jīng)過振動(dòng)壓路機(jī)的簡單碾壓就能達(dá)到用靜壓法確定的最大干密度，壓實(shí)度超過100%的情況普遍發(fā)生，此時(shí)水泥穩(wěn)定碎石基層芯樣的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于靜壓法成型試件的強(qiáng)度。有些路面基層的壓實(shí)度雖然達(dá)到了《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 169—2012）中規(guī)定的要求，但通車使用不久瀝青路面就普遍出現(xiàn)密集的反射裂縫。這就造成了靜壓法成型試件方式與目前實(shí)際工程中振動(dòng)碾壓工況不相符[1]，難以有效指導(dǎo)施工實(shí)踐。

2.2 振動(dòng)壓實(shí)成型機(jī)與振動(dòng)成型法

振動(dòng)壓路機(jī)的工作原理：在振動(dòng)碾壓作業(yè)過程中，由壓路機(jī)內(nèi)部振動(dòng)裝置產(chǎn)生激振力，在激振力作用下，一系列振動(dòng)壓力波傳遞到被壓材料中；在振動(dòng)壓力波的作用下，被壓材料顆粒間的內(nèi)摩阻力得以降低，被壓材料中的粗顆粒骨料產(chǎn)生位移，材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行重排布，且混合料顆粒之間的空氣得以快速排出，從而使材料得到壓實(shí)。

模擬振動(dòng)壓路機(jī)工作原理和構(gòu)造特點(diǎn)的振動(dòng)壓實(shí)成型機(jī)見圖2。振動(dòng)壓實(shí)成型機(jī)能夠較好地模擬振動(dòng)壓路機(jī)的實(shí)際壓實(shí)過程和壓實(shí)效果，其可靠性得到了一些科研機(jī)構(gòu)的驗(yàn)證[2]。

圖2 振動(dòng)壓實(shí)成型機(jī)示意圖

振動(dòng)成型法分為2步：（1）在設(shè)定工作頻率、振動(dòng)配重和振動(dòng)時(shí)間等參數(shù)條件下，采用振動(dòng)壓實(shí)成型機(jī)在激振力作用下振動(dòng)壓實(shí)材料，測試其最佳含水率、最大干密度；（2）用壓實(shí)材料制備標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，測定試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3 原材料與試驗(yàn)方案

3.1 原材料

水泥為鄭州天瑞牌P·O42.5水泥，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 P·O42.5水泥技術(shù)指標(biāo)

集料為禹州石料廠的石灰?guī)r碎石，粗集料、細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)見表2、表3。其中1#~4#集料粒徑規(guī)格分別為19～31.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、0～4.75 mm。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

3.2 礦料級配

試驗(yàn)所用水泥穩(wěn)定碎石級配采用《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）中水泥穩(wěn)定級配碎石或礫石中的C-B-3中值級配，見表4。

表4 水泥穩(wěn)定碎石級配組成（通過各篩孔的質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 單位：%

3.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用水泥穩(wěn)定碎石混合料水泥劑量擬采用3.0%、4.0%和5.0%。分別采用振動(dòng)成型法和傳統(tǒng)靜壓法確定水泥穩(wěn)定碎石混合料最佳含水率和最大干密度，并制備標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至一定齡期，測定兩者的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 傳統(tǒng)靜壓法和振動(dòng)成型法確定的混合料物理性能

采用上述2種試驗(yàn)方法確定水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水率和最大干密度，如表5所示。

表5 2種試驗(yàn)方法確定的混合料最佳含水率和最大干密度

由表5可知：振動(dòng)成型法所確定的混合料最佳含水率較傳統(tǒng)靜壓法確定的混合料最佳含水率低16%~22%；振動(dòng)成型法確定的混合料最大干密度較傳統(tǒng)靜壓法確定的混合料最大干密度平均提高約2%，即振動(dòng)擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)比重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)提高了約2%。

4.2 傳統(tǒng)靜壓法和振動(dòng)成型法成型試件的力學(xué)性能

分別采用振動(dòng)成型法和傳統(tǒng)靜壓法制備試件。按規(guī)范規(guī)定的98%壓實(shí)度制備直徑15 cm，高15 cm圓柱體試件，按照試驗(yàn)規(guī)程將試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生至不同齡期，供力學(xué)性能測試使用。測得試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，見表6、表7。

表6 振動(dòng)成型法制備試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表7 傳統(tǒng)靜壓法制備試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表6、表7可知，振動(dòng)成型法制備試件的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較傳統(tǒng)靜壓法制備試件高79%~97%。

從壓碎試件破裂面來看，振動(dòng)成型法成型試件結(jié)構(gòu)密實(shí)，粗集料分布均勻、嵌擠緊密，形成了較好的類SMA嵌擠結(jié)構(gòu)，試件整體性好；傳統(tǒng)靜壓法成型試件結(jié)構(gòu)較為松散，內(nèi)部存在一定空隙，粗集料分布不均、未形成較強(qiáng)的嵌擠結(jié)構(gòu)。這是由于2種試驗(yàn)方法壓實(shí)機(jī)理不同所致。

4.3 振動(dòng)成型法工程應(yīng)用效果分析

鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)某次干路，設(shè)計(jì)車行道路面結(jié)構(gòu)基層水泥穩(wěn)定碎石采用振動(dòng)成型法設(shè)計(jì)施工，項(xiàng)目實(shí)際施工配合比采用《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中水泥穩(wěn)定級配碎石或礫石中的C-B-3級配，水泥劑量采用4%，最佳含水率和最大干密度均由振動(dòng)成型法確定?，F(xiàn)場用灌砂法測試混合料壓實(shí)度和實(shí)際施工干密度，經(jīng)與室內(nèi)振動(dòng)成型法確定的最大干密度對比，兩者較為吻合?，F(xiàn)場經(jīng)過5~6遍碾壓后，混合料實(shí)際干密度與其最大干密度的0.98倍較為接近，現(xiàn)場取芯后測定的芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與振動(dòng)成型法成型試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較為接近，這充分說明振動(dòng)成型法能夠較好地模擬現(xiàn)場施工工況。工程建成通車1 a后，除施工橫縫外，路面未見橫向反射裂縫，說明基層抗裂性能有較大提升。

5 結(jié) 語

（1）與傳統(tǒng)靜壓法相比，相同礦料級配、相同水泥劑量條件下，振動(dòng)成型法確定的水泥穩(wěn)定碎石混合料最佳含水率更低、最大干密度更大，這就要求現(xiàn)場施工管理采用更為嚴(yán)格、科學(xué)的碾壓工藝才能達(dá)到規(guī)范要求的壓實(shí)度，便于施工質(zhì)量的提高。

（2）與傳統(tǒng)靜壓法相比，相同條件下振動(dòng)成型法制備的水泥穩(wěn)定碎石混合料試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度更高，制備成型材料內(nèi)部更密實(shí)，而骨架密實(shí)級配的混合料更易形成類SMA結(jié)構(gòu)；在相同車輛荷載作用下，路面基層疲勞壽命更長。

（3）振動(dòng)成型法能夠較好地模擬現(xiàn)場施工工況，與實(shí)際施工壓實(shí)效果較為吻合，便于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

（4）在同一強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)條件下，采用振動(dòng)成型法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定碎石混合料水泥劑量更低，工程水泥用量減少，節(jié)省工程投資，比較符合節(jié)能環(huán)保要求。