廖亞雄，王德富，袁盛杰

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

水泥穩(wěn)定碎石因具有良好的穩(wěn)定性與較高的承載能力，在我國(guó)當(dāng)前多數(shù)的公路工程、市政道路中，基層的建設(shè)多數(shù)采用此類無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)材料作為基層[1]。隨著壓實(shí)機(jī)械的更新?lián)Q代，水泥穩(wěn)定碎石在設(shè)計(jì)方面與施工存在一定的“脫節(jié)”，即室內(nèi)成型方法與工程實(shí)踐中道路結(jié)構(gòu)的級(jí)配、受力狀態(tài)等存在差異[2]。我國(guó)早期高速公路多采用重型擊實(shí)法，而重型機(jī)械推廣后，道路研究者對(duì)重型擊實(shí)法與靜壓法的適用性產(chǎn)生了質(zhì)疑，增加擊實(shí)次數(shù)或增大靜壓力能否繼續(xù)適用成為研究者關(guān)心的問題之一[3]。自長(zhǎng)安大學(xué)研制出振動(dòng)壓實(shí)成型儀器，并提出振動(dòng)壓實(shí)法后，發(fā)現(xiàn)在抗裂耐久性半剛性基層研究中具有良好的適用性[4]。GTM法在瀝青混合料面層與柔性基層的配合比設(shè)計(jì)中有著良好的適用性[5]，而對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石基層的研究目前較少。鑒于此，根據(jù)武穴長(zhǎng)江公路大橋接線工程水泥穩(wěn)定碎石基層的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)靜壓法、重型擊實(shí)法、振動(dòng)壓實(shí)法與GTM法的適用性。

1 水泥穩(wěn)定碎石成型方法

為了能評(píng)價(jià)成型方法的適用性，本文研究所成型的試件尺寸均為φ150 mm，高度為150 mm，分別采用靜壓法、重型擊實(shí)法、振動(dòng)壓實(shí)法與GTM法成型試件。

1.1 靜壓法

靜壓法是指室內(nèi)通過壓力機(jī)對(duì)試模內(nèi)的混合料施加荷載進(jìn)行壓實(shí)，通過增大油泵壓力使試件壓至擬成型的高度，靜壓法成型試件與實(shí)踐中未開啟振動(dòng)的鋼輪壓路機(jī)一致。

1.2 重型擊實(shí)法

采用現(xiàn)行《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)和《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)中規(guī)定的水泥穩(wěn)定碎石材料成型試驗(yàn)中的重型擊實(shí)法。

1.3 振動(dòng)壓實(shí)法

采用《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)中規(guī)定的試件振動(dòng)成型方法。

1.4 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法

GTM(美國(guó)工程兵旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀)法是通過模擬行車荷載作用來成型試件。試驗(yàn)中，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀通過旋轉(zhuǎn)底座帶動(dòng)試模旋轉(zhuǎn)，并對(duì)混合料施以垂直壓力，從而使得混合料在搓揉后逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)。GTM法基于實(shí)際路面狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)，與實(shí)際路面結(jié)構(gòu)相關(guān)度較高，在瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。本文選取垂直壓力為0.8 MPa，旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)角為3°

2 原材料

2.1 水泥

水泥采用襄陽生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

2.2 集料

所用集料取自于采用信陽生產(chǎn)的碎石，集料的粒徑分如下幾檔：19～31.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、石屑。其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)

2.3 礦料級(jí)配

為了便于后續(xù)評(píng)價(jià)成型方法的適用性，室內(nèi)試驗(yàn)集料級(jí)配與水泥劑量同已建成道路的水泥穩(wěn)定碎石基層，礦料合成級(jí)配見表3。

表3 礦料合成級(jí)配

3 成型方法的適用性評(píng)價(jià)

3.1 級(jí)配

水泥穩(wěn)定碎石基層攤鋪的厚度較大，碾壓成型時(shí)需要更大的壓實(shí)功，粗集料在豎向壓力作用下會(huì)發(fā)生破碎，從而與初始級(jí)配產(chǎn)生差別、影響路用性能。因此，為了驗(yàn)證成型方法對(duì)級(jí)配的影響，本研究在不摻水泥的情況下，將混合料裝入試模中，按各自成型方法壓至擬成型的試件高度，然后將礦料倒出進(jìn)行篩分，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同成型方法下礦料篩分結(jié)果

由表3可知，振動(dòng)壓實(shí)法與GTM法下礦料級(jí)配的變化較小，而靜壓法與重型擊實(shí)法粗骨料的破碎較后兩種方法更為嚴(yán)重。這是因?yàn)殪o壓法與重型擊實(shí)法下，礦料僅受豎直方向的作用力，不能重新排列為密實(shí)的骨架結(jié)構(gòu)。而振動(dòng)壓實(shí)法與GTM法可以使得礦料在成型過程中相互嵌擠成更密實(shí)的骨架結(jié)構(gòu)，因此破碎較少。振動(dòng)壓實(shí)法可使礦料間的摩阻力由靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，而一旦摩阻力減小，就減小了礦料的破碎，從而促進(jìn)重新排列。相比于振動(dòng)壓實(shí)法，GTM法模擬的荷載與實(shí)際更為接近，在有限的試件尺寸范圍內(nèi)更易于達(dá)到平衡狀態(tài)。因此GTM法下級(jí)配變化較小，對(duì)成型后的路用性能影響較小。

3.2 路用性能

有研究表明，水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度越大，對(duì)于溫度的敏感性就越小，并且干縮能力隨之降低[6]。此作為路面結(jié)構(gòu)的承重層，在設(shè)計(jì)和施工過程中以抗壓強(qiáng)度為主要控制指標(biāo)。然而7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度并不能真實(shí)反映水泥穩(wěn)定碎石基層開裂破壞的機(jī)理，劈裂強(qiáng)度指標(biāo)是與實(shí)際水泥穩(wěn)定基層破壞最契合的指標(biāo)[7]，通常采用劈裂強(qiáng)度作為力學(xué)強(qiáng)度評(píng)價(jià)的依據(jù)之一[8]。鑒于此，對(duì)于路用性能的評(píng)價(jià)采用7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與7 d劈裂強(qiáng)度進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)，水泥劑量與實(shí)際道路一致取4.5%，相關(guān)性評(píng)價(jià)采用當(dāng)時(shí)水泥穩(wěn)定碎石基層的主控項(xiàng)目7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(13.22 MPa)作為對(duì)比，物理指標(biāo)與試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表5可知，振動(dòng)壓實(shí)法與GTM法下，最佳含水率略高，但是密度、抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度更大。從級(jí)配變化的分析可知，振動(dòng)壓實(shí)法與GTM法分別通過振動(dòng)和搓揉的方式使得礦料能重新排列，形成相互嵌擠且密實(shí)的結(jié)構(gòu)，因此在相同的水泥劑量下有著更高的密度與力學(xué)強(qiáng)度，故前兩種方法即便采用良好的級(jí)配也難以達(dá)到理想的效果。

試驗(yàn)中驗(yàn)證了成型方式對(duì)最大干密度的影響，振動(dòng)壓實(shí)法確定的最大干密度約為重型擊實(shí)法的1.03倍，最佳含水率約為1.08倍。對(duì)于后兩種方法，GTM法比振動(dòng)法抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別提高22%、24%，主要原因在于GTM法的垂直壓力基于大量實(shí)踐綜合獲取，而振動(dòng)壓實(shí)法室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)壓路機(jī)工作還存在較大差異，且受到試件尺寸的影響，難以反映實(shí)際成型效果。從相關(guān)度檢驗(yàn)可見，GTM法高達(dá)94%，其余方法均不超過80%，說明GTM法更適用于水泥穩(wěn)定碎石基層。

4 結(jié) 語

(1)不摻水泥的情況下，評(píng)價(jià)了四種成型方法對(duì)級(jí)配的影響。發(fā)現(xiàn)振動(dòng)壓實(shí)法與GTM法下礦料級(jí)配的變化較小，靜壓法與重型擊實(shí)法粗骨料的破碎較為嚴(yán)重。振動(dòng)壓實(shí)法使礦料間的摩阻力減小，GTM法在有限的試件尺寸范圍內(nèi)更易于達(dá)到平衡狀態(tài)。因此后兩種方法能在成型過程中形成更密實(shí)的骨架結(jié)構(gòu)，且破碎較少。

(2)通過最佳含水率、最大干密度、7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與7 d劈裂強(qiáng)度評(píng)價(jià)了四種成型方法對(duì)性能的影響。振動(dòng)壓實(shí)法與GTM法分別通過振動(dòng)和搓揉的方式使得礦料能重新排列，因此振動(dòng)壓實(shí)法與GTM法抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度更大。GTM法比振動(dòng)壓實(shí)法抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別提高22%、24%，相關(guān)度高達(dá)94%，驗(yàn)證了GTM法的適用性。