大激振力作用下厚層水穩碎石壓實特性研究＊

李煒光 范文東 韓 慶

（長安大學公路學院1） 西安 710064）

（交通鋪面材料教育部工程中心2） 西安 710064） （商丘職業技術學院3） 商丘 476000）

0 引 言

采用水泥穩定類材料，一次鋪筑碾壓成型或分層鋪筑成型，厚度在22～35cm之間的基層稱為大厚度水穩碎石基層［1］，此種結構是我國高速公路半剛性基層的主要結構形式［2－4］.由于受施工機械的限制，施工過程中這種結構一般分2層施工.分層施工導致基層層間不連續，以致基層結構綜合路用性能降低.隨著振動壓實機械激振力的不斷增加，增加單層鋪筑厚度成為可能.目前，對大激振力作用下一次成型厚層水穩碎石壓實特性方面的研究尚少.而長安大學自主研發大激振力振動壓實設備，使得室內模擬現場振動壓實試件成為可能.基于此，本文通過振動壓實機成型30 cm試件并結合兩龍高速試驗路實體工程對厚層水穩碎石基層的密度、水泥劑量、含石量分布等壓實特性進行相關研究.

已有研究表明［5－6］，半剛性基層厚度增加可明顯提高綜合路用性能.但是，厚度增加對基層壓實特性產生怎樣的影響，目前研究很少.因此，本文通過室內試驗和現場驗證相結合的研究思路，采用大激振力試驗設備成型試件對其密度、水泥劑量和含石量分布等壓實特性進行了研究，目的在于研究隨半剛性基層鋪筑厚度的增加，縱向壓實特性的變化規律.

1 物理性能分析

1.1 密度

相關資料［7－11］表明，普通振動壓路機碾壓后，壓實材料的密度隨深度的變化呈曲線分布，如圖1，即最大干密度出現在表層偏下的位置.而大激振力作用下被壓實材料的密度具有怎樣的一種變化趨勢呢？為此采用普通振動壓實機與大激振力振動壓實機分別確定最佳含水量并成型試件，以研究大激振力作用下壓實材料的密度變化規律.普通振動壓實機的振動參數為靜壓力0.1MPa、振動頻率30Hz、激振力6 800N、偏心塊夾角為60°、振動時間為2min.大激振力振動成型機的振動參數為激振力37.428kN、振動頻率為30Hz、偏心塊夾角為60°、振動時間為1.5min.普通振動成型機確定的最佳含水量為5%，而大激振力成型機確定的最佳含水量為4.6%，較前者含水量有所減少.試驗分別成型6組試件，同時對成型的試件分5層切割，對其密度變化趨勢進行研究，試驗結果見圖2.

圖1 振動壓實作用下的壓實特性

圖2 2種激振力作用下壓實特性比較

從圖2可見，普通激振力作用下成型的標準試件最大干密度為2.451g／cm3，大激振力作用下成型的30cm試件最大干密度為2.498g／cm3，較前者增加了1.92%.且在大激振力作用下試件密度的最小值為2.452g／cm3，比普通激振力作用下試件的最大干密度還大，因此，在大激振力作用下增加單層鋪筑厚度是可行的.

為了進一步驗證結論，結合兩龍高速公路心樣進行密度變化規律的研究.采用蠟封法對兩龍高速公路試驗路取心，選取6個代表性心樣并按預定尺寸0～6cm（1）、6～12cm（2）、12～18cm（3）、18～24cm（4）、24～30cm（5）切割進行分析，密度檢測結果如表2.

表2 水穩碎石密度試驗結果 g／cm3

試件密度作數據擬合的結果見圖3.從圖3可見，厚層水穩碎石試件的最大干密度均在表面以下約10cm處（即圖上2，3點之間處）；大激振力作用下水穩碎石的密度變化規律和普通激振力是一致的.當厚度超過24cm時密度開始衰減，但由于大激振力的作用，使得24cm以上的密度大大超過了壓實度要求，即增加水穩碎石結構的單層鋪筑厚度是可行的.

圖3 水穩碎石試件密度曲線圖

上下密度的變化是否會導致下部的壓實度不能滿足要求，從而影響路面性能呢？又對上下密度差異進行分析.分別統計上部（0～12cm）和下部（18～30cm）密度的平均值，以整段的密度均值作為參照對象.結果見表3.

表3 厚層水穩碎石密度統計分析結果 g／cm3

結果表明，厚層水穩碎石試件上下密度差異基本控制在0.04g／cm3以內.按照上下壓實度差異來說，不超過2%.因此，從室內試驗、現場驗證以及壓實度差異等方面綜合分析得出結論：提高振動壓實機械的激振力可以增加基層單層鋪筑厚度.

1.2 水泥劑量

水泥劑量是影響水穩碎石性能的又一個重要因素，水泥劑量不足會導致結合料的粘結性能下降，不能與石料緊密結合，成型后容易松散，強度不能保證.

通過對室內大激振力振動擊實儀成型厚層水穩碎石試件（水泥劑量4.5%）上15cm和下15 cm部分進行水泥劑量的EDTA滴定，研究其水泥劑量的變化特性.滴定結果見表4.

表4 水泥劑量滴定結果 %

通過對比厚層水穩碎石試件上下部分EDTA消耗量發現，上下部分的消耗量沒有明顯差別.試驗結果也表明，厚層水穩碎石的水泥劑量并沒有隨著深度有明顯的變化，水泥劑量的偏差在±0.5%以內，在大激振力作用下水泥劑量不會隨深度的改變而產生上下分布不均衡，說明由水泥劑量變化引起的水穩碎石性能的變化可以忽略.

1.3 含石量

厚層水穩碎石由于攤鋪厚度較大，在攤鋪和碾壓過程中可能導致石料的深度方向離析，所以為了防止由于厚度較大而導致的石料分布不均現象，必須對石料的分布狀況進行研究.

通過對振動壓實前后集料分布的研究發現，在持續振動力的作用下，被壓材料內部顆粒間的連接和摩擦力減弱，顆粒可產生較大的位移，在振動壓實影響深度的范圍內，上層的粗集料下移下部的細集料上移，離振動源越近，該現象越明顯.石料在振動碾壓作用下的運動示意如圖4所示.

圖4 振動碾壓作用下石料運動狀態示意圖

對現場取心試件的外表面進行拍照，從石料的外觀對石料的分布進行量化分析，首先采用Photoshop勾畫出大粒徑石料外觀輪廓線，然后利用CAD勾畫出石料輪廓，計算分段（約3cm）面積（S）和每段內的各個石料面積（a），并同時計算出各分段內的石料總面積比），得到石料的分段分布率），處理流程如圖5所示.

圖5 水穩碎石含石量處理流程

厚層水穩碎石（30cm）按照每5cm為一段，共6段.計算結果見表5和圖6.

從含石量的分布規律來看，大激振力作用下厚層水穩碎石各個試件從上到下石料分布率變化不大，可見并未出現離析現象，其含石量大致與普通水穩碎石相同，從總體上看中部的含石量略微高于上下兩端.

表5 厚層水穩碎石基層石料分布率分段統計表 %

圖6 取心試件外表面含石量分布變化圖

2 大激振力作用下厚層水穩碎石特性分析

2.1 連續性分析

為使常規方法分層鋪筑水泥穩定碎石和大厚度水穩碎石具有可比性，以研究其石料的分布規律，現將15cm水穩碎石標準試件平均切割成3段，每段5cm.石料分布測試試驗結果如表6.

表6 15cm水穩碎石基層石料分布率分段統計表 %

將試件1，2；2，3；3，1分別按照上下順序進行組合，通過擬合得到有分層鋪筑條件下厚層水穩碎石石料分布率，見表7.

表7 分層鋪筑條件下厚層水穩碎石石料分布率分段統計表 %

表5和表7分別表示了一次成型和分層鋪筑件下厚層水穩碎石石料分布率，對相應高度段的石料分布率進行加權平均后的結果見圖7.

試驗結果表明：一定厚度下的水穩碎石在相應的激振力作用下，不會出現離析現象，其石料分布具有一定的穩定性.顯然，厚層水穩碎石與普通水穩碎石結構在深度方向含石量規律一致，但后者分兩層鋪筑，深度方向的含石量變化情況明顯出現間斷情況，而且受影響結構厚度大約10cm，占到結構整體厚度的30%，其整體性和均勻性能降低，將會對路面結構抗裂性能有一定的影響.而在大激振力作用下，由于厚層水穩碎石采用一次成型方式，將會大大的改善基層的層間問題而且具有很好的抗裂性.

圖7 不同成型方式厚層試件石料分布圖

2.2 阻裂效果分析

大激振力作用下的厚層水穩碎石縱向連續性良好，中間部位骨料分布率得到較大提高.這樣的石料分布特點將對阻止基層底部反射裂縫有積極作用.可將此種狀態石料分布的特點產生的作用稱為阻裂作用，此種路面結構稱之為阻裂帶.阻裂帶模型如圖8所示.

圖8 阻裂帶模型

在該模型中，當裂縫在向上（或下）的細集料中發展時，當遭遇粗集料，裂縫會試圖繞開，當裂縫無法繞開時便停止發展，從而起到了阻裂的效果.石料在結構層的中部均勻分布會降低裂縫發展的機會.

在大激振力作用下的厚層水穩碎石并未因為厚度的增加而改變其石料的分布情況，但是由于其厚度的增加，層間結合較普通水穩碎石好，所以其性能要優于普通水穩碎石結構層.

3 結 論

1）通過室內對比試驗發現，在大激振力振動成型機作用下成型的試件最大干密度得到了提高，且密度變化規律和普通激振力作用下是一致的，都呈現中上部大，兩頭略小的變化規律.厚層水穩碎石試驗路現場取芯試件進行的密度測試也驗證了這一規律.

2）厚層水穩碎石室內成型試件的滴定試驗發現上下水泥劑量變化差異在±0.5%以內，沒有由于碾壓厚度的增加出現較大的變異.

3）通過對大激振力作用下石料分布的研究發現，從上到下石料分布率呈現出中間多兩邊小的趨勢，一次成型厚層水穩碎石含石量與普通厚度水穩碎石結構相同.若分層施工，則會導致石料離析現象.

4）由于鋪筑厚度的增加，石料分布的規律具有一定的阻裂效果.

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