水泥穩定碎石振動與靜壓成型物理力學指標關系

王 龍，解曉光

(哈爾濱工業大學交通科學與工程學院，150090哈爾濱)

水泥穩定粒料類基層材料在實際生產中，其鋪層成型方式以振動壓路機碾壓為主，而室內材料設計與施工現場質量控制仍以擊實密度和靜壓強度為控制標準，這與施工現場基層以振動成型工藝不符［1］.公路相關規范規定:對于水泥穩定類半剛性基層的配合比設計按無側限抗壓強度試驗方法確定，標準的確定和試件的成型采用擊實和靜壓法，有條件情況下可采用振動成型方法［2－3］，即兩種方法可以替代使用.眾所周知，一種方法替代另一種方法必須基于等價原則，或二者具有換算關系，振動成型水泥穩定碎石試件的物理力學指標與擊實(靜壓)是否等價，若不等價二者具有什么關系，這種關系是兩種方法并存時期的使用基礎.本文通過大量試驗數據找出重型擊實與振動壓實法成型最大干密度、最佳含水量的關系，以及靜力壓實法成型試件和振動壓實成型試件7 d無側限抗壓強度關系，以求在缺乏振動成型設備的情況下，從擊實(靜壓)法求得振動成型方法下壓實度和強度評價標準.

1 試驗設備與方法

振動壓實設備為自行研制，工藝參數通過大量試驗優化確定［4］，與道路基層施工壓實機械的振動參數相對應，并參考了土體的固有頻率，確保碎石能被充分壓實且不被壓碎，振動壓實設備如圖1所示.

圖1 振動壓實設備

試驗采用3種類型級配，分別為懸浮－密實、骨架－密實和骨架－空隙結構，4.75 mm的通過率分別為45%、33%和20%，級配曲線如圖2所示.分別采用擊實與振動方法對3種結構水泥穩定碎石在水泥劑量(質量分數)分別為3%、4%、5%、6%和7%進行擊實和振動壓實試驗，確定兩種方法下的物理指標關系.

圖2 試驗采用的級配

因試件的強度標準與干密度、含水量、壓實度均有關系，故在下述兩種條件下制作對比試件:1)基于壓實度相同原則.分別以擊實法和振動法各自的最佳含水量和最大干密度為標準，采用靜壓法和振動法制作壓實度分別為96%、98%、100%的3組對比試件，共90個，進行強度對比.2)基于物理指標相同原則.以兩種方法的最大干密度的平均值和最佳含水量的平均值為標準壓實標準，分別采用靜壓和振動方法制作對比試件，共30個進行強度對比.

2 兩種成型方法物理指標

2.1 兩種成型方法最佳含水量

分別采用振動和擊實成型確定3種級配在5種水泥劑量下的最佳含水量與最大干密度的關系.圖3為兩種成型方法下最佳含水量的關系圖，可以看出，兩種成型方法的最佳含水量具有明顯的線性關系，但并不是一種成型方法的最佳含水量大于或小于另一種成型方法的關系，其變化大小與級配的結構類型有關，對于骨架－空隙級配，振動成型的最佳含水量比擊實成型的略小，降低大約0.3%，而對于懸浮－密實結構，振動成型下的最佳含水量比擊實成型高，高出大約為0.5%，對于骨架－密實級配，兩種成型工藝下的最佳含水量大約相當;最佳含水量的大小表征了壓實功能的強弱，而材料由骨架空隙過渡到骨架－密實，進而過渡到懸浮－密實體現了材料的可壓實性由強變弱，由于振動工藝是整體成型，隨著材料可壓實性的弱化，其對潤滑條件的需求要高于以局部夯擊成型的擊實工藝，因此，振動成型下材料的最佳含水量隨著材料可壓實的增加而逐漸變得比標準擊實的大.兩種成型方法下最佳含水量的關系回歸為

式中:wZ為振動成型最佳含水量，%;wJ為擊實成型最佳含水量，%.

圖3 擊實成型與振動成型下含水量的關系

2.2 兩種成型方法最大干密度

圖4為兩種成型方法下的最大干密度關系，可以看出，兩種成型方法下最大干密度具有明顯的線性關系，振動成型的最大干密度明顯大于擊實成型，平均提高0.04 g/cm3，增加的幅度為1.8%左右，這說明對于水泥穩定碎石這種多集料類型的筑路材料，采用振動方法確定材料的壓實標準具有明顯的優勢，可以發揮材料的潛在力學特征［5］.對于不同級配類型，密度的增加也不同，當為骨架－空隙型時，兩種成型方法的干密度差別不大，隨著級配類型變化到骨架－密實和懸浮－密實，二者的差距則逐漸擴大，其原因在于，對于密實級配振動使細顆粒填充骨架形成孔隙，大顆粒移動就位，形成定向排列，試料的整體振動使其更加密實，而擊實則不具促使各顆粒排列的定向功能，所以，振動干密度要高一些［6］;而對于孔隙型級配來說，重型擊實工藝下強烈的局部沖擊力使試料的壓碎率增大，細料變多，孔隙率減小，故其干密度與振動壓實的相近.因此可知，振動方法不但能對合理的級配充分壓實，還體現了不同級配結構的差別，而擊實法由于成型的特點使3種級配的物理特性趨于平均化，無法區分級配特征［7］;成型方法的好與壞，不能以干密度的大小來衡量，應以成型后的物理、力學指標能充分反應級配的特點為標準.兩種成型方法下最大干密度的關系回歸為

式中:ρZ，max為振動成型最大干密度，g/cm3;ρJ，max為擊實成型最大干密度，g/cm3.

2.3 兩種成型方法抗壓強度

采用基于壓實度相同和物理指標相同的原則進行7d無側限抗強度對比研究，并建立二者的關系.

2.3.1 基于壓實度相同原則下抗壓強度關系

采用兩種成型方法，以各自壓實標準下的3種壓實度進行抗壓強度試驗，試驗結果如圖5所示.圖5(a)為水泥劑量與強度的關系，由圖可見，振動成型下3%和4%水泥劑量下的強度分別相當于靜壓成型6%和7%水泥劑量下的強度，平均振動成型強度比靜壓成型提高80%.如果僅從抗壓強度考慮，振動成型比靜壓成型節約水泥質量2%～3%.從強度平均值隨壓實度的變化來看，見圖5(b)，振動成型96%壓實度的強度比靜壓成型100%壓實度的強度還要高，如果僅從抗壓強度考慮，在水泥劑量相同條件下，振動成型的壓實度比靜壓成型降低4%～6%.

圖4 擊實成型與振動成型下干密度和壓實度的關系

圖5 兩種成型方法下7 d無側限抗壓強度隨水泥劑量和壓實度變化

以上兩種成型方法強度的變化規律是以相同的壓實度為基礎，在相同水泥劑量下振動成型試樣強度的增加包含了標準密度的影響，其強度高屬正常現象，此種比較方式雖與實際生產模式相符，但卻不足以說明振動成型的優越性.

2.3.2 基于物理指標相同原則下抗壓強度的關系

為消除標準密度和含水量差異對抗壓強度的影響，以下試驗結果是在物理指標相同的情況下進行的.圖6(a)為強度與水泥劑量(質量分數)的關系，可以看出，振動成型下3%和4%水泥劑量下的強度分別相當于靜壓成型5%和7%水泥劑量下的強度，對于靜壓成型任意水泥劑量下的強度，振動成型降低2%的水泥劑量仍比其高，如果僅從抗壓強度的角度考慮，在保持物理指標都相同的前提下，振動成型可較靜壓成型節約水泥2%左右.

強度隨壓實系數的變化見圖6(b)，振動成型96%壓實度的強度比靜壓成型100%的強度還要高，僅從抗壓強度考慮，在水泥劑量相同條件下，由于骨架對強度的提升作用，振動成型的壓實度可比靜壓成型降低4%.

以上兩種成型方法強度的變化規律，完全是在各種指標相同情況下取得的，不同的只是成型方法，由于消除了干密度和含水量的影響，振動成型抗壓強度相對靜壓成型提高了60%，其來源在于骨架的嵌擠作用，說明振動成型對于粒料類基層材料，其優越性不在于提高密度，而在于其對于級配結構性作用的提高，使材料的級配效應得到充分發揮.

圖6 兩種成型方法下7 d無側限抗壓強度隨水泥劑量和壓實系數變化

3 抗壓強度數據綜合回歸分析

按級配類型、壓實度分析成型方法對抗壓強度的影響規律，并建立兩種成型方法抗壓強度關系.

3.1 按級配類型回歸分析

將水泥穩定碎石的7d無側限抗壓強度按級配類型的統計關系進行回歸，關系列于表1.其中RZ為振動成型的強度，MPa.RJ為靜壓成型的強度，MPa;R為相關系數.

表1 兩種成型方法下按級配類型回歸抗壓強度的關系

圖7為各級配類型回歸曲線斜率和截距的對比，斜率反映強度增加的幅度，表征級配類型對工藝的適應性，可以看出，空隙型級配的斜率最大，懸浮密實型的最小，說明振動成型下骨架空隙型級配的強度增長最大，骨架密實型次之，而懸浮密實型最小，即骨架空隙型級配和骨架密實型級配對振動成型工藝的適應性最好;而截距則表征了該級配的在強度方面的優劣，可以看出，骨架密實截距最大，而骨空的最小，密實型級配在強度方面具有絕對優勢，而骨架空隙型具有劣勢;說明振動成型方法能充分體現不同級配類型強度特點，使試驗結果精細化.

圖7 兩種成型方法按級配類型回歸統計參數

3.2 按壓實度回歸分析

壓實度對材料強度的變化有巨大的影響，不同壓實度下兩種成型方法的強度增長幅度也會有所區別，按壓實度統計關系曲線列于下表2.

表2 兩種成型方法按壓實度回歸抗壓強度的關系

圖8為不同壓實度下回歸曲線斜率和截距的對比，當壓實度為98%時，回歸曲線的斜率最大，說明在壓實度為98%振動成型對強度的提高作用最為明顯，其原因在于，在壓實度為98%情況下，對于粒料類基層，在振動的作用下，顆粒之間形成緊密接觸，保證壓密而沒有壓碎，因而其強度的增加幅度最大，當壓實度為96%時，壓實的程度不足，不能形成緊密的嵌擠骨架，而當壓實度為100%時，部分顆粒被壓碎，顆粒間形成新鮮的斷裂面，由于缺少水泥漿的粘結作用，雖然壓實度的提高使基礎強度增大，但強度的增長率卻在下降;從截距與壓實度的關系可以看出，隨著壓實度的提高，回歸曲線的截距在增加，說明壓實度的提高，對于提高水泥穩定碎石的基礎強度具有一定的作用，但從其增長幅度來看，斜率的變化影響幅度巨大，即成型方法的影響遠大于壓實度提高的影響.

圖8 兩種成型方法按壓實度回歸統計參數

3.3 數據綜合分析

圖9為兩種試驗方案下強度的總體回歸，振動成型水泥穩定碎石的總體平均強度為4.16 MPa，靜壓成型為 2.50 MPa，強度提高1.7 MPa，提高幅度為70%，總體的回歸方程為

式中:RZ為振動成型7 d無側限抗壓強度，MPa;RJ為靜壓成型7d無側限抗壓強度，MPa.

圖9 靜壓成型與振動成型抗壓強度的關系

在水泥劑量對強度的影響中，基于壓實度相當原則下，振動成型可比靜壓成型節約水泥質量2% ～3%;基于物理指標相同的原則下，振動成型可比靜壓成型節約水泥質量2%.在我國道路投資中，材料的造價占工程造價的比例也很大.試驗結果表明，若以振動成型強度試件進行水泥穩定碎石的材料設計，可節約水泥質量2% ～3%，這會帶來很大的經濟效益.

4 結論

1)兩成型方法的物理指標有線性關系，振動成型最佳含水量與擊實成型最佳含水量的關系隨著材料可壓實性而變化，振動成型下的最大干密度大于擊實成型，增加的幅度在1.8%左右.

2)兩種成型方法下無側限抗壓強度具良好的線性關系，振動成型7 d無側限抗壓強度比靜壓成型平均提高70%左右.基于強度等效原則，振動成型比靜壓成型節約水泥質量2%.在水泥劑量相同的條件下，振動成型的壓實度可比靜壓成型降低4%左右.

3)級配類型回歸的強度關系說明，密實型級配在強度方面具有絕對優勢，而骨架空隙型具有劣勢，說明振動成型方法能充分體現不同級配類型強度特點，使試驗結果精細化.

4)在壓實度為98%振動成型對水泥穩定級配碎石強度的提高作用最為明顯，說明振動成型標準下98%的壓實度具有合理性，壓實度為96%時，壓實的程度不足，當壓實度為100%時，則部分顆粒被壓碎.

［1］李美江.對壓實度標準和室內成型試件方法的幾點看法［J］.公路，2001(12):18－23.

［2］JTG D50—2006.公路瀝青路面設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］JTG E51—2009.公路工程無機結合料穩定材料試驗規程［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［4］王龍，解曉光.級配碎石材料標準振動成型方法的研究［J］.公路交通科技，2005，22(7):26 －30.

［5］胡立群.半剛性基層材料結構類型與組成設計研究［D］.西安:長安大學，2004.

［6］馬骉，莫石秀，王秉剛.級配碎石抗剪性能研究［J］.公路交通科技，2005，22(12):39 －43.

［7］ WANG Long，XIE Xiaoguang.Influences of laboratory compaction methods on shear performance of graded crushed stone［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，ASCE，2011，23(10):1483 -1487.