靜壓穩定碎石配合比試驗研究

趙峰 耿正君 程寅 徐曉山 婁曉釗 沈君 桂啟濤

（1漯河市公路管理局，河南 漯河 462000；2交通運輸部科學研究院，北京 100029；3漯河信運監理咨詢有限公司，河南 漯河 462000；4漯河市公路工程建設總公司，河南 漯河 462300）

1 引言

振動壓實是水泥穩定碎石施工中應用最廣泛的壓實方法，但是由于施工條件的約束，在居民區、商鋪或老舊建筑周圍等特殊路段振動壓實受到極大限制。針對這一現象，提出了一種不需要振動壓實，亦能滿足性能要求的水泥穩定碎石技術，即靜壓穩定碎石技術[1]。

不同于道路基層目前所普遍采用的水泥穩定碎石（砂礫）、石灰粉煤灰碎石（砂礫）等半剛性基層存在的石料短缺、成本高、施工影響大及生態破壞大等缺陷，靜壓穩定碎石技術作為一種可充分利用當地土體資源、經濟高效且環保的道路基層修筑技術，可有效解決前述半剛性基層所遇到的建設難題[2]。

現有研究對穩定碎石級配設計理論研究較多[3]，而對穩定碎石的固化劑材料選用、穩定工藝研究相對少。文獻[4-6]報道了近村鎮道路基層施工多需要機械振動壓實，對道路兩旁建筑民宅結構影響極大，民眾實際訴求與現有施工工藝矛盾突出。因此，充分尋求經濟適用高效、對周圍環境影響小的道路基層穩定材料及施工工藝是公路工程中迫切的需要。

本文利用廢渣材料脫硫石膏作為膨脹劑，對靜壓穩定碎石進行試驗研究，提出可行的靜壓穩定碎石配合比，為有效解決現有道路基層環境影響難題提出可行方案。

2 原材料

2.1 水泥及膨脹劑

本次試驗選用標號為42.5的普通硅酸鹽水泥，膨脹劑選用脫硫石膏，水泥主要技術指標見表1，水泥與脫硫石膏主要化學成分見表2。

表1 水泥參數

表2 主要化學成分

2.2 粗集料

本次試驗選用由北京懷柔石料場生產的粗集料，材料規格為15～25mm、10～15mm、5～10mm、0～5mm，其各項技術指標檢測結果見表3。

表3 粗集料技術指標檢測結果

2.3 纖維

按照《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T 3354-1999），對三種不同纖維各項指標試驗結果記錄如下表4。

表4 三種不同纖維力學參數

由表4可知，玄武巖纖維抗拉強度及彈性模量較聚丙烯纖維和玻璃纖維高，故本試驗選取玄武巖纖維增強試樣的抗拉強度。碎石性能的效果。

2.4 級配選擇

試驗級配采用懸浮密實型級配，見表5。

表5 懸浮密實型級配

3 靜壓成型參數確定

3.1 含水率與干密度之間的規律分析

為研究水泥穩定碎石試樣在靜壓和擊實兩種不同情況下的含水率與干密度之間的關系，分別選取水泥摻量為4%、5%的兩種試樣進行室內擊實與靜壓試驗，得到其含水率與干密度之間的關系曲線如圖1所示。

圖1 不同水泥摻量試樣含水率與干密度關系曲線

由圖1可知，在室內靜壓與擊實試驗下，水泥摻量為4%、5%試樣的含水率與干密度呈顯著的二次函數關系。計算最優含水率與最大干密度值見表6。

表6 最優含水率與最大干密度

由表6可知，在水泥摻量為4%、5%時，通過室內靜壓與擊實兩種試驗方法得出的最佳含水率和最大干密度值均近似相同。

3.2 干密度與最大壓力值之間的規律分析

靜力壓實過程中，影響壓實效果的液壓壓力機參數主要包括最大壓力值、加載速率。其中，最大壓力值與靜力壓路機的線壓力相關聯，加載速率與靜力壓路機的碾壓速度相關聯。試驗選擇400kN、500kN、600kN、700kN、800kN、900kN、1000kN七組最大壓力值；考慮實際碾壓速度，試驗選擇1.0kN/s、2.0kN/s、3.0kN/s三組加載速率；考慮實際碾壓時長，每次加載達到最大值時，穩定在最大值2min后卸載。選取水泥摻量4%試樣，根據相關試驗，得到含水率為5.5%的干密度與最大壓力值之間的關系曲線，如圖2所示。

圖2 干密度與最大壓力值關系曲線

由圖2可知，在三組不同加載速率下，試樣的干密度值均隨著最大壓力值的增加而不斷增加。在最大壓力值處于400～800KN時，試樣干密度值增長較快，當最大壓力值超過800 KN后干密度增加幅度較小，且近似趨于平緩穩定。在同組最大壓力值條件下，加載速率越大，試樣的干密度越大；在加載速率為2KN/s和3KN/s時，試樣的干密度值較為接近，說明干密度隨加載速率的增加而增大，且隨著加載速率的增加，干密度增幅減小。

3.3 壓碎率與最大壓力值之間的規律分析

壓碎率用測量壓實前后通過某篩孔的通過率的差值來表示。試驗中選取xxmm篩孔的壓碎率來進行分析。最大壓力值、加載速率及試樣同上。測得在xxmm篩孔集料壓碎率與最大壓力值之間的關系，繪制曲線如圖3所示。

圖3 壓碎率與最大壓力值關系曲線

由圖3可知，不同加載速率下，試樣的壓碎率隨著最大壓力值的增加而不斷增大，當最大壓力值超過800kN后，壓碎率增長緩慢，曲線趨于平緩，主要原因是隨著最大壓力值的增加，集料間空隙減小，密實度增加，集料的承載能力加強，集料更難被壓碎。同時，同組最大壓力值條件下，試樣的壓碎率隨著加載速率的增大而增大。

綜上所述：室內靜力壓實模擬現場碾壓，當最大壓力值達到800kN后，干密度曲線趨于平緩，密實度基本不再增加，當最大壓力值超過800kN后，破碎率曲線趨于平緩，故選取最大壓力值為800KN；加載速率為3kN/s時的干密度較大，且試驗效率更高，故加載速率選取3KN/s；維持最大壓力時間2 min[7-9]。

4 免振水泥穩定碎石配合比試驗

本試驗免振水泥穩定碎石采用：水泥摻量為4%，玄武巖纖維摻量為：0%、0.05%、0.1%、0.15%，膨脹劑的摻量選用0.16%、0.24%、0.32%、0.4%、0.48%、0.56%，開展室內配合比強度試驗研究。

為研究試樣在不同膨脹劑摻量下7天無側限抗壓強度的變化規律，故選用水泥摻量為4%的試樣，設計膨脹劑摻量變量為0.16%、0.24%、0.32%、0.4%、0.48%、0.56%六種，進行室內無側限抗壓強度試驗，并關系曲線如圖4所示。

圖4 膨脹劑摻量與無側限抗壓強度關系曲線

由圖4可知，試樣無側限抗壓強度隨膨脹劑摻量的增加而增加。當膨脹劑摻量為小于0.4%時，強度增長較大，此后增加膨脹劑摻量，曲線趨于平緩。當膨脹劑摻量為0.4%時，7d和28d無側限抗壓強度分別為7.3MPa和8.9MPa，滿足規范強度要求，繼續增加摻量強度增加有限，且提高施工成本，因此選取膨脹劑最佳摻量為0.4%。

為研究試樣在不同玄武巖纖維摻量下無側限抗壓強度的變化規律，故選用水泥摻量為4%、膨脹劑摻量為10%的試樣，設計18mm長的玄武巖纖維摻量變量為0%、0.05%、0.1%、0.15%，進行室內無側限抗壓強度試驗，并繪制其關系曲線如圖5所示。

圖5 玄武巖纖維摻量與無側限抗壓強度關系曲線

由圖5可知，試樣無側限抗壓強度隨玄武巖纖維摻量的增加而增大。纖維的加入在水泥穩定碎石內部構成一種均勻的亂向支撐體系，從而產生有效的二級加強效果，提高了結合料的力學強度。選取纖維摻量10%作為試驗配合比使用較為合適。免振靜壓穩定碎石在0.4%膨脹劑摻量、0.1%玄武巖纖維摻量下7d和28d無側限抗壓強度分別為9.4MPa，10.3MPa，滿足基層設計強度要求，實際應用具有可行性。

5 結語

1）應用靜壓成型法，室內靜力壓實模擬現場碾壓，當最大壓力值達到800kN后，干密度曲線趨于平緩，密實度基本不再增加，當最大壓力值超過800kN后，破碎率曲線趨于平緩，故選取最大壓力值為800KN；加載速率為3kN/s時的干密度較大，且試驗效率更高，故加載速率選取3KN/s；維持最大壓力時間2min。

2）研究了膨脹劑摻量、纖維摻量對無側限抗壓強度的影響，確定膨脹劑摻量為0.4%、纖維摻量0.1%，可作為免振穩定碎石配合比使用。摻入膨脹劑、纖維的免振水泥穩定碎石具有更高的強度、較高的承載力，具有一定適用性。