不同成型方法對水泥穩定碎石的適用性研究

廖亞雄，王德富，袁盛杰

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

水泥穩定碎石因具有良好的穩定性與較高的承載能力，在我國當前多數的公路工程、市政道路中，基層的建設多數采用此類無機結合料穩材料作為基層[1]。隨著壓實機械的更新換代，水泥穩定碎石在設計方面與施工存在一定的“脫節”，即室內成型方法與工程實踐中道路結構的級配、受力狀態等存在差異[2]。我國早期高速公路多采用重型擊實法，而重型機械推廣后，道路研究者對重型擊實法與靜壓法的適用性產生了質疑，增加擊實次數或增大靜壓力能否繼續適用成為研究者關心的問題之一[3]。自長安大學研制出振動壓實成型儀器，并提出振動壓實法后，發現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計中有著良好的適用性[5]，而對于水泥穩定碎石基層的研究目前較少。鑒于此，根據武穴長江公路大橋接線工程水泥穩定碎石基層的試驗數據，通過室內試驗評價靜壓法、重型擊實法、振動壓實法與GTM法的適用性。

1 水泥穩定碎石成型方法

為了能評價成型方法的適用性，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、重型擊實法、振動壓實法與GTM法成型試件。

1.1 靜壓法

靜壓法是指室內通過壓力機對試模內的混合料施加荷載進行壓實，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踐中未開啟振動的鋼輪壓路機一致。

1.2 重型擊實法

采用現行《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)和《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)中規定的水泥穩定碎石材料成型試驗中的重型擊實法。

1.3 振動壓實法

采用《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)中規定的試件振動成型方法。

1.4 旋轉壓實法

GTM(美國工程兵旋轉壓實儀)法是通過模擬行車荷載作用來成型試件。試驗中，旋轉壓實儀通過旋轉底座帶動試模旋轉，并對混合料施以垂直壓力，從而使得混合料在搓揉后逐漸達到平衡狀態。GTM法基于實際路面狀況進行設計，與實際路面結構相關度較高，在瀝青混合料的配合比設計中廣泛應用。本文選取垂直壓力為0.8 MPa，旋轉基準角為3°

2 原材料

2.1 水泥

水泥采用襄陽生產的42.5級普通硅酸鹽水泥，技術指標見表1。

表1 水泥技術指標

2.2 集料

所用集料取自于采用信陽生產的碎石，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。其各項技術指標見表2。

表2 集料技術指標

2.3 礦料級配

為了便于后續評價成型方法的適用性，室內試驗集料級配與水泥劑量同已建成道路的水泥穩定碎石基層，礦料合成級配見表3。

表3 礦料合成級配

3 成型方法的適用性評價

3.1 級配

水泥穩定碎石基層攤鋪的厚度較大，碾壓成型時需要更大的壓實功，粗集料在豎向壓力作用下會發生破碎，從而與初始級配產生差別、影響路用性能。因此，為了驗證成型方法對級配的影響，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，然后將礦料倒出進行篩分，試驗結果見表4。

表4 不同成型方法下礦料篩分結果

由表3可知，振動壓實法與GTM法下礦料級配的變化較小，而靜壓法與重型擊實法粗骨料的破碎較后兩種方法更為嚴重。這是因為靜壓法與重型擊實法下，礦料僅受豎直方向的作用力，不能重新排列為密實的骨架結構。而振動壓實法與GTM法可以使得礦料在成型過程中相互嵌擠成更密實的骨架結構，因此破碎較少。振動壓實法可使礦料間的摩阻力由靜摩擦轉變為動摩擦，而一旦摩阻力減小，就減小了礦料的破碎，從而促進重新排列。相比于振動壓實法，GTM法模擬的荷載與實際更為接近，在有限的試件尺寸范圍內更易于達到平衡狀態。因此GTM法下級配變化較小，對成型后的路用性能影響較小。

3.2 路用性能

有研究表明，水泥穩定碎石基層的強度越大，對于溫度的敏感性就越小，并且干縮能力隨之降低[6]。此作為路面結構的承重層，在設計和施工過程中以抗壓強度為主要控制指標。然而7 d無側限抗壓強度并不能真實反映水泥穩定碎石基層開裂破壞的機理，劈裂強度指標是與實際水泥穩定基層破壞最契合的指標[7]，通常采用劈裂強度作為力學強度評價的依據之一[8]。鑒于此，對于路用性能的評價采用7 d無側限抗壓強度與7 d劈裂強度進行力學強度的評價，水泥劑量與實際道路一致取4.5%，相關性評價采用當時水泥穩定碎石基層的主控項目7d無側限抗壓強度(13.22 MPa)作為對比，物理指標與試驗結果見表5。

表5 試驗結果統計

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

試驗中驗證了成型方式對最大干密度的影響，振動壓實法確定的最大干密度約為重型擊實法的1.03倍，最佳含水率約為1.08倍。對于后兩種方法，GTM法比振動法抗壓強度和劈裂強度分別提高22%、24%，主要原因在于GTM法的垂直壓力基于大量實踐綜合獲取，而振動壓實法室內試驗與現場振動壓路機工作還存在較大差異，且受到試件尺寸的影響，難以反映實際成型效果。從相關度檢驗可見，GTM法高達94%，其余方法均不超過80%，說明GTM法更適用于水泥穩定碎石基層。

4 結 語

(1)不摻水泥的情況下，評價了四種成型方法對級配的影響。發現振動壓實法與GTM法下礦料級配的變化較小，靜壓法與重型擊實法粗骨料的破碎較為嚴重。振動壓實法使礦料間的摩阻力減小，GTM法在有限的試件尺寸范圍內更易于達到平衡狀態。因此后兩種方法能在成型過程中形成更密實的骨架結構，且破碎較少。

(2)通過最佳含水率、最大干密度、7 d無側限抗壓強度與7 d劈裂強度評價了四種成型方法對性能的影響。振動壓實法與GTM法分別通過振動和搓揉的方式使得礦料能重新排列，因此振動壓實法與GTM法抗壓強度與劈裂強度更大。GTM法比振動壓實法抗壓強度和劈裂強度分別提高22%、24%，相關度高達94%，驗證了GTM法的適用性。