振动击实成型水泥稳定破碎砾石力学特性研究

朱建华，彭 辉

(驻马店市公路工程开发有限公司，河南 驻马店 463000)

0 引 言

近年来由于建筑业的兴起，优质石料的来源日益紧缺，如果使用砾石作为原材料，可以就地取材，减少石料运输成本。但砾石光滑且无棱角，与水泥浆粘结性较差，导致砾石基层稳定性较差。破碎砾石是根据级配规格破碎加工而成，表面粗糙、破裂面不规则，可有效提升与水泥浆的粘结性。

洪亮等研究了不同级配及水泥剂量下水泥稳定砾石振动法与重型击实法之间的关系，发现重型击实法(HCM)对砾石级配破坏大于振动法，在相同水泥剂量下，振动击实方法(VCM)成型的试件7 d无侧限抗压强度更高[1]；黄伟等研究了水泥稳定大粒径砾石在半刚性基层中的运用，指出用大粒径砾石作为较低等级沥青路面的基层可以降低其裂缝的产生[2]；冯顺剑研究了水泥剂量对水泥稳定砾石抗裂性的影响，发现增加水泥剂量可以能够提高水泥稳定砾石的无侧限抗压强度，劈裂强度和抗折强度，但易引起开裂[3]；周新锋研究了水泥稳定碎石混合料集料级配设计方法，发现骨架密实型级配水泥稳定碎石路用性能优于悬浮密实结构[4]；蒋应军研究了成型方式及级配类型对水泥稳定碎石的强度特性影响，结果表明VCM成型试件强度与现场芯样更吻合，骨架密实型水泥稳定碎石具有较好的力学性能和抗裂性[5-6]；李明杰通过室内试验研究了水泥稳定碎石的强度因素及规律，结果发现VCM试验结果更具有代表性，水泥剂量对初期强度影响不明显，成型方法对强度影响较大[7]；李德文研究了水泥稳定碎石强度控制指标及标准，提出以劈裂强度作为水泥稳定碎石强度控制指标，对提高水泥稳定碎石基层的耐久性具有重要的现实意义[8]。

上述研究成果无疑对本项目研究具有重要的借鉴意义，但是目前针对水泥稳定破碎砾石的研究较少，且多数用重型击实法和静压法成型试件，与现场相关性较差，不能准确反映材料实际性能。基于此，研究以S330驻马店市驿城区至焦桐高速段改建项目为依托工程，比较了不同成型方法下试件力学强度与现场芯样的相关性，评价了VCM可靠性；研究了级配、水泥剂量、龄期及压实度对水泥稳定破碎砾石力学强度的影响规律，可为基层设计和施工提供参考。

1 原材料及矿料级配

1.1 原材料

水泥使用河南省驻马店市确山同力产P.O42.5水泥，技术指标略。

集料使用河南省泌阳县生产的破碎砾石，包括19～37.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、石屑4种粒径级，技术指标略。

1.2 矿料级配

矿料级配采用骨架密实型和悬浮密实型水泥稳定碎石集料级配范围中值，具体参数见表1。

表1 矿料级配

2 垂直振动试验方法及评价

2.1 垂直振动试验方法

垂直振动压实仪(VVTE)参数配置[9-10]如下：振动频率为30 Hz±2 Hz，激振力为7.6 kN±0.2 kN，名义振幅为1.4 mm±0.2 mm，工作重量为3.0 kN±0.4 kN，上车系统重量为1.2 kN±0.2 kN，下车系统重量为1.8 kN±0.2 kN。

确定水泥稳定破碎砾石最佳含水率与最大干密度振动时间为100 s。成型水泥稳定碎砾石圆柱体试件振动时间为90 s。

2.2 垂直振动法可靠性评价

不同成型方法下试件的力学强度与现场芯样的相关性见表2～3，试验用水泥剂量为4.0%。其中，Rc(Gn)、Rc(Xn)、Rc(x)分别为VCM、静压法及现场取芯试件的抗压强度，Ri(Gn)、Ri(Xn)、Ri(x)分别为VCM、静压法及现场取芯试件劈裂强度。

表2 VVTM、静压法成型试件与现场芯样抗压强度

表3 VVTM、静压法成型试件与现场芯样劈裂强度

由表2、3可知，在不同龄期下，VVTM及静压法试件力学强度与试验段芯样相关性分别约为92%、45%，这证明了VVTM的可靠性。

3 水泥稳定砾石力学特性

3.1 力学强度增长方程

假定水泥稳定砾石存在强度增长方程[11-12]，则方程应满足下列3个边界条件：T=0时，RT=R0；T=∞时，RT=R∞；且R0

根据上述边界条件，并经过分析，建立力学强度增长方程

R=R

(1)

式中：T为养生龄期(d)；R0为养生0 d的强度(MPa)；R∞为极限强度(MPa)；R为养生Td的强度(MPa)；α为回归系数。

3.2 力学强度试验结果及分析

3.2.1 最大干密度与最佳含水率

基于振动压实试验法水泥稳定破碎砾石的最佳含水量和最大干密度见表4。试验测试水泥稳定破碎砾石的无侧限抗压强度及劈裂强度，级配类型见表1。

3.2.2 无侧限抗压强度

水泥稳定破碎砾石抗压强度的试验结果如图1所示。

由图1可知，在养生初期，水泥稳定破碎砾石抗压强度近线性增加，当养生龄期超过14 d，抗压强度增长速率开始降低，90 d后强度基本无变化，可回归为一条水平渐进线，即近乎达到极限抗压强度。

表4 水泥稳定破碎砾石最佳含水量和最大干密度

图1 水泥稳定碎砾石抗压强度增长曲线

通过数学回归方法得到抗压强度增长方程见式(2)，方程参数见表5。该方程可准确地预估不同龄期的水泥稳定破碎砾石无侧限抗压强度。

(2)

式中：Rc为养生Td的强度(MPa)；Rc0为养生0 d的无侧限抗压强度(MPa)；Rc∞为极限抗压强度(MPa)；α为回归系数，取0.09。

表5 水泥稳定破碎砾石无侧限抗压强度增长方程参数

3.2.3 劈裂强度

水泥稳定破碎砾石劈裂强度的试验结果如图2所示。

图2 水泥稳定碎砾石劈裂强度增长曲线

由图2可知，在养生初期，水泥稳定破碎砾石劈裂强度近线性增加，当养生龄期超过14 d，劈裂强度增长速率开始降低，90 d后强度变化较小，可回归为一条水平渐进线，即近乎达到极限劈裂强度。

水泥稳定破碎砾石成型初期(龄期为0 d)水泥尚未完成初凝，基本不具备抵抗间接拉伸破坏的能力，近似认为0 d的劈裂强度为零，由此建立水泥稳定破碎砾石劈裂强度的增长方程如式(3)，方程参数见表6。该方程可准确地预估不同龄期水泥稳定破碎砾石劈裂强度[13]。

(3)

式中：Rs为养生Td后的劈裂强度(MPa)；Rs∞为养生无数d后的劈裂强度，即极限劈裂强度(MPa)；β为回归参数，取0.105。

表6 水泥稳定破碎砾石劈裂强度增长方程参数

3.3 力学强度影响因素

3.3.1 级配类型

不同级配下水泥稳定破碎砾石抗压及劈裂强度见表7～8。

表7 级配类型对水泥稳定破碎砾石抗压强度的影响

由表7、8可知，GM和XM两种级配的无侧限抗压强度比α、劈裂强度比r分别在1.05～1.22及1.03～1.12内，表明采用GM级配可提高力学强度。

表8 两种级配成型试件劈裂强度之比

3.3.2 水泥剂量

不同水泥剂量下水泥稳定破碎砾石的抗压及劈裂强度如图3、4所示。

图3 水泥剂量对水泥稳定碎砾石抗压强度影响

图4 水泥剂量对水泥稳定碎砾石劈裂强度影响

由图3、4可知，水泥稳定破碎砾石的力学性能随着水泥剂量的提高而增大，两者近似呈线性关系。水泥剂量超过4%时，力学强度增长速率降低。表明水泥剂量超过4%后，增加水泥剂量对于水泥稳定破碎砾石力学强度的提升效果已经不明显了。

3.3.3 养生龄期

不同养生龄期下的水泥稳定破碎砾石抗压及劈裂强度见表9、10。水泥稳定破碎砾石的极限抗压强度、劈裂强度根据强度增长方程计算。

表9 不同养生龄期下水泥稳定破碎砾石抗压强度

表10 不同养生龄期下水泥稳定破碎砾石劈裂强度

由表9、10可知，当养生龄期为7、14、28、60 d时，水泥稳定破碎砾石的抗压强度为极限抗压强度的49%、60%、70%、80%左右，劈裂强度为极限劈裂强度的43%、54%、63%、72%左右。说明强度在28 d前形成较快，因此水泥稳定破碎砾石基层或底基层施工碾压成型后，要注意前期的养生条件。

3.3.4 压实度

不同压实度下水泥稳定破碎砾石抗压及劈裂强度见表11、12。

表11 不同压实度下水泥稳定破碎砾石抗压强度

表12 不同压实度水泥稳定破碎砾石劈裂强度

由表11、12可以看出，随压实度增加，水泥稳定破碎砾石抗压强度及劈裂强度逐渐提高。压实度每增加1%，力学性能可提升10%左右。这表明在现场施工时，充分碾压的重要性。

4 结 语

(1)对比了不同设计方法下成型试件的力学强度与现场芯样的相关性。结果表明，VVTM及静压法成型试件的力学强度与试验段现场芯样相关性分别约为92%、45%，证明了水泥稳定破碎砾石VVTM的可靠性。

(2)研究了VVTM法成型的水泥稳定破碎砾石试件力学强度增长规律，提出了抗压强度与劈裂强度预估方程。

(3)研究了级配类型对水泥稳定破碎砾石力学性能影响规律。结果表明，与悬浮密实结构相比，骨架密实型水泥稳定破碎砾石抗压强度、劈裂强度平均可提高15%、10%。

(4)研究了水泥剂量对水泥稳定破碎砾石力学强度影响规律。结果表明，当水泥剂量超过4%之后，水泥剂量对于水泥稳定破碎砾石力学性能的提升逐渐降低。

(5)研究了养生龄期对水泥稳定破碎砾石力学强度影响规律。结果表明，水泥稳定破碎砾石的力学强度主要在前28 d形成。

(6)研究了压实度对水泥稳定破碎砾石力学强度的影响规律，结果表明：水泥稳定破碎砾石力学强度随压实度的增加而增大，压实度每提高1%，力学强度可增加10%左右。