水泥稳定碎石垂直振动压实特性及路用性能研究

任 刚， 韩战涛， 李佳佳， 胡光胜， 李硕磊

（1.中国建筑第七工程局有限公司，郑州 450000； 2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450052）

在公路工程施工中，水泥稳定碎石由于具有较高的强度、良好的整体性、突出的承载能力和水稳定性等优点，不仅能够满足作为路面结构承重层的基本要求，还能够尽可能地利用当地材料，具有明显的技术、经济优势，使水泥稳定碎石成为公路基层、底基层施工中应用最广泛的铺筑材料［1］. 但是，受水泥特性的影响，当水泥掺量较大时，水泥稳定碎石结构层易产生干缩和温缩［2-3］，在交通荷载和温度荷载作用下，进一步引起沥青路面的反射性裂缝［4］，成为水稳碎石结构层应用必须面对的困境.

近年来，众多学者试图在不影响水泥稳定碎石基层质量的前提下，通过优化水泥稳定混合料配合比、强化施工工艺控制等方法，降低水泥用量，从而实现缓解甚至消除沥青路面反射裂缝的目的. 振动成型方法就是一种行之有效的方法［5-7］，受到大家的关注. 杨洪生等通过对振动拌合与传统强制式拌和的水泥稳定碎石的击实特性、强度指标、施工和易性进行对比分析，结果表明：振动压实的水泥稳定碎石的压实特性、抗压强度和劈裂强度均比传统搅拌的强度高［8］. 王富玉等［9］通过对采用垂直振动和静压两种方法成型的3种不同水泥掺量（3.0%、3.5%、4.0%）的水泥稳定碎石，经过不同养生龄期（3、7、14、28、60、90、120、180 d）后进行无侧限抗压强度试验，研究了试件成型方法、水泥掺量、级配种类、养生时间等因素对水泥稳定碎石强度的影响规律，突出了振动成型水泥稳定碎石的强度优势. 刘振华等［10］通过振动和击实两种成型方法对骨架悬浮、骨架空隙和骨架密实三种结构水泥稳定碎石在不同水泥掺量和压实度条件下开展击实试验和抗压强度试验，分别建立了两种击实方法下，水泥稳定碎石的击实试验结果及无侧限抗压强度间的线性回归关系，结果显示振动成型有利于提高水泥稳定碎石的强度性能指标.

目前，关于水泥稳定碎石的振动压实方面已有较多的研究成果［11-13］，但在实际工程中得到应用的并不多，其主要原因在于：现阶段，水泥稳定碎石工程施工常用的质量控制和室内试验方法是重型击实和静压成型，但目前振动压实标准和重型击实标准、振动成型方法与静压试件成型方法尚未建立准确关系，无法有效指导施工［14］. 本文通过对不同试验方法（振动压实、振动成型和重型击实、静压成型）、不同级配类型（骨架密实、悬浮密实和骨架空隙）、不同水泥掺量（3.0%、3.5%、4.0%、4.5%）的水泥稳定碎石开展击实试验和力学指标试验，对比分析不同条件下振动成型和静压成型的击实试验结果及抗压强度、劈裂强度等指标变化，以便建立振动压实标准和重型击实标准、振动成型试件力学性能和静压成型试件力学性能间的联系，为振动压实技术在水泥稳定碎石结构层的应用提供支持.

1 原材料及实验仪器

1.1 水泥

所用水泥为同力牌P.O 42.5 级缓凝水泥，相关指标检测结果如表1.

表1 水泥相关技术指标Tab.1 Technical indicators of cement

1.2 集料

所用集料产地为河南禹州，按粒径大小共分0～＜4.75、4.75～＜9.5、9.5～＜19、19～＜31.5 mm 四种规格，主要技术指标检测结果如表2，所用粗、细集料的技术指标满足有关要求.

表2 集料相关技术指标Tab.2 Technical indicators of aggregates

1.3 振动压实仪器参数

结合河南省地方标准［15］要求，所用振动击实试验设备的工作频率为30 Hz，振幅为（1.3±0.05）mm，上车系统重（1.2±0.01）kN，下车系统重（1.8±0.01）kN.

2 实验结果及分析

2.1 击实试验

对于水泥稳定碎石的骨架空隙结构（GK型）、骨架密实结构（GM型）和悬浮密实结构（XM型）三种结构类型［16］，选取3.0%、3.5%、4.0%、4.5%四个水泥掺量（外掺），分别采用《公路水泥稳定碎石抗裂设计和施工技术规范》（DB41/T 864—2013）附录B和《和公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）T0804规定的方法进行振动击实试验和重型击实试验，得到不同条件下水泥稳定碎石的最大干密度（ρdmax）和最佳含水率（ωopt），如表3.

表3 两种击实方法下的试验结果Tab.3 Test results of the two compaction methods

从表3试验结果可以看出：对于三种级配类型的水泥稳定碎石，从ωopt上看，GM型结构的水泥稳定碎石振动击实结果小于重型击实，另外两种结构的水泥稳定碎石振动击实结果均大于重型击实；从ρdmax来看，与重型击实结果相比，采用振动击实的GM型级配提高了约1.3%～1.9%，XM型级配提高2.3%左右，骨架空隙型级配提高0.5%～1.0%；对不同的级配类型，GM型结构的ωopt居中，ρdmax最大.

2.2 不同条件下7 d无侧限抗压强度关系

按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）T0843和《公路水泥稳定碎石抗裂设计和施工技术规范》（DB41/T 864—2013）附录C 的规定，分别采用静压成型法和振动成型法制作不同水泥掺量（3.0%、3.5%、4.0%、4.5%）、不同压实度（96%、97%、98%）下三种级配类型的无侧限抗压强度圆柱体（φ15 cm×15 cm）试件，按JTG E51—2009中T0845的规定养生后，进行强度测试，结果见表4.

从表4可以看出：①对于三种类型的水泥稳定碎石，水泥掺量为3.0%的垂直振动成型的试件抗压强度与水泥掺量4.5%的静压成型试件接近或更高，说明在抗压强度要求相同时，水泥稳定碎石采用振动成型时的水泥掺量可比静压成型至少降低约1.5%；②相同压实度和水泥掺量下，振动压实时三种类型水泥稳定碎石试件的抗压强度关系为GM型＞GK型＞XM型，静压成型时GM型水泥稳定碎石抗压强度最高，XM型和GK型结构相差不大，说明GM型结构具有突出的抗压性能；③相同级配和水泥掺量下，压实度为96%时的三种级配振动压实抗压强度均高于静压成型，说明96%压实度下的水泥稳定碎石振动压实所能达到的抗压强度可满足98%压实度的静压成型抗压强度要求；④相同条件下，振动成型的抗压强度较静压成型均有明显提高，且随着压实度的降低，提高幅度逐渐增大，说明振动成型能够使水泥稳定碎石的结构更加密实.

表4 不同条件下水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度试验结果Tab.4 Test results of 7-day unconfined compressive strengths of cement stabilized macadam under different conditions

2.3 不同条件下劈裂强度关系

按照表3的击实试验结果，分别采用振动压实和静压成型制作水泥掺量3.0%、3.5%、4.0%、4.5%，压实度96%、97%、98%的劈裂强度试件，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）规定的方法经标准养生后，进行无压条法劈裂强度试验，结果见表5.

表5 不同条件下水泥稳定碎石劈裂强度试验结果Tab.5 Test results of splitting strengths of cement stabilized macadam under different conditions

从表5可以看出：①同一压实度下，三种级配试件的劈裂强度随水泥掺量的增加而提高，振动成型试件的劈裂强度提高幅度比静压成型更大，说明振动成型对水泥稳定碎石劈裂强度的改善更显著；②压实度和水泥掺量相同时，振动压实和静压成型的三种类型水泥稳定碎石试件抗压强度均表现为GM型＞XM型＞GK型，说明GM型结构水泥稳定碎石具有较强的抗劈裂性能；③级配类型和压实度相同时，振动压实3.0%水泥掺量的劈裂强度接近甚至大于静压成型4.0%水泥掺量的劈裂强度，振动压实3.5%水泥掺量的劈裂强度接近甚至大于静压成型4.5%水泥掺量的劈裂强度，说明仅从劈裂强度来看，振动成型的水泥掺量可比静压成型降低1%以上；④级配类型和水泥掺量相同时，振动成型96%压实度的劈裂强度明显高于静压成型98%压实度的强度，说明振动成型的压实度控制标准比静压成型降低2%，劈裂强度仍能满足要求.

2.4 不同条件下抗压回弹模量关系

抗压回弹模量表征的是基层承受车辆荷载的能力，抗压回弹模量越大，结构层的承载能力越强［17-20］. 为此，以压实度98%的水泥稳定碎石为例，通过采用振动成型和静压成型两种方法成型GM型、XM型和GK型三种级配类型、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%四个水泥掺量的水泥稳定碎石试件，按照标准方法养生后，测试各试件的回弹模量，试验时荷载分7个等级逐级加载至最大压应力（0.7 MPa），结果见表6.

表6 两种成型方法下抗压回弹模量试验结果Tab.6 Test results of compressive resilience modulus under two molding methods

从表6可以看出：①相同压实度和水泥掺量下，采用振动压实和静压成型的三种类型水泥稳定碎石试件抗压回弹模量的大小关系均表现为GM 型＞GK 型＞XM 型，说明GM 型结构水泥稳定碎石结构层的承载能力最强［21］；②同等级配类型和压实度条件下，振动压实3.0%水泥掺量与静压成型4.0%水泥掺量、振动压实3.5%水泥掺量与静压成型4.5%水泥掺量的抗压回弹模量接近，说明从抗压回弹模量来看，相同条件下水泥稳定碎石振动成型可比静压成型降低水泥掺量约1%；③相同级配类型和水泥掺量时，96%压实度下振动成型的抗压回弹模量高于98%压实度下静压成型的抗压回弹模量，而且随着水泥掺量的提高，抗压回弹模量的提高幅度增大，说明工程应用中振动成型的压实度控制标准可比静压成型降低约2%.

3 结论

1）对于骨架密实（GM型）、悬浮密实（XM型）和骨架空隙（GK型）三种类型水泥稳定碎石，相同水泥掺量下，振动击实的最大干密度（ρdmax）均较重型击实有所提高，但XM型的最佳含水率（ωopt）大于重型击实，而GM型和GK型小于重型击实，且振动成型时，GM型结构的ρdmax最大而ωopt居中，间接说明振动成型对GM型结构水泥稳定碎石的击实效果具有较大影响.

2）三种结构类型水泥稳定碎石的路用性能试验结果表明：相同条件下，振动成型的水泥稳定碎石各项指标均优于静压成型，而水泥掺量可比静压成型降低1%～1.5%，而且振动成型下，GM型结构的性能指标明显优于其他两种结构，说明GM型结构是水泥稳定碎石振动成型的最佳结构.

3）水泥掺量相同时，水泥稳定碎石96%压实度下振动成型的力学性能指标与98%压实度下静压成型相当或偏高，说明若水泥稳定碎石的各项力学性能指标要求相同，振动成型的压实度控制可较静压成型降低2%.