水泥稳定碎石振动成型与重型击实的比较

2009年第3期物流工程与管理第31卷总第177期LOGISTICSENGINEERINGANDMANAGEMENT【收稿日期】2009-03-16【作者简介】杨勇（1978-），男，台州市交通工程公司，助工。蔡凌坚（1979-），男，临海市东部养护工程有限公司，肋工。□杨勇1，蔡凌坚2（1.台州市交通工程公司，浙江台州317000；2.临海市东部养护工程有限公司，浙江台州317000）【摘要】文中对土体密实过程及影响土体密实的因素进行了深入分析，对重型击实法和振动成型法的优缺点进行了论述，指出了采用振动成型法进行水泥稳定碎石混合料配合比设计时需注意的问题。【关键词】道路工程；水泥稳定碎石；重型击实；振动成型；最大干密度【中图分类号】U416.216【文献标识码】B【文章编号】1674-4993（2009）03-0134-02Cementstabilizationcrushedstonevibrationformationandheavycompactioncomparison□YANGYong1,CAILing-jian2(1.theTaizhouTrafficengineeringCompany,Taizhou317000,China;2.theLinhaieastmaintainstheprojectLimitedcompanyNearsea,Taizhou317000,China)【Abstract】Thisarticlehascarriedonthethoroughanalysistothesoilbodydenseprocessandtheinfluencesoilbodydensefactor,hascarriedontheelaborationtotheheavycompactionlawandthevibrationformation'smethodgoodandbadpoints,hadpointedoutthequestionwhichusesthevibrationformationlawtocarryonwhencementstabilizationmixedmacadammixtureratiodesignmustpayattention.【Keywords】Roadengineering;Cementstabilizationcrushedstone;Heavycompaction;Vibrationformation;Mostgoingalloutdensity1概述半刚性基层沥青路面尽管存在一些本身所固有的缺陷，但其作为高等级路面典型结构在我国仍普遍采用。随着人们对无机结合料半刚性材料研究的不断深入，试验手段的不断改进，如今的水泥稳定碎石半刚性基层与过去有本质上的改变。采用振动成型法进行水泥稳定碎石的配合比设计是这一领域的重大转变，主要表现在以下两个方面：首先，相比过去级配进行了优化。受到Superpave级配设计理论的启发，水泥稳定碎石亦采用骨架密实型结构。由于粗集料的骨架嵌挤作用使得水稳碎石混合料强度进一步提高，满足了其作为路面结构主要承重层的需求；另一方面，由于粗集料的相互嵌挤使得混合料抗开裂能力增强，后期反射裂缝得以减少。其次，采用振动成型法进行水稳碎石配合比设计较过去重型击实法大幅减少了水泥剂量，水泥剂量的减少使得最佳含水量也随之减少，最终使得混合料的温缩和干缩大幅减小。从而有效抑制了水泥稳定碎石材料的开裂，大大减少了半刚性基层材料的裂缝。2重型击实法与振动成型法对比分析采用振动成型法进行水泥稳定碎石混合料配合比设计，可以减少水泥用量，可以优化级配，设计出骨架密实型水稳混合料。为何振动成型法有这样的优势呢？为此，笔者对重型击实法和振动成型法进行了对比分析。重型击实法源于土工试验，用以确定土壤的最大干密度和最佳含水量，以计算天然土体密实度。重型击实法应用时间长，规范成熟，积累了大量的试验数据和实践经验。在确定细粒土（或者说土颗粒最大粒径远远小于击实筒直径时）的最大干密度和最佳含水量时，重型击实法得到的试验结果还是比较准确的，与实际工程也较为符合。可一旦粒径超过一定限度，重型击实法就不再适用，在击实过程中，土颗粒尤其是粗颗粒的初始位置状态、自身形状将极大的影响最终试验结果。重型击实对装料的均匀性也较为敏感，这就意味着不同的试验人员操作同一批试验，最终得到的试验数据可能相差甚远。此外，重型击实还容易造成粗集料的破碎，从而改变了原土样的级配。重型击实法之所以存在这样的问题，根本原因在于土颗粒或者碎石颗粒在外力作用下达到密实不仅需要一个能使其相互靠拢的合外压力，还需要一个使土颗粒尤其是粗颗粒发生转动的合外力，土体颗粒发生转动，从而不断改变自身在土体中的位置状态，从不稳定的高能状态转动位置到稳定的低能状态，而这一过程就是土体颗粒在外力作用下不断趋于靠拢而密实的过程。重型击实法恰恰缺乏这样一个使土体颗粒发生转动的力，或者说这个力的效果不明显。要知道，土体颗粒越粗，需要的这样一个力就越大。适量的水的存在可以改善土体的密实程度，减少土体颗粒转动密实时需要的外力，适量的水的存在可以起到润滑作用，从而缩短土体颗粒相互靠拢密实的时间。但是，过量的水却恰好相反，过量的水使得包裹土颗粒的水膜变厚，甚至出现自由水。过厚的水膜和自由水的存在会在土体中形成“弹簧效应”，使得土体无法达第3期杨勇等：水泥稳定碎石振动成型与重型击实的比较135到最佳密实状态。通过以上分析，我们初步了解了土体密实的过程以及影响土体密实的主要因素，包括试验方法，土体颗粒大小，含水量。此外，土质也会对击实造成影响。实际工程中，一般材料确定之后，土质的影响就是一定的，可不作为影响因素考虑。由于重型击实法固有的一些缺点，导致其在进行水泥稳定碎石混合料配合比设计时遇到问题。实践表明，重型击实法得到的最大干密度偏小，随着大吨位压路机的使用和对路面结构层压实度的高要求，采用重型击实法得到的最大干密度来计算路面压实度往往会发现压实度很容易就满足规范的要求，甚至远远超过了规范的要求，达到100以上。这说明在当前路面施工的实际情况下，对于重载交通道路而言，采用重型击实法得到的最大干密度偏小，用它计算的路面压实度来进行施工质量的控制已无法满足实际要求。此外，重型击实法的成型过程与路面实际的碾压过程不一致，这也导致了重型击实法得到的试验数据与施工实际不匹配。基于以上问题，长安大学开展了水泥稳定碎石混合料配合比设计及试验成型方法的研究并率先研制开发了水泥稳定碎石混合料振动成型试验机。在此基础上开展了大量的试验研究工作，取得了一些关键性的研究成果，如关于水泥稳定碎石级配的优化、最佳水泥剂量和最佳含水量的确定、振动成型方法的标准化（振动频率、时间、振幅、击振力）等。江苏省交通科学研究院在此基础上开展了抗裂型水泥稳定碎石基层的研究，提出采用骨架密实型级配和低剂量水泥，获得强度和耐久性均满足要求的水泥稳定碎石混合料，做到了水泥稳定碎石基层不开裂，从而大大减少了半刚性基层沥青路面的反射裂缝，提高了半刚性基层沥青路面的使用寿命。振动成型试验机的最初设计思想也是来源于Superpave的旋转压实，如果将传统马歇尔试验比作重型击实试验，那振动成型试验就好比SHRP的旋转剪切试验，二者都更加贴近工程实际，前者增加了振动效应，模拟了水泥稳定碎石在钢轮压路机振动碾压的过程，后者增加了旋转搓揉，模拟了沥青混合料在轮胎压路机搓揉碾压的过程。大量的试验结果表明，在进行水泥稳定碎石混合料配合比设计时，振动成型法得到的最佳水泥剂量较重型击实减小，最佳含水量减小，最大干密度增大。振动成型法由于在击实过程中增加了振动外力，使得土体颗粒获得了转动能量，土颗粒重排率大大增加，大量的土颗粒由不稳定状态变为相对稳定状态，颗粒之间缝隙趋于最小，土体变得更加密实。对于骨架密实型级配，粗集料在振动外力作用下，不断转动实现重排，最终形成稳定的骨架。因此，采用振动成型法进行水泥稳定碎石混合料配合比设计时，最大干密度较重型击实法增大，且由于振动外力作用，粗集料不断改变自身位置以适应击振外力的作用，不至于出现压碎现象，混合料原有级配不会遭到破坏。由于振动外力作用，土颗粒获得了转动能量，可以减少其对水的依赖，从而减少水用量。此外，由于粗集料的骨架效应，混合料成型后强度主要依靠粗集料相互嵌挤形成的骨架，而不是依靠水泥胶浆的强度，因此，振动成型的试件强度大幅提高，而水泥剂量则相比大幅下降。水泥剂量的减少，也使得用水量的大幅减少。最终水稳混合料的干缩和温缩得以减少，困扰广大道路工作者的半刚性基层开裂问题得以解决。3采用振动成型法进行水稳碎石混合料配合比设计需注意的问题振动成型法较重型击实法有许多改进的地方，前面已有详细的论述。但是，在实际工程应用时，还必须注意以下几点：首先，振动成型法虽然能够在一定程度上模拟水泥稳定碎石混合料在钢轮压路机下的振动碾压过程，但必须注意到二者还是存在很大差异。室内振动成型仪中的土体实际上是在四周完全约束的条件下完成振动密实过程的，而这种振动是三维立体式的振动，振动频率，振幅和击振力都与施工现场有明显差异。现场压路机的振动通常只是施加一个自上而下的竖向击振力，而室内振动成型仪施加给土体的不仅有竖向击振力，还有水平向的击振力，是一个三维的立体式的振动效应。这种三维立体式的振动将更有利于土体颗粒的重排密实，因此，室内振动成型得到的混合料骨架要好于施工现场，强度自然也要高于施工现场。如果仅仅根据振动成型法得到的强度来确定混合料最佳水泥剂量，将会出现水泥剂量较过去大幅减少的情形，而根据实际经验，这样的水泥剂量是没有哪一家施工单位敢采用的。笔者认为，就目前水泥稳定碎石振动成型法尚未大规模使用之前，对于振动成型强度只能够作为参考，在确定最佳水泥剂量时还是要以重型击实法得到的强度为主要参考对象，综合振动成型法得到的强度之后确定最后的最佳水泥剂量。对于最佳含水量的确定，由于现在多采用大吨位的压路机，压实功较比以往有大幅提高，实际施工时，可以采用振动成型法得到的最佳含水量。最大干密度则应该采用振动成型法得到的最大干密度，这样有利于施工质量的控制，提高路面压实度，保证路面有足够的强度和稳定性，以适应日益严峻的交通形势（重载交通）。其次，采用振动成型法进行水泥稳定碎石混合料设计时，要根据原材料的实际情况，级配情况来选择合理的振动参数，包括频率、时间、振幅、击振力等。在试验过程中注意装料的均匀性，避免装料造成的离析。此外，要注意在振动过程中是否存在离析，即粗集料向下迁移，细集料向上迁移。一旦出现较明显的振动离析，要调整级配或振动参数，排除振动离析之后方可进行试验。4结语采用重型击实法进行水泥稳定碎石混合料配合比设计存在许多弊端，振动成型法能够有效弥补其不足之处。由于振动成型法本身还有很多问题需要解决，试验所得结果与实际存在一定差距，且缺乏足够的工程实践积累，建议对其做进一步的研究。目前进行水泥稳定碎石混合料配合比设计时，在确定最大干密度和最佳含水量时以振动成型试验数据为准，确定最佳水泥剂量时以重型击实的强度数据为准，参考振动成型试验数据。