＊成型方式对厚层水泥稳定碎石基层路用性能影响

田耀刚，石帅锋，肖 燕，李炜光（长安大学材料科学与工程学院，西安710064）



＊成型方式对厚层水泥稳定碎石基层路用性能影响

田耀刚，石帅锋，肖 燕，李炜光
（长安大学材料科学与工程学院，西安710064）

摘 要：基于室内模拟试验研究了不同成型方式（振动成型和标准静压成型）对整体大厚度水泥稳定碎石基层路用性能（力学性能、体积变形性能和抗冲刷性能）的影响。结果表明：大激励振动一次成型厚层水泥稳定碎石基层上部结构的无侧限抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量均大于其下部结构，其差异性随龄期增长而降低，且上部与下部结构的力学性能兼高于标准静压成型水泥稳定碎石基层；两种方式成型对水泥稳定碎石干缩、温缩及抗冲刷性能影响规律与力学性能相同。

关键词：成型方式；厚层水泥稳定碎石；基层；路用性能

（E－mail）tianguang78＠126．com

通讯联系人：李炜光，教授，主要从事新型道路建筑材料研究，（Tel）13002977615

水泥稳定碎石基层因具有强度高、承载能力强和稳定性好而广泛应用于我国道路工程中，其施工成型方式主要为静压成型和振动成型，对水泥稳定碎石基层路用性能影响显著［1－4］。20世纪90年代前，由于公路交通量小、重载现象少且受施工设备技术限制，水泥稳定碎石基层多采用重型压路机静压成型［5］，静压成型压实效果随厚度增加而快速降低，易使基层压实不均，进而导致路面产生开裂、沉陷等病害［6］。随着施工碾压机械技术水平不断提高，高吨位、大功率振动碾压机械得以实现并逐渐成为路面主要碾压方式［7］，由此采用一次摊铺碾压成型工艺成型厚层水泥稳定碎石基层成为可能。厚层水泥稳定碎石基层整体性能良好、承载力强且成型施工效率高，能够适应我国公路交通重载、大流量的特点［8］，具有广阔的应用前景。厚层水泥稳定碎石基层的研究主要集中在国内，相关研究涉及配合比设

计、压实度评价、路用性能等方面［9－15］，缺少成型方式对厚层水泥稳定碎石基层路用性能影响的系统研究。基于此，本文通过大激振力振动一次成型厚层水稳碎石试件与标准静压成型试件对比分析其力学性能、体积变形性能和抗冲刷性能，以研究不同成型方式对厚层水泥稳定碎石基层路用性能影响规律，为厚层水泥稳定碎石基层施工与性能控制提供数据

支撑。

1　试验方法

1．1 试件成型方法和力学性能试验

静压成型和振动成型均采用最佳含水量、最大干密度相同的级配水泥稳定碎石，压实度均为100%。静压成型按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057－94）Φ15cm×15cm圆柱体试件；振动成型采用长安大学自行研制的大激振力试验仪，分层振动成型Φ15cm×30cm圆柱体试件模拟厚层水泥稳定碎石基层，每层循环锤击两次，击实锤顺序见图1所示。

图1　振动成型锤击线

为使振动成型试件和静压成型试件具有可比性，将养护到规定龄期的振动成型试件从中间两截钢模连接处切成两节Φ15cm×15cm的标准试件，并用水泥砂浆将断裂面补平，然后分别脱模。

试验中碎石为石灰岩，水泥标号为P．S．32．5水泥，水泥用量4．0%，采用《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034－2000）中规定的水泥稳定碎石级配中值，见图2所示。试件标准养生到规定龄期后，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057－94）对抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量进行测试。

图2　厚层水泥稳定碎石试验级配曲线

1．2 体积变形性能试验

1．2．1 干缩试验

采用振动和静压两种成型方式分别成型40cm ×10cm×10cm的中梁试件。将试件成型好后立即脱模，将带有三角支架的千分表固定到试件表面，在温度20±1℃、湿度在60%±5%的试验室内测定试件干缩变形量。

1．2．2 温缩试验

采用振动和静压两种方式分别成型40cm× 10cm×10cm的中梁试件，标准养护到28d，将试件烘10～12h至恒量。试件与标准材料温度补偿试件以半桥法接入应变仪中，应变片按规定方向贴在试件表面，再将被测试件与标准补偿试件放入恒温箱中温度降低到10℃，恒温2h后以设定的升温速度升高直到50℃，在升温过程中，程序每2min会自动采集一个点的温缩应变值。

1．2．3 抗冲刷试验

采用长安大学自行研制的冲刷试验仪测试厚层水泥稳定碎石基层在车辆荷载和水耦合作用下的抗冲刷性能。试件直径和高均为15cm的圆柱体，分别采用振动和静压成型，标准养生到28d，泡水24 h后将其固定到冲刷仪上，加入适量的水，使液面超过试件顶面5mm，进行冲刷试验，5min后将试件取出，收集冲刷桶里的剩余物并烘干称重，按照下式计算平均冲刷量：

式中：C为平均冲刷量，g／min；m为t时间内的冲刷量，g；t为冲刷时间，min。

2　试验结果与分析

2．1 力学性能

对振动和静压成型试件不同龄期的抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量进行测定，结果分别如图3，振动成型试件的上下层及其与静压成型试件力学性能差异度见表1所示。

图3　振动和静压成型对水泥稳定碎石基层力学性能影响

由图3可知，各龄期振动成型试件抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量均高于静压成型试件；振动成型试件的上层强度和抗压回弹模量高于下层；振动和静压两种成型方式下试件抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量随龄期延长而提高，振动成型试件早期强度和抗压回弹模量增长速度明显大于静压成型试件；振动成型试件28d龄期后抗压强度增长不明显，而静压成型试件28d龄期后抗压强度还有较明显的增大。

表1　上层与静压、上层与下层试件力学性能差异度

分析原因，这主要是因为静压成型利用器械施加荷载使水泥稳定碎石产生剪应力、发生塑性变形，导致骨料颗粒相互靠近，提高压实性和密实性。随着施加静荷载提高，骨料的嵌挤作用与摩擦阻力增加，对外加静载产生支撑分担作用，阻止骨料颗粒发生大范围移动，骨料间隙中细颗粒胶结材料难以均匀密实成型，这一趋势随着水稳碎石厚度增大而更加明显，表现出静压成型时，水稳碎石基层上部直接受压部分与下部荷载传递间接受力部分的压实度差异较大，增加厚度时难以均匀压实［13］。

而采用振动成型方式时，在较大振动荷载激励作用下，水泥稳定碎石混合料的颗粒由初始静止态转变为运动态，承压粒料间的摩擦力也由静摩擦状态转变为动摩擦状态。混合料体系中密度小的水分在振动荷载作用下发生迁移，在粒料表面形成一层水膜。发挥润滑作用，在此作用下粒料更易发生重新排布；与此同时，细骨料与水泥浆体在振动荷载作用下填充到粗骨料的空隙中，提高水泥稳定碎石结构的密实性与均匀性，加之外界大激振力施加的荷载，增大了骨料间嵌挤作用和内摩阻力。此外，振动作用使部分水分从灰浆体中迁移出来，分散到厚层水稳碎石体系结构的孔隙中，优化水分在试件中的分布，降低了灰浆体的水灰比。当水泥水化使体系中水分降低时，分布在骨料孔隙中的水分会及时释放出来，发挥到内部养护作用；灰浆体水灰比降低不仅提高其自身的强度、表现出强度增长快，同时会改善水泥浆体与骨料之间的界面粘结，从而提高了试件的整体性能，表现出振动成型试件抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量早期增长快且均高于同龄期静压成型试件。然而，由于受基层厚度大特点和振动成型工艺的影响，纵使采用大激励振动成型厚层水泥稳定碎石基层，其上下层压实度仍存在差异，上层压实度大于下层压实度［13］，导致厚层水泥稳定碎石基层力学性能上层要优于下层。

2．2 体积变形性能

2．2．1 干缩

对振动和静压成型试件不同龄期干缩性能分别进行测定，结果如图4。

图4　成型方式对水稳碎石干缩性能影响

由图4知，两种成型方式下成型水泥稳定碎石试件的干缩均随龄期延长而增大，静压成型试件干缩性能均高于同龄期振动成型试件；两种成型方式下试件早龄期（4～24h）干缩变化幅度较其它龄期干缩变化幅度大，在4～24h内，静压成型试件和振动成型试件干缩量变化幅度分别达到20．8%和26．7%。

分析原因，如前所述，振动成型时，较大振动荷载的激励作用不仅可提高水泥稳定碎石混合料的密实性，还可使灰浆中密度小的水分发生迁移，灰浆体中水分逸出并聚集在周围粗大颗粒之间的空隙中，灰浆体的有效水灰比降低，孔隙率降低，固化灰浆体更加密实。振动成型的水泥稳定碎石密实结构可有效削弱体系内部水分向环境中逸失，其粗大粒料空隙中聚集的水分可发挥内养护作用向灰浆体提供水分，从而降低灰浆体水化硬化产生的收缩。与此相比，静压成型时，水泥稳定碎石上下层压实程度不均、也不会出现振动荷载激励时水分的分离与聚集，无法发挥内养护作用且灰浆体的有效水灰比较大，因此表现出静压成型同龄期试件干缩比振动成型试件大的现象。

2．2．2 温缩

对振动和静压成型试件不同时间点的温缩性能分别进行测定，结果如图5所示。

图5　温缩变化曲线对比图

由图5知，静压成型试件10～50℃时温缩应变值均大于振动成型试件，两种试件温缩应变值变化均随着时间增长而逐渐增大。这主要是因为静压成型的水泥稳定碎石灰浆体中有效水灰比较大，其硬化结构中有较多的毛细孔、凝胶孔和空隙且里面分布着未水化完全的水分，这些水分在温度变化情况下通过热胀冷缩小变形累积使试件发生宏观变形，动成型可使灰浆体中水分在其固化前分离出来，降低水泥稳定碎石灰浆体水灰比，在提高固化浆体强度的同时减少其内部含水率，从而使得振动成型试件温缩应变和温缩系数小于静压成型试件。此外，研究发现，混合料中粗骨料的温缩系数较小，而砂粒以下颗粒特别是黏土矿物的温缩系数较大［16－18］。细集料在碾压过程中容易产生团聚现象，随着温度的变化，团聚在一起的细集料容易产生温度应力集中现象，使厚层水泥稳定碎石基层产生较大的温缩应变；振动成型方式是以一定振动频率对厚层水泥稳定碎石基层进行振动碾压，机械振动作用破坏了细集料的团聚现象，使细集料分散开并进入到粗集料空隙中，减弱了细集料产生的温度应力集中对厚层水泥稳定碎石基层影响，从而减小了厚层水泥稳定碎石基层的温缩应变。

2．3 抗冲刷性能

在雨季，路面容易产生积水，当积水进入到基层后，在车辆荷载的耦合作用下，产生动水压力，使基层受到冲刷破坏，因此对基层抗冲刷性能的研究至关重要［18－20］。对振动和静压成型试件平均冲刷量分别进行测定，结果如图6。

由图6知，静压成型试件的平均冲刷量大于振动成型试件。从振动成型到静压成型，试件平均冲刷量增长幅度为3．8%。

图6　成型方式对水泥稳定碎石抗冲刷性能影响

分析原因，如前所述，与静压成型相比，适当频率与作用时间下的振动成型可促使骨料与浆体的均匀分布，提高结构的整体性和密实性；此外，振动成型可使水分从灰浆中分离出来并聚集在嵌挤粗骨料形成的空隙中，降低灰浆水灰比的同时发挥内养护作用，提高硬化水泥浆体的强度与密实性，改善骨料与水泥浆体的界面粘结性能，振动作用影响随厚度增大而降低，表现出振动成型试件上层抗冲刷性能比下层优良；而静压成型试件缺少振动作用，灰浆中的水分难以分离并聚集于空隙中，灰浆浆体的水灰比偏大，硬化水泥浆体强度低、结构密实性差，骨料与水泥浆体的界面粘结性能较差，在动水压力作用时，细集料容易被冲刷流失，抗冲刷性能不如振动成型试件。

3　结论

1）成型方式对厚层水泥稳定碎石基层路用性能有显著影响。大激励振动一次成型厚层水稳碎石基层上部和下部结构均比标准静压成型基层具有更优良的力学性能、体积变形性能和抗冲刷性能；

2）受激振力作用范围的影响，振动成型大厚基层上部结构的路用性能优于下部结构，但其差异性随龄期延长而降低；

3）采用大激励振动一次成型方式成型30cm厚层水泥稳定碎石基层可获得良好的路用性能。

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（编辑：贾丽红）

Effect of Molding Methods on Pavement Performance of Thick Cement Stabilized Macadam Base

TIAN Yaogang，SHI Shuaifeng，XIAO Yan，LI Weiguang
（School of Materials Science and Engineering，Chang’an University，Xi’an710064，China）

Abstract：Based on simulation test in laboratory，the effects of different molding methods（vibrating compaction and standard static pressure）on overall large－thickness cement stabilized macadam base were studied，in terms of mechanical properties，volume deformation，and erosion resistance．The results show that unconfined compressive strength，splitting strength，and compressive modulus of the upper layer are all higher than those of the lower layer for the thick cement stabilized macadam base molded by largely vibrating compaction．And it also indicates that the difference in the mechanical properties between the upper and lower layers decreases with age growth．It is obtained that the mechanical properties of both upper and lower layers for the thick cement stabilized macadam base molded by largely vibrating force were larger than those of cement stabilized macadam base molded by standard static pressure；and on the other hand，the effects of drying shrinkage，temperature shrinkage，and erosion resistance are similar to those of mechanical properties on the cement stabilized macadam base molded by two methods．

Key words：molding method；thick cement stabilized macadam；base；pavement performance

基金项目：国家自然科学基金资助项目：基于聚合物多级互穿网络结构的混凝土减振集料形成机理与力学响应（51208046）；交通运输部建设科技基金资助项目：热带多雨区公路保畅快修材料开发与应用研究（2013318J09230）；河南省交通运输厅科技基金资助项目；路面沥青免压快速修复材料与技术研究（2012D11）

作者简介：田耀刚（1978－），男，陕西富平人，博士，副教授，主要从事道路建筑材料教学与科研工作，（Tel）15191573872，

文章编号：1007－9432（2015）03－0278－05＊

收稿日期：2014－10－25

DOI：10．16355／j．cnki．issn1007－9432tyut．2015．03．006

文献标识码：A

中图分类号：U416．1