《建筑材料学报》基于不同成型方式的水泥碎石对比研究97版2

基于不同成型方式的水泥碎石对比研究摘要：为进一步提高对水泥碎石基层材料路用性能的认识，系统对比了振动成型与静压成型设计的水泥碎石的最大干密度、无侧限抗压强度、抗裂能力、弯拉强度及抗疲劳能力。并采用不同成型方式下的压实度与无侧限抗压强度与现场芯样进行了符合性对比分析研究。研究结果表明，采用振动成型方式设计的水泥碎石各种路用性能均有大幅度提高，振动成型设计的水泥碎石压实程度及强度与实体工程更为吻合，因此，因此采用振动成型设计标准控制水泥碎石基层施工更为合适。同时振动成型为设计高性能的级配碎石打下了坚实的基础。关键词：道路工程；振动成型；静压成型；水泥碎石；路用性能中图分类号：U41文献标志码：AComparativeStudiesOnCementMacadamBasedOnDifferentMoldingwaysAbstract:inordertoimprovetheroadperformanceofthecementmacadambasematerials,thesystematiccomparisonresearchesonthemaximumdrydensity,unconfinedcompressivestrength,resistancetofatigueoftwokindsofcementmacadam,respectivelydesignedbythevibrationmoldingmethodandtheisostaticpressingmoldingmethods,areconducted.Thecompactionsandtheunconfinedcompressivestrengthsfromthetwodifferentmoldingmethodsareanalyticallycomparedwiththoseofthecoresamplesoftheproject.Resultsshowthattheroadperformanceofcementmacadamdesignedbythevibrationmoldingmethodisgreatlyimproved,andthecompactionandthestrengthofthecementmacadamaremoreconsistentwiththoseofthephysicalworks.Therefore,itismoreappropriateusingthevibrationmoldingmethodtocontrolthequalityofcementmacadambase.Itishopethathigh-performancecementmacadambasecanbegetthroughthevibrationmoldingmethod.Keywords：roadengineering;vibrationmolding;isostaticpressing;cementmacadam;roadperformance0绪论要准确认识水泥碎石的路用性能并有效指导工程实践，其中的关键环节之一是实验室能够获得与现场性能一致的材料。而对水泥碎石这种成型时为散体的材料来说，必须满足这样一个前提，即室内成型方式能够有效模拟现场施工工艺，才有可能确保室内外获得的材料性能一致并在室内得出准确的材料性能评价结果。我国水泥碎石的设计一直采用重型击实法确定最大干密度及最佳含水量，用静压法制作试件测定强度、抗裂能力、抗疲劳能力等路用性能（本文简称静压法），这种设计方法的长期使用使我们认识到要达到设计强度，水泥碎石应掺加较高剂量的水泥，此时的水泥碎石具有强度高、稳定性好，承载能力强等优点，但同时也具有反射裂缝无法避免、对重载交通敏感、抗疲劳能力差、耐久性差等缺点。同时我们也认识到，静压成型方式与现场振动压路机的压实工艺相差甚远，这种现状给了我们启示，要进一步准确认识水泥碎石的路用性能，室内必须采用与振动压路机相同的试件制作工艺。2003年，我国出现了模拟现场振动压路机的振动成型水泥碎石的实验设备[1]，随后研究者们采用振动成型方式对水泥碎石路用性能进行了研究[2-3]，与静压成型方法进行了对比[4]，并在实际工程中进行了应用，随着研究的深入和应用范围的扩大，对振动成型水泥碎石的路用性能的认识也进一步深化。本文对静压与振动两种成型方式及其设计的水泥碎石路用性能进行了系统对比研究，验证了振动成型法与工程的符合性，指出了振动成型法的发展方向，对振动成型法的进一步应用具有积极的意义。1静压法与振动法成型方式对比分析目前室内采用重型击实法确定水泥碎石的最佳含水量和最大干密度，用静压法成型试件。重型击实是通过施加冲击荷载对被压材料进行压实，静压是采用静力对材料施加荷载成型试件，两种方法与目前现场振动碾压过程完全不同。研究所用的半刚性材料的振动成型仪为上振式成型仪，其数学模型建立在弹性理论的“振动压路机－被压材料”系统两个自由度的动力学模型的基础上[5-6]，兼具确定最大干密度及最佳含水量和成型试件的功能，其工作参数见表2。由表2及表3振动成型仪与振动压路机工作参数的对比可知，本研究采用的振动成型仪的振动频率和振幅与振动压路机相同，且均为由上向下的表面振动模式。由表1及表2击实功对比可知，振动击实功是传统重型击实的2.2倍，振动压路机的动线荷载是静碾压路机的1.8倍，两者也基本吻合。因此从振动参数、振动方式及压实功来分析，采用上置式振动成型方式与振动压路机更为匹配。表1重型击实参数及击实功Tab.1HeavycompactionparametersandcompactionworkCategoryHammerquality/KgHammeringsurfacediameter/cmDropheight/cmTesttubesizeHammeringlayersHammeringtimesAverageunitcompactionwork/JInsidediameter/cmHeight/cmVolume/cmPropanmethod4.55.04515.212.021773982.677表2振动成型参数及击实功Tab.2VibrationmoldingparametersandcompactionworkTestMethodsVibrationfrequency/HzAmplitude/mmCentrifugalforce/NStaticsurfacepressure/kPaCompactiontime/minCompactionwork/JVibrationcompaction301.4761214025.881表3振动压路机与静力压路机工作参数Tab.3VibratoryrollersandstaticRollersoperatingparametersModelWorkingquality/KgWorkingwidth/mmStaticlineload/N.cm-1Vibrationfrequency/HZAmplitude/MmCentrifugalforce/KNMovinglineload/N.cm-1XS202vibratorycompactor13500213062128/371.86/0.93370/25517373Y15Astaticcompactor150002120960---------9602不同成型方式下材料的物理特性及路用性能对比分析由以上分析，振动成型与静压成型从击实方式和击实功上都有很大的差别，因此用两种方法设计的材料物理特性与路用性能均会不同，改变传统的成型方式，振动成型方式的应用为我们更准确地认识水泥碎石的性质提供了新的手段，也为进一步挖掘水泥碎石潜力，提高水泥碎石的路用性能提供了新的途径。2.1最大干密度和最佳含水量对比分析最大干密度是水泥碎石配合比设计最基础也是最重要的成果，因为室内确定的最大干密度是控制现场压实程度的依据，而压实程度是水泥碎石路用性能的决定性指标。图1为研究过程中完成的108个水泥碎石配合比设计的最大干密度数据，结果清晰地表明了振动成型确定的最大干密度系统大于重型击实确定的最大干密度，其比值为1.01～1.05，平均值为1.034。也就是说，如果采用重型击实标准，要求现场压实度达到98%以上的话，那么采用振动成型，则要求压实度达到重型击实标准的101%以上，现场能否达到振动成型要求的压实程度则是振动击实与现场碾压工艺符合性的检验标准之一。图1振动击实与重型击实确定的最大干密度比值Fig.1Themaximumdrydensityratiodeterminedbyvibrationcompactionandheavycompaction统计结果同时表明，振动击实确定的最佳含水量系统小于重型击实，其比值为0.8～0.9，平均0.84。也就是说，采用振动击实标准，现场控制含水量可略小于重型击实标准。2.2无侧限抗压强度对比分析7天龄期无侧限抗压强度目前是水泥碎石设计的唯一的力学指标，图2及图3为研究过程中完成的128组室内无侧限抗压强度数据统计结果（每组强度除成型方式外，级配及水泥剂量均相同）。结果表明，静压法及振动成型法确定的无侧限抗压强度有着很好的相关关系，其相关系数达到0.8以上，同时由图3可以看出，振动成型无侧限抗压强度系统大于静压成型，其比值为1.2～3.2倍，平均比值为1.9倍。y=1.1147x+2.8709R2=0.7962024681012140246810Unconfinedcompressivestrengthofisostaticcompaction(MPa)Unconfinedcompressivestrengthofvibratorycompaction(MPa)图2静压成型与振动成型无侧限抗压强度关系Fig.2Therelationshipofunconfinedcompressivestrengthbetweenisostaticcompactionandvibratorycompaction0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0020406080100120140StrengthspecimensNo.Theratioofunconfinedcompressivestrength（vibratory/isostatic）图3静压成型与振动成型无侧限抗压强度比值Fig.3Theratioofunconfinedcompressivestrengthbetweenisostaticcompactionandvibratorycompaction由实验结果，采用振动成型，7天无侧限抗压强度有很大的提高，那么如果设计强度不变，振动成型就给我们提供了减少水泥剂量的空间。由图3，即使静压成型的水泥碎石无侧限抗压强度为零，那么振动成型的试件强度还能达到2.8MPa以上，这在其后的振动成型级配碎石的研究中得到了验证。2.3抗裂能力水泥碎石作为半刚性基层，其产生的反射裂缝一直被认为是路面的主要病害之一。研究中采用千分表法测定水泥碎石的干缩应变，用干缩应变及干缩系数（干缩系数与失水率之比）评价水泥碎石的抗裂能力[7]。千分表法实验方法为：按最佳含水量及最大干密度，采用振动法及静压法分别制作梁式试件，养生7天后取出置于室温下风下12小时，以排除表面水分。取失水前后千分表的读数差及试件的质量差，计算干缩应变及失水量，直到测试时间累计达到600h以上；试验结果见图4、图5。其中级配采用两种，分别为4.75mm通过率40%、30%的悬浮级配A及骨架密实型级配B。为使收缩更加明显以便于对比研究，选用大的7%的水泥剂量。01002003004005006007008000.00.51.01.52.02.5失水率（％）干缩应变（10-6）振动A振动B静压A静压B图4干缩应变及失水率关系图Fig.4Shrinkagestrainandtherateofwaterlossdiagra