半刚性基层材料振动成型设计方法

半刚性基层材料以其水、温稳性好、承载力高、强度和刚度大且较经济的特点已广泛应用于高速公路基层中。但是在现时存在的超载运输条件下，并未表现出令人满意的使用效果。随着时间的变化，该非均质体系发生变化，混合料的宏观物理性能如强度、抗收缩性和抗疲劳性均发生变化，并会带来一些路面病害，诸如疲劳破坏、因开裂导致或诱发的系列病害。这些问题的存在与当前半刚性基层材料设计方法和评价标准相关。

一、半刚性基层材料设计现状

1.室内成型方式与现场碾压方式不匹配

现今施工现场大量使用振动压路机及轮胎压路机，而室内却采用重型击实法确定最佳含水量及最大干密度，用静压法试件强度作为设计标准控制水泥剂量。由此衍生出一系列问题：重型击实法确定的最佳含水量及最大干密度作为现场振动压实度的控制指标是否合适；混合料分别在静压与振动作用下其力学特性或许不同，那么用何种成型方式制作的试件，其强度控制现场质量更有效；用静压法进行室内研究所优化的配合比（包括级配、水泥含量等）在振动压实条件下路用性能是否最优。

2.质量控制指标单一

规范对混合料路用性能要求相对简单。除原材料性质外，对混合料只要求7天龄期的饱水无侧限抗压强度达到要求即可，而对混合料抗裂能力既无标准试验方法，也没有评价指标，这就使得设计或施工时只注重提高强度，甚至有可能导致强度过大；至于由此造成的许多负面影响（刚度过大、抗裂能力差等）却很少引起重视。

3.压实标准偏低

压实度达到较高标准对水泥稳定碎石混合料强度、抗裂能力及抗疲劳能力的提高均有显著作用。压实度的增加可以大幅度提高半刚性材料强度，与此相适应，在较低的胶结料剂量下即可满足强度要求，而胶结料剂量的降低则可以显著提高水泥碎石混合料的抗裂能力；另一方面，压实度的提高可以大大减少水泥碎石混合料中的微裂隙，从而提高水泥碎石混合料抗疲劳能力。

4.规范规定的级配范围太宽，难以保证工程质量

规范规定的混合料级配范围太宽。此范围内，不同级配的混合料其力学性能有很大差异，因此不同级配的水泥碎石混合料各种力学指标即使全部满足规范要求，也很难说这些混合料具有良好的抗裂能力。

二、振动成型基本原理

我国公路、建筑部门室内常用的确定材料最佳含水量及最大干密度的方法是击实法，相应测定材料的技术指标的试件成型方式是静力压实方式。击实方法在室内通过施加冲击荷载对被压材料进行压实，与现场夯实过程一致，与现场静力压路机的作用过程虽不尽相同，但就通过对材料产生剪应力使之压实这一效果来说是相似的。但与振动压实通过高频振动作用使材料产生液化来压密的过程是完全不同的。静力压实成型试件的方法和静力压路机滚压的机理是相同的，但是和振动压路机的振动压实机理则不同。

由此衍生出一系列问题：重型击实法确定的最佳含水量及最大干密度作为控制施工质量的技术指标是否合适；以静压法或振动法成型的试件其物理力学性质或许不同，那么用何种成型方式制作的试件强度控制现场质量更有效；用静压法进行室内研究所优化的配合比（包括级配、水泥剂量等）在振动压实条件下路用性能是否最优。因此有必要使用新的室内压实试验方法。

三、振动法设计半刚性材料步骤

1.原材料检测：包括水泥、碎石、石灰、粉煤灰等。

2.骨架密实级配的确定：根据原材料筛分结果，确定特定工程的骨架密实结构级配范围，并确定目标级配。

3.根据确定的振动参数，用振动法确定半刚性材料的最佳含水量及最大干密度。同时采用重型击实法确定最佳含水量与最大干密度，并与振动法设计结果进行对比。

4.振动成型半刚性材料试件，标准养生后进行无侧限抗压强度试验，确定最佳水泥剂量。同时进行静压法无侧限抗压强度试验，与振动法设计结果进行对比。（例略）

根据振动成型法试验结果：

（1）比较强度概率保证值Rc0.95和设计强度值Rd，水泥剂量取3.5%，4.0%时，振动成型试件的强度概率保证值Rc0.95大于基层设计强度值Rd=4.0Mpa，即满足R(1-ZaCv)≥Rd要求。

（2）从工程经济性和现场拌和、施工工艺考虑，水泥稳定碎石基层的水泥剂量确定为3.5:100。现场取料筛分检检验结果表明生产中的级配可控制在设计级配范围之内，说明设计级配范围确定的范围合理。

（3）基层表观及芯样强度。现场摊铺、碾压过程中均未出现明显的离析现象，碾压后的基层表面粗糙、均匀。

试验段芯样强度为7.3MPa，室内静压试件抗压强度4.3MPa，室内振动成型试件抗压强度为7.5MPa。表明振动成型方式与现场振动碾压效果更为吻合。

实验表明，水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度与裂缝间距有较显著的相关关系。抗压强度越高，裂缝间距越小，即相同长度段裂缝数量越少。说明为提高半刚性基层抗裂能力，不宜采用提高水泥剂量的途径增加强度。另一方面，与静压成型试件强度相比，振动成型试件强度与裂缝间距相关关系更为显著。证明用振动法设计的混合料强度参数控制工程质量更为合理、有效。

四、结论

（1）规范所用的重型击实法确定的半刚性材料最大干密度过小，以此为标准控制现场压实度存在质量隐患，而用振动法确定的混合料干密度控制现场质量更为合理。

（2）振动法设计的水泥碎石混合料级配范围较规范窄，上下限均为骨架密实结构，0.075mm通过率低，可显著提高基层抗裂能力；

（3）采用振动成型方式设计的水泥碎石半刚性材料级配组成与传统设计结果相比有重大改进，主要表现为水泥剂量降低，同时强度提高、抗裂能力提高。与静压法成型相比，水泥剂量降低1～1.5％，强度提高1.5～2倍，相同水泥剂量下，振动成型试件干缩抗裂系数是静压成型条件下的1.5倍，表明振动成型材料抗裂能力大幅度提高。不仅降低了工程造价，满足强度设计要求，更重要的是显著提高了半刚性基层的抗裂能力。

（4）与静压法成型相比，设计的半刚性材料密度标准提高1.02～1.03倍。且实际工程经验表明，用传统的碾压方式，在不增加设备投资的情况下完全可以达到新的设计方法的压实度要求。