水泥稳定碎石振动试验的方法探讨

摘要：水泥稳定碎石是高等级公路沥青路面的主要路面结构形式，但现行试验方法与施工实际并不匹配，以致不能有效指导施工实践，提高工程质量。本文模拟现场碾压工况，研究并提出了表面振动压实仪（VTM）振动参数合理配置和振动时间，并与现行试验方法作分析比较，经试验验证，取得了很好的效果。

关键词：水泥稳定碎石；振动试验；分析比较；研究

Abstract: of the cement stable macadam is of the asphalt pavement of high grade highway main road surface structure form, but the current test method and construction practice is not matching, so that cannot effectively guide the construction practice and improving the quality of the project. This paper simulation field rolling condition, research and put forward the surface vibration compaction instrument (VTM) vibration parameters reasonable configuration and vibration time, and with the current test method for the analysis and comparison, by experiments, and good results have been achieved.

Keywords: of the cement stable macadam; The vibration test; Analysis; research

中图分类号： U416.214 文献标识码：A文章编号：

目前建成的高等级公路中大部分以上是水泥稳定碎石基层沥青路面，在今后的高等级公路建设当中，它是主要的路面结构形式。但工程实践表明，水泥稳定碎石基层使用效果并不令人满意，主要表现为水泥稳定碎石基层存在严重的收缩裂缝问题，造成沥青路面早期损坏现象。

1 VTM的构造及工作原理

VTM的主要组成部件与工作原理如图1所示。

图I VTM的构造及原理图

VTM主要由三部分构成：控制平台、转动装置和振动系统。控制平台用来调节转动装置工作频率、控制振动时间以及振动系统升降；转动装置主要由电机和分动箱组成。振动系统是VTM最重要的部分，主要由机架、振动实体和压头组成。其中振动实体仿照振动压路机的振动装置设计而成，又分为激振器、上车系统和下车系统。激振器是振动系统核心部件，由两平行振动轴和安装在其上的一组偏心块组成，两振动轴上的偏心块对称布置，每根轴上偏心块由固定偏心块和活动偏块组成，以实现可调偏心矩目的。上、下车系统通过减振块相连，并通过上车的束缚作用使下车得到有规律的振动。当电机工作时，电机单轴转动通过分动箱实现双轴同转速反方向的转动，并带动振动器两组偏心块同速反向转动，使偏心块产生离心力。由于两偏心块反向旋转，因而其高速旋转产生的离心力水平分量相互抵消、垂直分量相互叠加，结果只有垂直振动而没有水平振动，确保VTM设备稳定性和垂直振动压实效果。

2振动参数优化原则及试验方案

2.1工作频率

试验和已有研究表明，当振动频率太低时，不仅压实效果差，而且会引起机身上的紧固螺栓和减震器达到共振，使机器上的零件也因共振而松动或损坏。因此，振动频率一般绝不能低于20Hz。因此，上述特定参数条件下，工作频率大于28Hz时，VTM对水泥稳定碎石压实效果基本趋于稳定。

2.2激振力

VTM在不同静偏心矩（偏心块夹角）、不同工作频率和不同配重时对相同含水量的水泥稳定碎石振动压实2min，初步选取VTM的激振力大于7kN。

2.3静偏心矩

工作频率在25 Hz～35Hz、不同配重条件下，改变VTM静偏心矩（通过改变固定偏心块和活动偏心块夹角实现）对水泥稳定碎石振动压实2min，因此，初步选取偏心块夹角范围在0°～60°（对于应偏心矩为0.215kg•m～0.186 kg•m）。

2.4名义振幅、工作质量

试验采用3种工作频率分别为25 Hz、30Hz和35Hz，三种偏心块夹角（偏心矩）分别为0°、60°和120°，上下车配重按重量比0.6～1原则逐级加载。振动参数不同配置时 VTM对水泥稳定碎石振动效果在不同偏心矩、不同频率下压实效果最优的工作重量中，在工作重量小于2.3kN时，压实效果随着工作重量增大反而急剧减小；当工作重量大于2.3kN时，增大工作重量可显著提高压实效果；在工作质量在2.7k～2.9kN附近压实效果不稳定，在工作质量在2.9k～3.0kN，压实效果达到最佳。因此，VTM作质量可以选取在3.0kN左右。

3 与现场碾压效果相匹配的振动击实时间确定

3.1现场碾压特性研究

试验段水泥稳定碎石基层设计厚度20cm，研究在现有设备、传统碾压工艺下现场碾压遍数与压实效果之间关系。

3.2振动击实时间确定

为了对应现场的碾压情况，在室内确定最大干密度所使用振动击实功能必须接近现场碾压至基层干密度基本不再增加为止时所做的功。在现有碾压设备条件下，现场碾压的功取决于碾压遍数，而在室内VTM振动参数确定情况下，振动击实功能则取决于振动击实时间。在达到同样效果情况下，以振动击实时间越短越好为原则，确定最大干密度所使用振动击实时间初选为100s。

4振动试验方法与旧试验方法对比分析

4.l最大干密度

振动击实试验和重型击实试验目的在于确定最大干密度。在特定材料情况下，最大干密度大小主要取决于击实功和击实方式。因此，室内试验方法所采用击实功及击实方式，能否与现场碾压设备对基层碾压功及碾压机理相匹配，是影响最大干密度最主要因素。

4.2力学性能

振动法试件强度偏差系数一般小于7.0%，平均为5.97%，精密度为3.87%；而静压法强度偏差系数8%～12%，平均为10.05%，精密度为23.5%。这表明振动试验方法精密度高，试验结果稳定、重现性好。

4.3最大干密度和最佳含水量

振动法确定的水泥稳定碎石最佳含水量为重型击实法确定的0.69倍～0.92倍，平均为0.84倍；最大干密度显著提高，为重型击实法的1.014倍～1.045倍，平均为1.028倍。如以振动法确定的最大干密度的98%作为压实度控制标准，则现场密度将达到重型击实法的100%以上。

5结论

（1）本着振动参数取值范围尽量接近于现场振动压路机技术参数工作范围、力求在最短时间内达到最大密实度，且尽量做到与现场碾压对级配影响规律相一致为原则，并尽量考虑振动参数配置对设备零部件使用寿命影响，对表面振动仪（VTM）振动参数进行优化研究，并提出了模拟现场碾压工况和试验方法操作简便快速要求的振动仪振动参数。

（2）以室内振动击实功与现场碾压基层干密度不再增加时所做的功相匹配，在达到同样效果下以振动击实时间越短越好为原则，通过现场水泥稳定碎石振碾特性和室内振动击实特性的研究，提出合理的振动击实时间，并得到了大量实体工程的验证。

（3）分析了重型击实试验方法在击实方式和击实功、含水量确定方法和试验操作过程等方面存在的不足，提出了能较好模拟现场施工过程和碾压效果的振动击实试验方法。

（4）分析了静压成型试件方法在成型方式、对级配及水泥剂量的影响等方面存在的不足，提出了能较好模拟现场施工过程和碾压效果的振动成型试件方法。大量试验结果表明，振动法成型试件的强度基本上与现场芯样强度相吻合，试验结果具有代表性、可靠性和真实性。

（5）振动法比静压法成型的水泥稳定碎石极限抗压强度要大2.5倍～2.8倍，极限劈裂强度大2.3倍～2.5倍；振动法成型试件无侧限抗压强度与劈裂强度之比约9，静压法成型试件无侧限抗压强度与劈裂强度之比约7.5。

（7）实体工程应用效果表明，振动法设计的水泥稳定碎石具有很强的力学性能和抗裂性能，极大地缓解甚至解决了水泥稳定碎石收缩裂缝问题，且具有显著的经济社会效益。

参考文献：

[1] 朱千明，蒋应军等．水泥稳定碎石振动试验方法关键技术研究报告「R．浙江交建路桥工程有限公司，长安大学，2009．

[2] 李美江．道路动压实材料振特性研究[D]．西安：长安大学，2002．

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。