水泥稳定再生碎石混合料的振动试验研究

周娟，李娟燕

(江西交通职业技术学院，江西 南昌 330013)

1 引言

建筑垃圾可处理加工为再生集料(RA)，实现RA的资源化利用是目前城市固体废物资源化利用中的一项重要内容。在道路工程中，可采用厂拌冷再生技术生产水泥稳定再生碎石混合料(RCR)，用于基层结构。目前，RA处理、RCR配合比设计及其路用性能评价是此领域的研究热点。

JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》(以下简称《细则》)建议确定水泥稳定碎石(CSM)的最大干密度(ρmax)时采用重型击实或振动压实方法，采用静压法成型试件进行强度试验。上述各方法的压实机理存在明显差异，造成CSM设计结果差异较大。重型击实试验往往达不到现场振动压路机的压实功率，压实标准也达不到现场压实水平，现场CSM基层强度往往大于室内静压成型试件。室内振动压实机与振动压路机作业机理相似，通过对CSM表面施加激振力使矿料颗粒间摩擦阻力减小，垂直压力作用下颗粒运动、相互填充，以振动试验标准作为控制CSM设计的指标更接近现场水平。振动试验参数直接影响压实效果，可分为基本参数(静态重量、振动频率和静偏心力矩)和派生参数(激振力、名义振幅、振动加速度、静压力)，其中基本参数可直接调整，不受被压材料影响，派生参数由基本参数组合而成。通过振动参数的调整可优化振动试验，实现室内与现场压实效果的一致性，但振动作用在不同材料内传递及反馈可能不同。李明杰等提出振动频率为30 Hz、激振力为7.6 kN、名义振幅为1.2 mm、振动100 s时CSM的振动效果最佳；蒋应军等对二灰碎石基层的振动参数开展了研究，振动频率为30 Hz、名义振幅为1.2 mm、振动120 s时混合料ρmax与现场所能达到的ρmax相等。

RCR因含高吸水性、抗压碎强度较低的RA，室内与现场振动压实效果可能与CSM有所差异。田振比较了振动与击实试验的压实效果，验证了振动压实较重型击实试验更适用于RCR；蒋应军等基于振动压实法设计了RCR；马融等发现振动压实RCR的抗压强度和弯拉强度分别较静压试件提高50%、30%以上。综上，振动参数受被振动压实仪和被压材料的影响，采用合理振动参数才能使被压材料得到目标压实效果，但针对RCR特性开展振动参数的研究还较少。

该文在对RCR压实效果影响因素分析的基础上确定合理振动参数，并进行振动压实RCR的物理力学性能研究，对比与击实和静压试验的差异，为RCR的设计和性能评价提供参考。

2 试验材料与试验方案

2.1 试验材料

2.1.1 原材料

RA取自江西省某建筑工地，不含钢筋等杂质，经反击式破碎机破碎、试验室筛分处理后得到粒径范围为0～4.75、4.75～9.5和9.5～31.5 mm 3档。石灰岩集料取自江西省某石料厂。RA和石灰岩集料的基本物理力学性能测试结果见表1，试验依据JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》进行。由表1可见：RA的含泥量高于石灰岩集料，且粒径越小、含泥量越高，平均约为石灰岩集料的6.7倍；RA的针片状颗粒含量与石灰岩集料相差不大；RA的吸水率、压碎值、表观密度平均约为石灰岩集料的8.0、1.4和0.8倍。可见，RA与石灰岩集料物理力学性能的差异主要体现在吸水性、抗压碎强度和洁净程度。水泥采用P.O.32.5级。

表1 RA和石灰岩集料的基本性能测试结果

2.1.2 混合料

依据《细则》中CSM设计级配范围(表2)确定RA和石灰岩集料的矿料配合比(表3)，RCR含有RA的掺量为30%、50%，分别记为RCR-30、RCR-50。各组混合料的合成矿料级配见表2。各组混合料的水泥用量固定为4.5%。

表2 设计级配范围和矿料组合级配

2.2 振动压实仪和振动参数

试验用垂直振动压实仪主要由控制平台、转动装置和振动系统3部分组成，满足JTT 977-2015《室内振动压实机》的要求。控制平台可调节振动频率、振动时间和上下车系统升降；转动装置由电机和分动箱组成；振动系统由激振器、上下车和振动锤等组成。试验振动参数首先应保证混合料压实密度和矿料级配接近现场压实效果，且试验力求便捷，能在尽量短时间内达到目标压实效果，同时也应保证振动压实仪的使用寿命，不对试验仪器造成损坏。

JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T0842-2009提出调节上下车配重块数(工作重量M)、偏心块夹角α(偏心距)和变频器频率等基本参数优化振动参数，振动频率(f)、名义振幅(A0)和激振力(F0)3个派生参数计算公式如下：

(1)

(2)

F0=mdA0(2πf)2

(3)

式中：T为振动周期(s)；n为激振器转速(r/min)；Me为静偏心距(mm)；md为下车质量(kg)；f为偏心块转轴的转动频率，受振动体质量和被压材料刚度影响；A0为振动锤的实际振幅，受被压材料刚度影响，A0增大可提高振动压实效果，但过大会造成过压，由式(2)可见只要偏心距确定，A0取决于md；F0由偏心块旋转时的离心力形成，由式(3)可见，F0取决于md、A0和f。广义的振动参数除了振动仪本身的机械参数还包括振动时间t，t越长，振动压实能量也越高。

JTG E51-2009建议选用md/M为0.6、F0为6.8 kN(偏心夹角60°)、f为28～30 Hz的振实条件。该文振动试验采用的最大t为160 s，f为20～38 Hz；并采用f为25、30或35 Hz，α为0°、60°或120°、不同上下车配重块(M为220～302 kg)获得9组不同F0(2.7～10.4 kN)和A0(0.7～1.2 mm)。

2.3 试验方法和试验方案

参照JTG E51-2009中T0842-2009进行CSM和RCR的振动试验，确定最佳含水率(wopt)和最大干密度ρmax。以wopt、98%压实度振动成型圆柱体试件(直径150 mm×高150 mm)，振动成型中梁试件存在困难，以振动试验结果依据T0843-2009静压成型中梁试件(长400 mm×高100 mm×宽100 mm)。分别依据T0845-2009、T0805-1994、T0806-1994、T0854-2009进行试件养生、7 d无侧限抗压强度Rc、28 d劈裂强度Ri和干缩试验。另外，分别依据T0804-1994和T0843-2009进行CSM和RCR的重型击实和静压试验，试件养生、Rc、Ri、干缩试验方法同上。

无论室内还是现场压实CSM均会产生不同程度的矿料破碎现象，从而影响实际矿料级配。将压实后的混合料进行分散、冲洗后测试各级矿料通过百分率，计算31.5、19、9.5、4.75和2.36 mm通过百分率前后差值及其总和∑m，以此分析压实造成的级配衰变情况。

3 试验结果及分析

3.1 振动参数对压实效果的影响

3.1.1 振动时间

以预估wopt添加拌和水，f=30 Hz、α=60°、M=300 kg、tmax=160 s进行振动试验，分析混合料干密度ρ随t的变化，试验结果见图1。

图1 干密度ρ与振动时间t的关系

由图1可知：当t=0时3种混合料ρ存在差异，其原因与装料、原材料密度有关，之后ρ随t的变化均可分为两个阶段：①ρ随t迅速增大，CSM、RCR-30和RCR-50的t转折点分别为20、30和40 s。振动过程是压实能量作用于混合料的过程，t越长表明压实所需能量越高，可见RA掺量越高，ρ达到相对稳定状态所需的t越长、压实能量越高，这与RA颗粒更粗糙、棱角更明显有关，其翻转、运动所需压实能量也较高；②ρ随t近似呈线性变化，100 s之后ρ的增长幅度已很小，表明混合料骨架结构已相对稳定。另外，振动60 s左右时试模底部有溢浆现象，混合料内多余水分排出，100 s后溢浆现象已不明显，剩余水分起到润滑作用，接近混合料的压实含水率；t过短，试件下部较疏松、密实程度低，t延长试件上下部密实程度逐渐接近，为保证试件压实的均匀性应保证足够振动时间，在达到同样压实效果情况下振动时间越短越好。综上可知，CSM和RCR的振动试验均可采用t为100 s。

3.1.2 振动频率

采用t=100 s、α=60°，M=300 kg、变化f进行振动试验，分析f对混合料ρ的影响，结果见图2。

图2表明：3种混合料的ρ随f的变化规律相似。f=20 Hz时ρ最小，此时振动压实仪的工作振幅小，振动锤与试件表面接近；f为20～23 Hz时，ρ迅速增大，此阶段工作振幅随f增加而提高至静重，振动锤跳离试件表面振动，压实效果明显增强；f为23～29 Hz时，ρ在一定范围内波动，这主要是由矿料颗粒翻转、相对运动造成的；f为29～38 Hz时，ρ基本维持为固定值，仅有微小的变化。可见，f对CSM和RCR的振动压实效果没有明显差异，可分为上述3个阶段，即第1、2阶段(f≤29 Hz)分别为振动压实效果的迅速增大、不稳定阶段，此时压实效果较差，且容易引起振动压实仪部分零部件的振动，对压实仪存在损坏作用；第3个阶段(f>29 Hz)可认为压实效果相对稳定。据此，RCR与CSM的振动试验f均采用30 Hz。

图2 干密度ρ与振动频率f的关系

3.1.3 名义振幅

采用振动时间t=100 s，变化M、f和α进行振动试验，分析名义振幅A0对ρ的影响，结果见图3。

图3表明：A0对CSM、RCR-30和RCR-50混合料ρ的影响规律相似。A0为0.78 mm左右时，3种混合料的ρ均最小，表明压实效果最差，这主要是因为此时未施加配重块，上下车系统重量为空载重量约220 kg；A0小于0.78 mm或大于0.78 mm，ρ均增大，但A0大于0.78 mm时ρ变化更稳定，尤其是A0大于1.1 mm之后。另外，振动压路机压实基层的A0为0.8～2.0 mm，A0过大可能造成试件表面出现过压，还可能导致振动压实仪的上车系统振幅增大，影响压实仪的工作性能，因此A0不宜过大。综上可得，CSM和RCR振动压实的A0均采用1.2 mm。

3.1.4 激振力

采用振动时间t=100 s，变化M、f和α进行振动试验，分析激振力F0对ρ的影响，结果见图4。

图4 干密度ρ与激振力F0的关系

由图4可见：F0对CSM、RCR-30和RCR-50混合料ρ的影响规律相似。F0≤5.3 kN时，3组混合料的ρ均随F0快速增大，表明此时压实效果对F0较为敏感；F0为5.3～7.5 kN时，3组混合料的ρ存在小幅波动，表明振动压实效果仍处在不稳定阶段；F0≥7.5 kN之后，ρ随F0增大变化已很小，表明振动压实达到相对稳定状态。可见，F0对混合料压实效果的影响与振动频率f(图2)相似。均存在3个变化阶段。为保证振动压实效果，应以达到稳定压实阶段的F0作为振动参数。另外，过大的F0会浪费压实能量，并不会使混合料的压实效果继续增大。因此，CSM和RCR的振动试验F0均采用7.5～8.0 kN。

3.1.5 工作重量

采用振动时间t=100 s，变化M、f和α进行振动试验，分析M对ρ的影响，结果见图5。

图5 干密度ρ与工作重量M的关系

由图5可见：M≤250 kg时，3组混合料的ρ均随M迅速增大，表明此阶段增大M可显著提升压实效果。M为250～275 kg时，ρ均随M的变化很小，表明此阶段增大M对压实效果的作用不大。M为275～300 kg时，ρ均随M呈波动变化，可见M增大对压实效果的作用不定，这是因为M是上下车系统重量的综合体现，且M对A0、F0存在影响[见式(2)、(3)]，M增大时A0增减未定，振动压实能量则可能增加或减小，如图5中M为275、291 kg时ρ出现突变，这是因为F0不同。综合来看，M为300 kg时ρ的波动幅度已明显减小，即压实效果达到了相对稳定状态。综上所得，CSM和RCR的振动试验M可选为300 kg，此时上车、下车重量分别为180、120 kg。

3.2 振动压实、击实和静压试验结果的对比

3.2.1 压实标准

上节研究表明CSM和RCR可采用相同振动参数，该节采用确定的振动参数进行振动试验。

振动和重型击实试验确定的压实标准结果如表4所示。

表4 振动与重型击实试验的压实标准结果对比

3.2.2 力学强度

振动与静压成型试件的抗压强度Rc和抗折强度Ri试验结果见表5。

表5 振动与静压成型的强度试验结果对比

3.2.3 收缩特性

3.2.4 矿料级配

振动、击实和静压试验前后关键筛孔(4.75、9.5和19 mm)通过率以及各级筛孔级配变化总和∑m见表7。

表6 振动与击实试验压实标准静压成型试件的干缩试验结果对比

表7 振动与击实、静压试验的矿料衰变对比

由表7可见：与设计级配(表2)相比，各压实方法的各级筛孔通过百分率均有所增大，这表明矿料发生破碎、合成矿料级配增粗。RA掺量增加，各压实方法关键筛孔的通过率、∑m均呈增大趋势，即矿料级配衰变越严重，振动压实RCR-50的∑m为CSM的214%，这与RA抗压碎强度较低有关。对于相同混合料，振动试验的∑m最小，静压试验的∑m″略大于击实试验的∑m′，且∑m/∑m′、∑m/∑m″随RA掺量增加而增大，这表明振动试验对矿料级配的影响小于击实和静压成型，且振动压实方法对于降低高RA掺量的RCR矿料级配衰变有利，这是因为振动压实中激振力降低了压实过程中RA颗粒间摩阻力及RA承受的压力。综上可得，试验振动参数对矿料级配衰变的影响较小，验证了振动参数的合理性，同时也验证了3.1.1节和3.1.2节推断的正确性。

4 结论

(1)RA的吸水性、抗压碎强度和洁净程度与天然集料的差异较大，RA的含泥量、吸水率、压碎值、表观密度平均约为石灰岩集料的6.7、8.0、1.4和0.8倍。

(2)振动试验的t、f、F0增大或A0大于0.78 mm，混合料ρ整体增大，ρ随f、F0的变化可分为迅速增大、波动和相对稳定3个阶段，M增大时振动压实能量则可能增加或减小，对压实效果的作用不确定。

(3)RA掺量越高，RCR的ρ达到振动压实稳定状态所需振动时间越长、压实能量越高。f、A0、F0和M对RCR和CSM振动压实效果整体影响相近，可采用相同振动参数，建议t=100 s、f=30 Hz、A0=1.2 mm、F0=7.5～8.0 kN、M=300 kg。

(4)与击实和静压法相比，振动试验确定的RCR的wopt、εd、∑m较低，而ρmax、Rc、Ri较大。RA掺量越高，RCR的Rc、Ri越小，εd、∑m则越大，振动压实RCR-50的wopt、ρmax、Rc、Ri、εd、∑m分别约为CSM的150%、87%、83%、82%、116%和214%，同时振动试验对于保证RCR的力学强度、降低干缩变形和矿料级配衰变的优势越明显。该文仅对室内振动试验参数开展了研究，尚需结合RCR的现场振动压实效果验证振动参数的合理性。