一种水泥稳定碎石室内振动击实试验曲线的优化方法与流程

1.本发明涉及岩土工程室内试验领域，特别涉及一种水泥稳定碎石室内振动击实试验曲线的优化方法。


背景技术：

2.水泥稳定碎石由于具有早期强度高、整体性强、稳定性好等优点，被广泛用作我国高等级公路基层和底基层填料。最佳含水率和最大干密度是水泥稳定碎石基层或底基层配合比设计和压实标准的两项重要指标，其最佳含水率用来指导施工现场的拌和用水量，最大干密度用作配合比设计阶段的试件成型和确定基层或底基层碾压后现场计算压实度的标准。因此，水泥稳定碎石最佳含水率和最大干密度的准确性对于其配合比设计以及现场碾压的施工质量均有重大的影响。
3.20世纪80年代起，国内外通常采用室内重型击实、静压成型试件的试验方法来确定其最佳含水率及最大干密度。但随着我国公路交通量的增大和压实机械设备的改进，我国水泥稳定碎石铺筑现场压实工艺已发展为以调频调幅式的振动压路机为主，室内重型击实、静压法成型试件的试验方法不能真正模拟现场的施工压实工艺。大量研究成果也表明，相较于室内重型击实、静压法成型试件的试验方法，采用室内振动击实、振动成型试件的试验方法能够更好地模拟水泥稳定碎石基层或底基层的现场实际碾压工况，为现场施工提供更好的技术指导。
4.目前，在我国现行的《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtg e51)中，普遍采用5点击实法绘制二次凸形击实曲线，曲线的峰值点对应的含水率和干密度即为水泥稳定碎石的最佳含水率和最大干密度。但处理试验数据时常遇到击实曲线线型不理想（尤其是，当预定的含水率间距大于1%时，高水泥剂量(≥5%)下的振动击实曲线随含水率增加而逐渐呈现试验点“聚积”现象），需要进行补点试验甚至重做试验。显然，击实试验是一种费时、费工、费料的试验，进行补点试验或重做试验会显著增加试验时间和试验成本，影响工程进度。此外，后期提出的振动击实试验中击实曲线的绘制主要是参照重型击实试验进行的，但两种击实试验原理和方法存在显著差异，振动击实下的水泥稳定碎石的干密度对含水率敏感性更高，若完全参照重型击实曲线的方法绘制振动击实曲线，通常会导致得到的水泥稳定碎石振动击实曲线存在线型不理想、规律不明显的问题，严重影响了最佳含水率和最大干密度的快速获取和准确性。因此，提出一种水泥稳定碎石室内振动击实曲线的优化方法，快速准确地绘制出规律性好的振动击实曲线，成为一项重要而迫切的工作。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有方法获得的高水泥剂量（≥5%）下水泥稳定碎石振动击实曲线普遍存在线型不理想、规律不明显的缺陷，提出了一种水泥稳定碎石室内振动击实试验曲线的优化方法，该方法能够快速准确地绘制出规律性更好的水泥稳定碎石振动击实曲线，从而有效避免进行补点试验或重做试验，大大节约试验时间和试验成本，提高试验
效率，且该方法获取的试验数据准确可靠，方法易于推广，适合在基建工程中大规模应用。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供了一种水泥稳定碎石室内振动击实试验曲线的优化方法，包括以下步骤：s1、将集料按预定的混合料级配混合均匀，得到混合集料；s2、根据水泥稳定碎石所在层位，选取预定水泥剂量和不少于5种的预定含水率，并采用外掺法分别计算需要掺入的用水量和水泥用量；所述预定水泥剂量为5%～7%；所述预定含水率至少有两个大于以及两个小于最佳含水率，所述预定含水率间距相同且相邻预定含水率间距相差0.5%；s3、在混合集料中加入预定量的水后，进行闷料；闷料完成后，加入预定剂量的水泥，拌和均匀后，制成水泥稳定碎石试件；s4、采用振动击实仪对水泥稳定碎石试件进行室内振动击实试验，试验结束后，采用烘干法测定水泥稳定碎石试件的含水率和干密度，得到预定水泥剂量下不同预定含水率的水泥稳定碎石试件的含水率和干密度；s5、选取试验得到的至少5种预定含水率的水泥稳定碎石试件的含水率和干密度，并以含水率和干密度为横、纵坐标，利用二次曲线拟合的方法绘制得到水泥稳定碎石的振动击实曲线。
7.其中，优选的，s1中，所述的集料包括粗集料和细集料，且集料规格不少于5档；优选的集料种类，能保证粗、细集料间相互紧密嵌挤，有利于绘制符合级配要求的混合料合成级配曲线。
8.其中，s1中，所述的集料先进行烘干和筛分处理；通过烘干和筛分处理，使集料的粒径更均匀，水分含量少，对试验结果的影响小，能提高试验结果的准确性。
9.其中，s2中，所述的预定水泥剂量是指现有的水泥稳定碎石用作路面基层或底基层时的水泥掺量；在本发明规定的水泥掺量范围内，具有对振动击实曲线的优化效果更好，试验结果准确性更高的优点。
10.其中，优选的，s2，所述水泥稳定碎石的预定含水率为4.0%～7.0%；优选的预定含水率范围内，对振动击实曲线的优化效果更好，试验结果的准确性更高。
11.其中，s2中，所述水泥稳定碎石的最佳含水率的工程经验值为5.0%～6.0%。
12.其中，优选的，s3中，闷料的时间为1～3h；优选的闷料时间，使得到的试验结果更准确。
13.其中，优选的，s3中，所述水泥稳定碎石试件采用四分法进行制备；优选的制备方法，使得到的试件差异性更小，混合集料更均匀，试验结果更准确。
14.其中，优选的，s3中，所述水泥稳定碎石试件为φ15cm
×
h15cm的圆柱体试件。
15.其中，优选的，s4中，水泥稳定碎石试件制成后，应在1h内完成振动击实试验；超过1h的试件，应予以作废；优选的操作规范，能提高试验结果的准确性。
16.其中，优选的，s4中，在进行室内振动击实试验时，对试件含水率的测定应进行至少两次平行试验，平行试验测得的含水率之差不应超过0.5%，并且以平行试验结果的平均值作为该试件的含水率，含水率结果保留小数点后1位有效数字，计算的干密度结果保留小数点后3位有效数字；否则重新取样进行测试。
17.其中，s4中，在进行室内振动击实试验时，振动击实试验参数参照现行《公路工程
无机结合料稳定材料试验规程》（jtg e51）相关规定进行设定。
18.其中，优选的，s5，在绘制振动击实曲线时，对于振动击实试验过程中试件含水率明显偏大（试件底部大量浆体析出）或明显偏小（试件底部几乎无浆体析出）的数据应舍弃，选取剩余至少5组试验数据进行二次曲线拟合；科学选取试验数据进行曲线绘制，能提高振动击实曲线的规律性。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明提出的一种水泥稳定碎石室内振动击实试验曲线的优化方法，利用预定的含水率间距对不同水泥剂量下振动击实曲线的影响规律，通过针对性地缩小预定含水率间距和控制水泥剂量，并科学选取至少5个试验点进行二次曲线拟合，从而能够得到二次凸形曲线特征规律性更好的水泥稳定碎石振动击实曲线，解决现有方法得到的高水泥剂量（≥5%）下水泥稳定碎石室内振动击实曲线普遍存在的线型不理想、规律不明显的技术问题。
20.2、本发明提出的一种水泥稳定碎石室内振动击实试验曲线的优化方法，能够快速准确地绘制出规律性好的水泥稳定碎石室内振动击实曲线，有效避免振动击实曲线的补点试验或重做试验，从而大大节省人力、物力，提高试验效率，且获取的试验数据准确可靠，方法易于推广，适合在基建工程中大规模应用。
21.附图说明：图1为本发明一种水泥稳定碎石室内振动击实试验曲线优化方法的流程示意图；图2为本发明实施例1中得到的振动击实曲线；图3为本发明实施例2中得到的振动击实曲线；图4为本发明实施例3中得到的振动击实曲线；图5为本发明实施例4中得到的振动击实曲线；图6为本发明对比例1中得到的振动击实曲线；图7为本发明对比例2中得到的振动击实曲线；图8为本发明对比例3中得到的振动击实曲线；图9为本发明对比例4中得到的振动击实曲线；图10为本发明对比例5中得到的重型击实曲线；图11为本发明对比例6中得到的重型击实曲线；图12为本发明对比例7中得到的重型击实曲线；图13为本发明对比例8中得到的重型击实曲线。
具体实施方式
22.下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
23.本发明具体实施方式中，所使用的混合集料为：18wt%规格为20～25mm的碎石；28wt%规格为10～20mm的碎石；17wt%规格为5～10mm的碎石；8wt%规格为3～5mm的碎石；29wt%规格为0～3mm的碎石；所使用的水泥为：p
•
c32.5水泥；
振动击实仪参数设置为：工作频率30hz，名义振幅1.3mm，工作重量3.0kn（上车系统1.2kn、下车系统1.8kn），振动击实时间120s；外掺法计算掺入的用水量：式中：mw为混合集料中掺入的用水量（g）；mn为混合集料的质量（g），其对应的原始含水率为wn（%）；mc为混合集料中掺入的水泥用量（g），其对应的原始含水率为wc（%）；w1为混合集料中预定的含水率（%）。
24.外掺法计算掺入的水泥用量：mc=mn*0.01w2式中：mc为混合集料中掺入的水泥用量（g）；mn为混合集料的质量（g）；w2为混合集料中预定的水泥剂量（%）。
25.重型击实仪参数设置为：击实锤重量4.5kg，落锤高度457mm，锤击速度30次/分，配重块重量24.5kg。
26.实施例1-4：如图1所示，本发明提出的一种水泥稳定碎石室内振动击实试验曲线的优化方法，包括如下步骤：s1、对各档粗、细集料进行烘干和筛分，按预定的级配类型及组成配好各档集料，将各档集料均匀拌制为一份混合料，称取集料总质量；s2、根据水泥稳定碎石所在层位（路面基层），选取水泥剂量和5种预定含水率（4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%），同时采用外掺法分别计算需要掺入的用水量和水泥用量；s3、先将预定量的水均匀地喷洒于混合料中，再将混合料装入塑料袋或密闭容器内浸润2h（闷料），然后将水泥加到浸润后的混合料中人工拌和至均匀状态，拌和均匀后按四分法制备若干个φ15cm
×
h15cm圆柱体试件；s4、采用振动击实仪对水泥稳定碎石试件进行室内振动击实试验，试验结束后，采用烘干法两次平行测定水泥稳定碎石试件的含水率和干密度，得到预定水泥剂量下不同预定含水率的水泥稳定碎石试件的含水率和干密度；s5、选取试验得到的5种预定含水率下水泥稳定碎石试件的含水率和干密度，并以含水率和干密度为横、纵坐标，利用二次曲线拟合的方法绘制得到水泥稳定碎石的振动击实曲线（见附图2（a-d））。
27.根据本技术实施例1-4中得到的振动击实曲线（附图2-5），得出不同水泥剂量下水泥稳定碎石的最佳含水率和最大干密度（二次凸型曲线峰值对应的横纵坐标即分别为同一水泥剂量下水泥稳定碎石的最佳含水率和最大干密度），试验结果见下表。序号水泥剂量（wt%）最佳含水率（%）最大干密度（g/cm3）实施例145.22.429实施例255.32.438实施例365.42.447实施例475.52.455
28.结论：从本技术实施例1-4中得到的振动击实曲线（附图2-5）可以看出，采用本技术的试
验优化方法，能够使预定含水率范围在4.0%～6.0%之间、含水率间距为0.5%的、不同水泥剂量的水泥稳定碎石的振动击实曲线呈现出规律性很好的二次凸形曲线特征，从而有利于快速、准确的获得水泥稳定碎石的最大干密度和最佳含水率。
29.对比例1-4：为了对比本技术试验优化方法对水泥稳定碎石室内振动击实曲线的影响，在水泥剂量相同（4%、5%、6%、7%）的条件下，采用与本发明实施例相同的方法绘制得到了水泥稳定碎石的振动击实曲线（见附图6-9），唯一的区别在于：以外掺法依次添加3.5%、4.5%、5.5%、6.5%、7.5%的含水率于混合料中进行搅拌，即预定的含水率间距为1.0%；并将得到的两种不同预定含水率间距（0.5%、1.0%）的振动击实曲线（见附图2-5、附图6-9）进行比较分析。
30.根据本技术对比例1-4中得到的振动击实曲线（附图6-9），得出不同水泥剂量下水泥稳定碎石的最佳含水率和最大干密度，试验结果见下表。
序号水泥剂量（wt%）最佳含水率（%）最大干密度（g/cm3）备注对比例145.22.424曲线拟合程度较好对比例255.32.407曲线拟合程度较差，有必要进行补点试验对比例36//不能形成规律良好的二次凸形曲线特征，无法直接得到试验结果，需要进行补点试验或重做试验对比例47//不能形成规律良好的二次凸形曲线特征，无法直接得到试验结果，需要进行补点试验或重做试验
31.结论：从对比例1-4中得到的振动击实曲线（附图6-9）可以看，本技术对比例1-4在预定含水率间距1.0%的前提下，得到的水泥稳定碎石的振动击实曲线呈现不同的曲线特征，尤其是在高水泥剂量（6%、7%）下，得到的振动击实曲线显然不能形成规律良好的二次凸形曲线特征，并且随着含水率增加而逐渐呈现试验点“聚积”现象，显著影响了最大干密度和最佳含水率的获得和准确性。由此可知，现有的水泥稳定碎石室内振动击实试验方法中，实际测得的水泥稳定碎石混合料的含水率与预定的含水率之间存在较大的差距，且预定的含水率和水泥剂量越大时，这种差距表现得越明显，得到的振动击实曲线规律性越差。
32.对比本技术实施例1-4（附图2-5）和对比例1-4（附图6-9）中得到的振动击实曲线可知，本技术利用高水泥剂量下的水泥稳定碎石对预定的含水率间距的适用范围更小、敏感性更大的原理，通过针对性的缩小预定含水率间距和控制水泥剂量，并科学选取至少5个试验点进行二次曲线拟合，使得到的水泥稳定碎石振动击实曲线的二次凸形曲线特征规律性得到显著提高，有效避免振动击实曲线的补点试验或重做试验，从而有利于快速、准确的获得水泥稳定碎石的最大干密度和最佳含水率。
33.对比例5-8：为了对比重型击实法和振动击实法对水泥稳定碎石室内击实曲线的影响，参照现行《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（jtg e51）中相关方法，基于预定的含水率间距相同（1.0%）原则，但考虑到重型击实法获取的最佳含水率通常大于振动击实法所得值，按外掺法依次添加4.5%、5.5%、6.5%、7.5%、8.5%的含水率于不同水泥剂量（4%、5%、6%、7%）下的混合料中进行搅拌，然后采用重型击实仪对其进行室内重型击实，基于试验结果绘制相应的重型击实曲线（见附图10-13），并将得到的重型击实曲线（见附图10-13）与相同条件
（水泥掺量、含水率间距）下的振动击实曲线（附图6-9）进行比较分析。
34.根据本技术对比例5-8中得到的重型击实曲线（附图6-9），得出不同水泥剂量下水泥稳定碎石的最佳含水率和最大干密度，试验结果见下表。序号水泥剂量（wt%）最佳含水率（%）最大干密度（g/cm3）对比例546.92.362对比例657.12.366对比例767.22.388对比例877.32.392
35.结论：在相同条件下，采用对比例5-8中的水泥稳定碎石重型击实试验方法能够得到二次凸形曲线特征规律较好的水泥稳定碎石重型击实曲线（附图10-13），而采用对比例1-4中的水泥稳定碎石振动击实试验方法得到的水泥稳定碎石振动击实曲线（附图6-9）却存在试验点“聚积”的问题，也由此可见，在进行高水泥剂量（≥5%）的水泥稳定碎石振动击实实验时，不能直接借鉴现有的重型击实试验方法而得到振动击实曲线，而本技术实施例1-4中的试验方法却能够显著的提高高水泥剂量（≥5%）的水泥稳定碎石振动击实曲线的二次凸形曲线特征规律性，从而有效避免振动击实曲线的补点试验或重做试验。
36.以所述仅为本发明的较佳实施例和对比例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。