第42卷第3期2021年5月
华侨大学学报(自然科学版)
Journal of Huaqiao University(Natural Science)
Vol42No3
大地震电影May2021
DOI：10.11830/ISSN.1000-5013.202007042
振动旋转压实级配碎石制样方法
及力学性能试验
谭波12，杨涛
（1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541004；
2.桂林理工大学广西建筑新能源与节能重点实验室，广西桂林541004）
摘要：为解决级配碎石物理指标和力学指标室内测试结果与工程实际存在差异的问题，利用自主研制的道路材料振动旋转压实仪，通过振动旋压的施力方式模拟压路机实际碾压作用机制，开展级配碎石试件室内制样方法研究.试验结果表明：振动旋转压实试件的密实程度最好，压实密度最高可达2.39g-cm-3；试件压实密度随着旋压压力的增加和压实时间的增长而提高，最终趋于稳定；振动旋转压实试件的弹性模量与加州承载比值（犚cb）最高，抗压回弹模量为354.716MPa，犚cb为328%；振动旋转压实试件的物理、力学指标与工程实测数据接近，说明该制样方法能较好地模拟工程实际.
关键词：级配碎石；振动旋转压实；加州承载比；抗压回弹模量
中图分类号：U414文献标志码：A文章编号：10005013（2021）03032207
Sample Preparation Methods and Mechanical Property
Tests of Graded Crushed Stone Under
Gyratory and Vibration Compaction
TAN Bo12,YANG Tao1
(1.College of Civil and Architectural Engineering,Guilin University of Technology,Guilin541004,China；
2.Key Laboratory of New Energy and Energy Conrvation for Construction in Guangxi,
Guilin University of Technology,Guilin541004,China)
Abstract:In order to solve the result differences between laboratory and in-situ tests of physical and mechanical properties,adopting the lf-developed road material vibration rotary compaction device,the engineering compaction mechanism wassimulatedbythevibration-rotationandcompaction methods thelaboratorystudy onthespecimenspreparationmethodsofgradedcrushedstonewasconducted Testresultsshowthatthespec-imendensityproducedbythevibration-rotationandcompaction methodsisthebest thehighestcompaction density could is2.39g•cm_3；as the vibration-rotation and c
ompaction load level and compaction time in-crea，thecompactiondensityofspecimensincreas，thenbecomesstable；thecompressiveresilientmodulus and California bearing ration(犚cb)values of vibration-rotation and compaction specimens are the highest,the value of compressive resilient modulus is354.716MPa,and the犚cb is328%；the physical and mechanical propertiesofvibration-rotationandcompactionspecimensisclotothein-situtestresults whichshowsthis
收稿日期：2020-07-23
通信作者：谭波（1977-），男，副教授，博士，主要从事路基路面工程及新型建筑材料的研究.E-mail：bbs Z2004@163.
com
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51768015）
第3期谭波，等：振动旋转压实级配碎石制样方法及力学性能试验323
preparation methodscouldproperlysimulatetheactualengineering
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Keywords:graded crushed stone；gyratory and vibration compaction；California bearing ratio；compressive resilientmodulus
级配碎石是一种散体材料，作为柔性基层时，拥有良好的应力分散能力，能有效缓解路面裂缝的产生.我国对级配碎石的应用相对较少，主要原因是室内成型方式与施工实际碾压机理存在差异，使试验结果不能较好地反映工程实际.以往对级配碎石的研究中，采用静压压实法制作试件，然后，测定其强度、抗裂能力、抗疲劳能力等路用性能［1］；采用重型击实法确定最大干密度及最佳含水率.研究表明，静压压实法并不能有效地模拟公路路面实际碾压工况』3］•
针对以上问题，学者对振动成型法和碎石混合料级配进行了研究.常艳婷等⑷在利用振动成型法和静压法对级配碎石抗变形性能的研究中发现，振动压实成型的级配碎石的回弹模量是静压法的1.56〜1.77倍，抗塑性变形能力是静压法的1.52〜1.56倍.王龙等［5］发现级配碎石振动和击实成型方法的物理指标及力学指标具有线性关系，振动成型试件的最佳含水量比击实成型试件平均高1.0%.洪亮等［］对水泥稳定砾石骨料进行振动与击实成型对比试验，指出在相同水泥剂量下，振动成型试件的7d无侧限抗压强度比静压法成型试件高1.2〜1.4倍.Huang等［7］研究发现在沥青混合料振动压实的过程中，振动频率的增加将有效增加沥青混合料中上层的压实度.刘栋等⑻通过研究水泥稳定类材料旋转压实成型，发现旋转压实成型的试件比击实和静压成型试件的压实含水率和矿料级配衰变降低，试件的密度和强度有所提高.以往对振动压实、旋转压实、静压和振动成型的研究都有较深入的分析，但是将
振动、旋转和压实结合起来对碎石混合料成型的研究还比较缺乏.
因此，本文利用自主研制的道路材料旋转振动压实仪，对级配碎石混合料分别进行静压、振动、振动压实、旋转压实和振动旋转压实成型，分析不同成型方式下碎石混合料试件的性能，研究振动旋转压实方式的成型机理，探索一种能有效反映工程实际的级配碎石成型方式.
1原材料及试验仪器
1.1原材料
细骨料采用广西贵港高速公路路用粒径为475mm以下的花岗岩碎石颗粒；粗骨料采用广西贵港高速公路路用花岗岩碎石，粒径范围在475〜53.00mm之间；水为日常饮用水.
试验用级配碎石筛分曲线图，如图1所示.图1中犇为筛孔直径诃为碎石筛分通过率.最大理论密度曲线是根据最大理论密度公式计算得出［］，即犛=(J/J ma x)°5X100%，其中，犱为颗粒粒径；犱吨为最大颗粒粒径；S为粒径犱碎石的最大理论密度通过率.
1.2道路材料振动旋转压实仪
道路材料振动旋转压实仪为新型道路材料压实成型仪器，如图2所示.该仪器能同时实现振动、旋转、
压实3种功能，可使用电脑全程控制，并能将各种试验参数通过仪器传输给电脑.该仪器可将碎石混合料进行多种不同方式压实成型，且能实时输出压实位移变化数据.
100 80规范级配上限筛価过率规范级配下限筛施过率所用碎石级配
最殛论密度丿
60
40
00.0750.6 2.364.759.51926.536.553
D/mm
图1试验用级配碎石筛分曲线图Fig1Screeningcurveofgraded crushedstonefortest 图2道路材料振动旋转压实仪Fig2Road materialvibration rotarycompactiondevice
20 0
324华侨大学学报（自然科学版）2021年
仪器的主要工作性能参数：振动频率为3000次・min-1；振幅为0.6mm；旋转速率为5圈・min-1；施加压力为100〜700kPa（可自由控制）.
1.3道路材料弹性模量、剪切强度测试仪
道路材料弹性模量、剪切强度测试仪为新型道路材料力
学性能测试仪器，如图3所示.该仪器的主要功能是测试成型
试件的抗压回弹模量和剪切强度.
该仪器的主要工作性能参数：竖向压力为0〜100kN；竖
向位移为40mm；加载速率为1,2,4mm•min-1；水平推力为
0〜20kN；剪切速率为0.80,0.02mm•min-1.
图3道路材料弹性模量、剪切强度测试仪
Fig3Resilientmodulusandshear
strengthtestdeviceofroad material
2试验方法
试件模型直径为150mm、高为230mm，采用自研的道路材料旋转振动压实仪，进行级配碎石混合料振动旋转压实成型试验
2.1最佳含水率
振动旋转压实成型方式与传统压实试验有较大差别，其含水率对级配碎石试件的力学性能影响显著[10「11].因此，在测试碎石混合料的最佳含水率时，应先进行试验方法设计和验证.使用规范要求的中值级配，设计试验方法如下：1）将碎石混合料烘干至恒质量，冷却至常温；2）往常温碎石中加入定量自来水，自来水掺入率分别为3.0%,3.5%,4.0%,4.5%,5.0%；3）将拌匀的碎石混合料分两层压实，每层压实4min；4）计算压实后碎石混合料的压实密度，绘制压实密度（p）-含水率3）曲线，如图4所示.
由图4可知：当含水率为4.1%时，碎石混合料的压实密度最大，为2.273g・cm-3.因此，碎石混合料均采用4.1%的含水率.
2.2成型方式设计与验证
不同成型方式的压实位移变化曲线，如图5所示.图5中：△为压实位移"为压实旋转圈数.由图5可知：级
配碎石混合料在振动旋转压实成型方式下的压实位移最大，表明振动旋转压实成型试件具有更好的压实度和更高的压实密度.
图4压实密度-含水率曲线
Fig4Compacteddensity-water contentcurves
图5不同成型方式的压实位移变化曲线Fig5Curvesofcompactiondisplacement underdi f erentforming methods
对各成型方式下的级配碎石混合料试件进行密度测试将级配碎石混合料均分为两层成型，每层均采用200kPa的竖向荷载压力压实4min或振动4min各成型方式下级配碎石混合料的物理参数，如表1所示.表1中：犿, V，分别为混合料的质量、体积和密度.
由表1可知：在5种成型方式下，振动成型试件的密度最低，而振动旋转压实成型试件的
表1各成型方式下级配碎石混合料的物理参数Tab.1Physical parameters of graded crushed stone mixturesunderdi f erentcompaction methods
成型方式犿/g V/cm3p/g•cm-3振动2497.91419 1.76
静压4993.52312 2.16旋转压实4989.12278 2.19振动压实4991.32238 2.23乌鸡汤下奶吗
振动旋转压实4994.72191 2.
劝学原文
28
第 3 期谭波 , 等 ： 振动旋转压实级配碎石制样方法及力学性能试验325密度最高.相较于振动成型、静压成型、旋转压实成型和振动压实成型试件，振动旋转压实成型试件的密 度分别提高了 29. 5% ,5. 6% ,4. 1% ,2. 2%.广西某高速公路施工时使用相同级配和相同材料的路面基 层，其实测密度为2.40 g ・cm -3，可以看出振动旋转压实成型试件的密度更接近施工实测数据.因此, 建议级配碎石混合料采用振动旋转压实成型方式.
2.3撒粉碾压
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为避免级配碎石混合料在振动旋转压实成型过程中出现细集料离析，造成混合料试件上部出现只 有大粒径碎石而缺少细集料的情况，提出预留一部分细集料洒在级配碎石混合料表层的方法.为证明该 方法的合理性，对级配碎石混合料分别进行不预留撒粉压实、预留100 g 撒粉压实、预留200 g 撒粉压实、预留300 g 撒粉压实、预留500 g 撒粉压实试验.其中，撒
粉压实时间为4 min，压实荷载为200 kPa.撒粉压实试验结 果 , 如表 2 所示
试验结果表明：进行撒粉压实后，级配碎石混合料成型试 件的密度得到了提高，最多可提高5% ；级配碎石混合料成型 试件在经过预留撒粉压实后，集料离析情况也得到了改善.综 上，建议采用预留200 g 细集料进行表层洒粉压实的方法.2.4压实时间
Tab2 Resultsofdustingcompactiontests 表2撒粉压实试验结果测试项目p c /g • cm -3不预留撒粉压实 2. 28
预留100g 撒粉压实 2. 34
预留200 g 撒粉压实
古今的成语
2. 39
预留 300g 撒粉压实 2. 37
预留 500g 撒粉压实 2. 32对试验仪器的性能研究发现，随着级配碎石混合料压实时间的增加，级配碎石混合料的压实程度也 增加，级配碎石混合料密度随之增大，但压实时间过长会使级配碎石混合料粒径较大、碎石破碎程度增 加.因此，要选择合理的压实时间.
压实时间主要是根据级配碎石混合料在压实过程中所受压实荷载及压实位移的变化来确定.采用 振动旋转压实成型方式，由道路材料旋转振动压实仪系统反馈的级配碎石混合料的压实荷载、压实位移 的变化曲线，如图6,7所示.图6中：为压实荷载.由图6，可知：在压实过程中，当级配碎石混合料试 件旋转6圈时，其所受压实荷载趋于稳定，稳定在初始设置的200 kPa 左右；而压实位移在级配碎石混 合料试件旋转0〜5圈(0〜1 min)时变化很大，当旋转到20圈(4 min)时，压实位移趋于稳定.因此，设 定
压实时间为级配碎石混合料试件旋转到20
图7压实位移-旋转圈数变化曲线Fig 7 Curvesofcompactiondisplacement androtationnumbers
图6压实荷载-旋转圈数变化曲线
Fig 6 Curvesofcompactionload
androtationnumber 2.5压实荷载
不同压实荷载下，级配碎石混合料成型试件的密度各不相同，为了更好地模拟公路路面实际碾压工 况，级配碎石混合料应达到路面施工的压实度，且还需要保证级配碎石混合料骨架结构不被破坏[12-14]. 压实荷载太大会使一些粒径大的碎石被破坏，从而导致骨架破损；压实荷载太小则不能有效地模拟路面 实际碾压工况.对级配碎石混合料进行不同荷载压实，并预留200 g 细集料在表层撒粉，得到不同压实 荷载下的压实位移变化曲线，如图8所示.当施加压实荷载分别为160,180,200,220,240 kPa 时，测得 混合料的压实密度分别为2. 31,2. 35,2. 39,2. 42,2. 44 g - cm -3.
试验结果表明，当^<200 kPa 时，级配碎石混合料的压实度比较小，密度也比较低；
当压实荷载为
326华侨大学学报（自然科学版）2021年元宵节有什么活动
220,240kPa时，级配碎石混合料的压实度很高，但其顶层粒
径较大的碎石易出现碎裂的情况，引起级配碎石混合料的级
配发生衰变.结合施工实测数据，发现压实荷载为200kPa时,
压实密度更接近施工现场的实测数据.综合以上分析，选择压
实荷载为200kPa.
2.6制样方式
结合试验方案和结果，提出一种较好的振动旋转压实制
样方式，该制样方式适用于花岗岩大粒径级配碎石混合料.级
配碎石混合料使用自 研道路材料旋转振动压实仪进行压实
具体步骤为：1）按级配称取5kg级配碎石混合料，并预留200 g细集料作撒粉用；2）将4800g级配碎石混合料按最佳含水率加水，搅拌均匀后使用保鲜膜密封养护12h；3）将养护好的级配碎石混合料分为2份，分两层压实，每层压实20圈（4图8不同压实荷载下的压实位移变化曲线Fig8Curvesofcompaction
displacementunder
di f erentcompactionloads
min）;4）将预留的200g细料均匀洒在级配碎石混合料表层，并按最佳含水率喷水，压实4min.
3抗压回弹模量与加州承载比（CBR）试验
对不同成型方式的级配碎石混合料试件进行抗压回弹模量和CBR测试.由于振动成型试件的密实度太低，不适宜做抗压回弹模量和CBR试验，故只针对静压压实、旋转压实、振动压实和振动旋转压实成型的级配碎石混合料试件进行试验
3.1抗压回弹模量试验
参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》［15］进行级配碎石混合料抗压回弹模量试验.级配碎石混合料使用自研道路材料旋转振动压实仪并结合节2.6的制样方式制作级配碎石混合料试件，使用道路材料弹性模量、剪切强度测试仪对级配碎石混合料进行抗压回弹模量测试.压实成型后的级配碎石混合料，如图9所示.级配碎石混合料的抗压回弹模量试验仪器，如图10所示.
图9压实成型后的级配碎石混合料Fig.9Graded crushed stone mixture
aftercompaction 图10级配碎石混合料的抗压回弹模量试验仪器Fig10Testinstrumentforcompressiveresilient modulus of graded crushed stone mixture
抗压回弹模量E c的计算式为E c—ph/l.其中，狆为单位压力，MPa；犺为试件高度，mm；为试件回弹变形,mm.计算不同成型方式下压实级配碎石混合料的抗压回弹模量，结果如表3所示.采用的测试
压实荷载为500kPa
由表3可知：不同成型方式下的级配碎石混合料试件的压实密度和抗压回弹模量存在较大差异；振动旋转压实成型的级配碎石混合料试件的压实密度和抗压回弹模量最高，静压压实成型的级配碎石混合料试件的压实密度和抗压回弹模量最低；振动旋转压实成型的级配碎石混合料试件的抗压回弹模量分别是静压压实、旋转压实和振动压实成型试件的2.84,2.25,1.44倍.
表3抗压回弹模量试验结果Tab3Testresultsofcompressive
蛘resilientmodulus
成型方式p c/g•cm-3E/MPa 静压压实 2.16124.739旋转压实 2.19157.725振动压实 2.23246.428振动旋转压实 2.39
354.716
