水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)變異與預(yù)控

水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)變異分析與預(yù)控摘要:水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度變異性主要表現(xiàn)在試件強(qiáng)度單值波動(dòng)范圍大，精確度低。本文從影響強(qiáng)度變異產(chǎn)生的原因入手分析，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)試驗(yàn)操作過程要點(diǎn)、方法步驟、注意事項(xiàng)等方面進(jìn)行了分析，提出了降低試驗(yàn)結(jié)果變異系數(shù)，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度的方法。關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)變異系數(shù)引言水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度是路面結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢查驗(yàn)收中的一個(gè)重要控制指標(biāo)?！豆饭こ虩o機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ057－94）對(duì)強(qiáng)度的試驗(yàn)方法和步驟作了詳細(xì)的表述。規(guī)定強(qiáng)度試驗(yàn)是用靜力壓實(shí)法將材料制成標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件后測(cè)定受壓破壞極限值。按照此方法進(jìn)行試驗(yàn)，往往測(cè)得同組內(nèi)每一個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度數(shù)值，單值波動(dòng)范圍大，試驗(yàn)精度降低，變異系數(shù)增大，甚至超出規(guī)范要求。本文對(duì)其變異性的影響相關(guān)因素進(jìn)行了分析，提出了有效控制強(qiáng)度試驗(yàn)變異的方法和控制措施。1變異系數(shù)Cv數(shù)理統(tǒng)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)偏差S與樣本的平均值X的比值為變異系數(shù)Cv.Cv是來表征數(shù)據(jù)的變異波動(dòng)的程度，反映樣本隨機(jī)變量的不穩(wěn)定性?？捎孟旅娴墓奖硎?Cv＝S／X表1水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度變異情況統(tǒng)計(jì)表數(shù)值項(xiàng)目無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（中中試件）樣本數(shù)/組平均值／Mpa標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)／％石安高速公路393．80.2486.5309國道武涉段段444.20.3899.3國道106線邯鄲段374．40.4109.3表1為三條重交通量的高等級(jí)公路的路面基層強(qiáng)度抽樣調(diào)查結(jié)果。數(shù)據(jù)表明強(qiáng)度的變異性在路面基層試驗(yàn)檢測(cè)中客觀存在?，F(xiàn)行規(guī)范對(duì)不同尺寸的成型試件的變異系數(shù)作了硬性規(guī)定見表2。如果超出控制范圍的將增補(bǔ)試驗(yàn)數(shù)量，滿足試驗(yàn)結(jié)果的精度要求。表2規(guī)范規(guī)定允許偏差系數(shù)值試件類型大試件中試件小試件變異系數(shù)Cv／％％≯20≯15≯102強(qiáng)度變異原因分析2.1現(xiàn)場(chǎng)采樣的隨機(jī)性，增大了變異程度。制作試件所用的拌和料是在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)路段,采用隨機(jī)選點(diǎn)的方法來確定位置取樣，規(guī)范要求用于制件的拌和料應(yīng)分別制取,不得作任何人為傾向性的加工處理，以最小的試驗(yàn)數(shù)量現(xiàn)場(chǎng)制件成型組成一組試件。由于用于制備試件的拌和料采樣的隨機(jī)性和材料本身的不均勻性，使各試件中水泥劑量、級(jí)配、含水量存有差異,在一定程度上增大了強(qiáng)度變異。2.2同組試件的水泥劑量不盡相同。表現(xiàn)在同組每個(gè)分樣試件，實(shí)測(cè)各樣劑量與施工控制劑量有差異，各樣之間的劑量也不盡一致。對(duì)某一級(jí)公路水泥穩(wěn)定碎石基層的同一配比實(shí)測(cè)8組水泥劑量與強(qiáng)度試驗(yàn)（每組9個(gè)試件），共72對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析匯總情況見表3。表3水泥劑量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系數(shù)據(jù)表試件編號(hào)水泥劑量(%)抗壓強(qiáng)度（Mpaa）設(shè)計(jì)值實(shí)測(cè)值15.35.34.525.44.735.54.9·········725.44.8水泥劑量是影響水泥碎石強(qiáng)度的主要因素，水泥劑量的多少與強(qiáng)度高低有良好的直線關(guān)系。從表3中也可以看出：抗壓強(qiáng)度隨著水泥劑量的增加而增加。不同水泥劑量微小變化也引起強(qiáng)度變異，變化幅度在0.2～0.3Mpa／0.1％。拌和現(xiàn)場(chǎng)水泥劑量控制不穩(wěn)定，與實(shí)際控制值有較大偏差，同組試件中強(qiáng)度單個(gè)測(cè)值離散性容易變大，將會(huì)造成變異系數(shù)也隨之增大。2.3成型試件的質(zhì)量損失成型試件所用的材料計(jì)算質(zhì)量與試件成型后質(zhì)量之間的差值定義為試件質(zhì)量損失。造成質(zhì)量損失有主觀和客觀兩個(gè)方面的原因，包括試件制作過程中的水份損失和材料本身質(zhì)量損失。水份損失有三種方式：（1）水份的自然蒸發(fā)損失。蒸發(fā)損失量與所處的試驗(yàn)室溫度、通風(fēng)條件等環(huán)境因素有關(guān)，并隨著試驗(yàn)工作環(huán)境影響變化而不斷變化。（2）水泥的水化反應(yīng)過程。從摻加、拌合到成型試件，時(shí)刻都發(fā)生水化反應(yīng)，形成結(jié)合水化物。（3）試驗(yàn)容器（塑料袋、試模、料斗等）表面吸附水份的損失。材料本身損失有兩種方式：（1）試件脫模后與成型稱重前，試件本身的毛邊、掉角料。（2）試驗(yàn)容器在裝料、脫模時(shí)本身附帶的部分細(xì)料。試驗(yàn)操作經(jīng)驗(yàn)表明：水分和材料本身的損失，往往是同時(shí)發(fā)生和形成的，相互疊加使試件成型質(zhì)量減少。按150×150×150MM中試件計(jì)算，即使在規(guī)范規(guī)定的1小時(shí)完成一個(gè)成型試件，也有20～40克的質(zhì)量損失，成型試件中材料實(shí)際用量減少，實(shí)測(cè)壓實(shí)度降低。2.4試件尺寸不標(biāo)準(zhǔn)，影響試件壓實(shí)度和強(qiáng)度試模的幾何尺寸誤差在強(qiáng)度試驗(yàn)中客觀存在，試模直徑和成型后試件高度是影響強(qiáng)度指標(biāo)變異的主要因素。對(duì)于試模直徑可以直接量測(cè)，并在試驗(yàn)計(jì)算中考慮予以校正。對(duì)于成型試件的高度主要取決于試模的高度和上下壓塊的厚度，以及壓力機(jī)（反力框架）上下壓板與試模接觸面的水平受力情況和空隙大小。制作一組試件，采用的試模不同或不匹配成套,也會(huì)影響到試件的高度。試件成型后用游標(biāo)卡尺量測(cè),每一個(gè)試件的高度仍是不確定的變值。由于上述客觀條件的局限,準(zhǔn)確控制高度在實(shí)際工作中很難做到,成型試件實(shí)測(cè)高度與標(biāo)準(zhǔn)高度總有差異,二者在-0.2～+1.0cm范圍波動(dòng)。以某高速公路為例，水泥穩(wěn)定碎石混合料最大干密度為2.319g/cm3，壓實(shí)度不小于98％，最佳含水量5.8%。攤鋪現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)布點(diǎn)取樣9個(gè)，制作一組試件，測(cè)得7天抗壓強(qiáng)度。每一個(gè)成型試件的材料用量，可用下列公式（1）計(jì)算：M1＝0.7854D2PdmaxH1K1(1+W)（1）式中：D－試模實(shí)測(cè)直徑,mmPdmax-制件時(shí)的最大干密度,g/cm3H1－試件高度（15）,cmK1－規(guī)定壓實(shí)度，％W－實(shí)測(cè)含水量，％試件編號(hào)S-1S-2S-3S-4S-5S-6S-7S-8S-9試筒直徑/cm15.0015.0115.0115.0015.0115.0115.0015.0115.01實(shí)測(cè)含水量/%6.86.76.76.86.66.96.76.66.8預(yù)定材料用量M11／g643464366436643464306448642764306442成型后試件質(zhì)量MM2/g640364006405640564086410640064116395成型后試件高度HH2/cm15.0615．0215．014．9715．0115．0715．0515．0915．047天抗壓強(qiáng)度R（MMpa）3．733．933．813．864．033．733．533．713．91試件實(shí)際壓實(shí)度KK2/%97.197.397.597.897.697.097.397.197.0K2平均值/%97.3表4抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的實(shí)際壓實(shí)度計(jì)算結(jié)果假設(shè)試件成型后為理想狀態(tài)的等密度均勻?qū)嶓w。成型后質(zhì)量M2，實(shí)測(cè)平均高度H2，根據(jù)試件質(zhì)量損失量關(guān)系知M2<M1,D值可以直接測(cè)得,設(shè)為定值。已知成型后試件質(zhì)量，可以將公式(1)可以反向推導(dǎo)出成型后試件實(shí)際壓實(shí)度與實(shí)測(cè)高度的關(guān)系式(2)，利用表4相關(guān)數(shù)據(jù)，可將實(shí)測(cè)M2和H2，代入到公式（2）中，計(jì)算實(shí)際壓實(shí)度值K2。K2=M2/0.785398（1+W）D2H2Pdmax（2）式中:K2-成型試件的實(shí)際壓實(shí)度,%M2-成型試件后的質(zhì)量，gH2-成型后試件實(shí)測(cè)高度,cm表4中計(jì)算結(jié)果表明試件高度對(duì)試件的壓實(shí)度有顯著影響，二者成反比關(guān)系。成型試件高度取值高于標(biāo)準(zhǔn)高度15cm，就不能夠達(dá)到預(yù)定的干密度，壓實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，增加了強(qiáng)度變異性。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明試件高度每增大0.1mm，造成試件實(shí)際壓實(shí)度降低約0.1％～0.2％，強(qiáng)度也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，變異程度相對(duì)增大。2.5材料的級(jí)配組成變化從材料的取樣到成型的過程中，每一次對(duì)材料的擾動(dòng)都易影響內(nèi)部級(jí)配的細(xì)小變動(dòng)，每個(gè)成型試件的級(jí)配變動(dòng)，也將影響到試件的密實(shí)度，從而反映強(qiáng)度試驗(yàn)值的波動(dòng)變化。3．強(qiáng)度變異的預(yù)控方法和控制措施3．1增強(qiáng)混合料的拌合均勻性。拌合料要分層分次進(jìn)行，裝料時(shí)不能夠人為地將大料集中放在試模的中部或底部，避免大料或小料過多的集中。要盡量使各組試件的材料變化趨于穩(wěn)定一致，減少試件密度的不均勻性。3.2試件的高度的適度控制和確定可以通過不同的制件方法解決試件高度不易準(zhǔn)確控制的難題。在上壓塊上加墊片，是一種實(shí)用性強(qiáng)效果好的方法。既在上壓頭放置直徑5cm（可視壓頭實(shí)際情況而定）的圓形墊片，墊片可以用不同厚度的鋼板（白鐵皮），墊片厚度由通過預(yù)先制件的試驗(yàn)結(jié)果來確定。不同試模應(yīng)有不同的厚度墊片，二者應(yīng)配套并標(biāo)注清楚。試驗(yàn)操作過程中，將墊片和上壓頭一并均勻壓進(jìn)試筒內(nèi)，確保試件中心和干密度對(duì)稱變化,保持同樣的等密度壓實(shí)狀態(tài)。如果上下壓板不平行，不能夠處于水平狀態(tài)，加壓時(shí)容易造成試件高度不一致,需要及時(shí)解除壓力旋轉(zhuǎn)試筒重新調(diào)整后繼續(xù)加壓。通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，試件高度控制在150.0mm～150.5mm之間較佳。因此，計(jì)算一個(gè)試件所需材料用量時(shí)應(yīng)采用試模直徑實(shí)際尺寸和調(diào)整高度的方法確定。3．3適當(dāng)補(bǔ)償試件的損失量要充分考慮在試件成型過程中的水份和材料的損失量，也要考慮試件高度變值所引起的材料增加量?！鱉=M1-M2+M3+M4（3）式中:△M----試件補(bǔ)償?shù)膿p失量,gM1----預(yù)定計(jì)算材料質(zhì)量,gM2----成型后試件質(zhì)量,gM3----試件高度影響所造成的增加量,gM4----成型試件邊角料質(zhì)量,g△M值應(yīng)根據(jù)不同的試模尺寸試驗(yàn)預(yù)估所得，并在試驗(yàn)過程中及時(shí)調(diào)整和修正。按照M（M1+△M）值稱重每個(gè)試件的質(zhì)量,實(shí)測(cè)成型試件高度H2,并以實(shí)際壓實(shí)度K2控制在規(guī)定值0～＋0.3％范圍為宜。水泥穩(wěn)定碎石的中試件一般補(bǔ)償約20～40克。3.4嚴(yán)格試驗(yàn)操作方法的規(guī)范性和仔細(xì)程度。（1）規(guī)范要求在1小時(shí)完成從拌合開始到完成成型試件。如果條件允許，要盡量縮短用時(shí)，進(jìn)一步滿足制件過程的時(shí)間要求。（2）減少水分和材料損失量。充分考慮試驗(yàn)環(huán)境條件，采取對(duì)拌合料和試件密封操作，試模預(yù)先用濕布擦拭補(bǔ)償?shù)缺Ｗo(hù)措施。（3）要認(rèn)真制作試件，規(guī)范加壓，保持兩頭壓塊壓進(jìn)速度要均勻。試件破壞時(shí)數(shù)值，要實(shí)現(xiàn)智能化電子數(shù)碼計(jì)值顯示，減少人為因素影響。（4）要熟悉和掌握試驗(yàn)基本原理和技術(shù)要求，提高試驗(yàn)人員操作的熟練程度和水平。4結(jié)語4.1通過本文的研究,可以看出材料的現(xiàn)場(chǎng)取樣、材料本身的劑量和級(jí)配、制件過程中的質(zhì)量損失等方面是抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)變異的根源，對(duì)抗壓強(qiáng)度的變異性能有顯著影響。4.2統(tǒng)一試驗(yàn)環(huán)境狀況和試驗(yàn)操作狀態(tài)，可以減少強(qiáng)度變異的可能性。施工現(xiàn)場(chǎng)取樣、室內(nèi)試驗(yàn)操作、試驗(yàn)中間過程、養(yǎng)生條件等方面，都要盡量滿足同等條件下的同一性要求。4.3依據(jù)本文提出的強(qiáng)度變異預(yù)控方法和措施，能夠簡(jiǎn)捷有效控制強(qiáng)度試驗(yàn)變異程度，從而提高強(qiáng)度的準(zhǔn)確度，降低了試驗(yàn)的變異系數(shù)，滿足規(guī)定試驗(yàn)精度要求。大量的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，與規(guī)范方法比對(duì)，變異系數(shù)較預(yù)控前降低了2％～4％。4.4造成強(qiáng)度變異的不確定和隨機(jī)因素很多，這都將對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)變異性產(chǎn)生不同的影響。本文僅針對(duì)試驗(yàn)具體操作方面進(jìn)行了淺顯的分析，對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生的力學(xué)等方面的影響因素進(jìn)行深入的理論和試驗(yàn)研究也是非常有必要的。4.5本文僅僅針對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的變異特征進(jìn)行了分析和研究，提供一些參考方法和保證措施，對(duì)于類似其