王 龍,解曉光

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090)

半剛性基層配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)是路面工程的一門(mén)輔助課程,是道路與軌道工程專(zhuān)業(yè)本科生必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課,學(xué)時(shí)為2周。該課程要求學(xué)生參照相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求,通過(guò)試驗(yàn)完成一定設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的水泥穩(wěn)定碎石基層材料的配合比設(shè)計(jì),根據(jù)教師提供的基礎(chǔ)資料,在遵從規(guī)范要求的前提下進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、編寫(xiě)配合比設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。通過(guò)該課程,使學(xué)生掌握道路半剛性基層材料的配合比設(shè)計(jì)方法、技術(shù)要求和主導(dǎo)設(shè)備的使用方法。相對(duì)生產(chǎn)實(shí)際,規(guī)范具有一定的滯后性,需要在“遵從”規(guī)范方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)的采用狀況開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作,化解學(xué)生心中室內(nèi)試驗(yàn)與施工現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際不一致的矛盾,培養(yǎng)具有“遵從規(guī)范”精神和“創(chuàng)新生產(chǎn)”精神的學(xué)生。

一、傳統(tǒng)課程試驗(yàn)內(nèi)容

傳統(tǒng)的試驗(yàn)安排主要包括4項(xiàng)內(nèi)容,分別為原材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)、級(jí)配設(shè)計(jì)、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的確定和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

(一)原材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)

參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行,其主要試驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)水泥穩(wěn)定碎石基層所用集料性能進(jìn)行評(píng)價(jià),判斷其是否滿(mǎn)足工程技術(shù)要求,并給出明確的結(jié)論,包括集料篩分、密度、壓碎值和針片狀等10項(xiàng)內(nèi)容。

(二)級(jí)配設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目主要根據(jù)各檔集料的篩分試驗(yàn)結(jié)果和《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中高速公路水泥穩(wěn)定碎石基層的級(jí)配C-B-1要求,確定各檔集料的用量,組合成滿(mǎn)足技術(shù)要求的級(jí)配。

(三)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)級(jí)配設(shè)計(jì)的結(jié)果,添加不同水泥劑量(一般3～5種),采用重型擊實(shí)法確定不同水泥劑量下水泥穩(wěn)定碎石材料的最大干密度和最佳含水量。該內(nèi)容涉及《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)中的2個(gè)試驗(yàn),分別為無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實(shí)試驗(yàn)方法(T 0804—1994)和含水量試驗(yàn)方法(烘干法)(T 0801—2009)。

(四)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

該試驗(yàn)采用已確定的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)(和),在要求的壓實(shí)度下(=98%)成型無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件,養(yǎng)生7 d后,進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),根據(jù)強(qiáng)度判斷原則和經(jīng)濟(jì)原則,確定最佳水泥劑量。該內(nèi)容涉及試件制作、試件養(yǎng)生和抗壓強(qiáng)度3個(gè)試驗(yàn)。

二、存在的問(wèn)題與課程目標(biāo)調(diào)整

半剛性基層配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)課程設(shè)置的目的是讓學(xué)生不但掌握水泥穩(wěn)定碎石基層材料試驗(yàn)方法,還要有結(jié)合實(shí)際情況分析解決問(wèn)題的能力。

(一)傳統(tǒng)試驗(yàn)課安排存在的問(wèn)題

1.重試驗(yàn)操作,輕結(jié)合實(shí)際情況的分析

道路工程材料特別是水泥穩(wěn)定碎石基層材料,具有環(huán)境敏感性和荷載敏感性,在應(yīng)用過(guò)程中必須結(jié)合二者進(jìn)行系統(tǒng)分析、應(yīng)用。

道路工程的服務(wù)對(duì)象是車(chē)輛荷載,現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》把交通荷載分成5個(gè)等級(jí),并根據(jù)道路基層材料對(duì)荷載的敏感性和擴(kuò)散荷載的能力,推薦了不同基層類(lèi)型的使用條件和材料設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍,結(jié)合具體道路的荷載等級(jí),選用技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)指標(biāo)。道路工程材料的耐久性受道路所在地區(qū)的地形、地質(zhì)、溫度和降雨條件影響,因此,道路工程界結(jié)合影響公路工程使用性能的自然因素,提出公路自然區(qū)劃,共3個(gè)一級(jí)區(qū)劃和52個(gè)二級(jí)區(qū)劃,針對(duì)不同的區(qū)劃,水泥穩(wěn)定碎石基層材料的耐久性設(shè)計(jì)指標(biāo)不同。

因此,道路基層材料配合比的設(shè)計(jì),不僅是試驗(yàn)方法、試驗(yàn)操作的掌握和簡(jiǎn)單給出材料的配合比例,更是指標(biāo)的分析、數(shù)據(jù)的分析及其選用標(biāo)準(zhǔn)的掌握,更應(yīng)包括耐久性分析、評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)。

2.試驗(yàn)方法與工程實(shí)際脫節(jié)

在半剛性材料大規(guī)模使用過(guò)程中,其試驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)仍存在諸多不足,包括室內(nèi)試驗(yàn)方法與實(shí)際生產(chǎn)方式不同,設(shè)計(jì)指標(biāo)單一,設(shè)計(jì)方法不完善等。其中,最佳含水率和最大干密度的確定經(jīng)歷了輕型擊實(shí)到重型擊實(shí)的發(fā)展過(guò)程,在一定程度上可以模擬靜載壓路機(jī)對(duì)基層材料的壓實(shí)作用,但無(wú)法模擬實(shí)際基層鋪裝過(guò)程中振動(dòng)壓路機(jī)碾壓的實(shí)際工況,因此,需要對(duì)試驗(yàn)課程中的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)進(jìn)行改革,突破規(guī)范的限制,采用振動(dòng)壓成型設(shè)備,確定最佳壓實(shí)參數(shù),實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外壓實(shí)方式的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)規(guī)定,水泥穩(wěn)定碎石基層材料的水泥用量(質(zhì)量比)一般為3%～6%,最多不宜超過(guò)7%,也就是說(shuō)集料用量為93%～97%,如此少的水泥用量如何均勻裹覆在集料上是拌合工藝需要解決的問(wèn)題。為解決水泥均勻分布問(wèn)題,振動(dòng)拌合方式已大規(guī)模應(yīng)用于工程實(shí)踐,取得了很好的效果,但由于室內(nèi)小型拌合設(shè)備的缺失,配合比設(shè)計(jì)中水泥穩(wěn)定碎石混合料的拌合方式仍采用手工拌合,很難保證水泥在集料中均勻分布,導(dǎo)致強(qiáng)度變異系數(shù)增加、設(shè)計(jì)水泥劑量偏高等問(wèn)題,室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法科學(xué)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3.功能性評(píng)價(jià)試驗(yàn)缺失

水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計(jì)的強(qiáng)度或彈性模量?jī)H體現(xiàn)了交通荷載對(duì)道路材料力學(xué)性能的要求,但設(shè)計(jì)壽命為15～20年的高等級(jí)公路,長(zhǎng)期處于自然環(huán)境中,除交通荷載的作用,溫度、濕度的周期性變化對(duì)材料功能性指標(biāo)的影響巨大,水泥穩(wěn)定碎石功能指標(biāo)一般情況下包括抗收縮性能、抗凍性能和抗沖刷性能,分別體現(xiàn)了材料的溫度敏感性和濕度(水)敏感性,但在傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)中,只體現(xiàn)了強(qiáng)度指標(biāo),沒(méi)有功能性指標(biāo)的驗(yàn)證試驗(yàn)和技術(shù)要求。

(二)課程目標(biāo)調(diào)整

材料設(shè)計(jì)不僅是力學(xué)指標(biāo)的要求,更是功能性指標(biāo)的體現(xiàn),為調(diào)整傳統(tǒng)試驗(yàn)課程存在的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)室內(nèi)試驗(yàn)方法與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝相協(xié)調(diào),提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,對(duì)課程目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

1.傳統(tǒng)的課程目標(biāo)

課程教學(xué)目標(biāo)為:通過(guò)相關(guān)試驗(yàn),使學(xué)生掌握規(guī)范對(duì)半剛性基層原材料和設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求,能組織技術(shù)人員開(kāi)展半剛性基層配合比設(shè)計(jì)工作,了解試驗(yàn)組織和工作程序,熟練掌握半剛性基層配合比試驗(yàn)主導(dǎo)設(shè)備的使用方法,熟練掌握試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、判別的方法和半剛性基層配合報(bào)告的撰寫(xiě)。

2.調(diào)整的課程目標(biāo)

傳統(tǒng)的課程目標(biāo)是“了解”和“掌握”,調(diào)整后的課程目標(biāo)主要是提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,因此,傳統(tǒng)的目標(biāo)依然保留,新增以下課程目標(biāo):

1)新增文獻(xiàn)調(diào)研與分析目標(biāo),調(diào)研水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)發(fā)展動(dòng)態(tài)和水泥穩(wěn)定碎石實(shí)際施工工藝發(fā)展?fàn)顩r,并撰寫(xiě)文獻(xiàn)分析報(bào)告。

2)應(yīng)用振動(dòng)成型和振動(dòng)拌合設(shè)備,使學(xué)生按組完成傳統(tǒng)模式和振動(dòng)模式下的配合比設(shè)計(jì),并對(duì)比分析其差別及產(chǎn)生的原因。

3)增設(shè)功能性指標(biāo)試驗(yàn)項(xiàng)目,對(duì)配合比試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行功能性驗(yàn)證。

三、基于新課程目標(biāo)的試驗(yàn)設(shè)備研發(fā)

基于新的課程目標(biāo),需要自行開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)設(shè)備包括振動(dòng)拌合設(shè)備、振動(dòng)壓實(shí)設(shè)備和抗沖刷試驗(yàn)設(shè)備,并通過(guò)試驗(yàn)確定試驗(yàn)參數(shù)。

(一)振動(dòng)拌合設(shè)備開(kāi)發(fā)與最佳振動(dòng)拌合參數(shù)

開(kāi)發(fā)的水泥穩(wěn)定碎石基層材料室內(nèi)振動(dòng)拌合設(shè)備,在拌合鍋體內(nèi)部安裝4臺(tái)振動(dòng)電機(jī),電機(jī)帶動(dòng)上方葉片攪拌的同時(shí),振動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)鍋體振動(dòng)對(duì)混合料振動(dòng)攪拌,使物料顆粒具有一定振動(dòng)頻率下的振幅后處于顫振狀態(tài),從而破壞混合料間的黏性連接,便于物料中的水泥顆粒從結(jié)團(tuán)狀態(tài)變?yōu)榫鶆蚍植紶顟B(tài),使粗細(xì)集料、水和水泥分布均勻。

最佳參數(shù)試驗(yàn)選取了5組頻率作為儀器的可變參數(shù),分別為40 Hz、50 Hz、60 Hz、70 Hz和80 Hz,振動(dòng)時(shí)間選取1 min、3min和5 min,水泥穩(wěn)定碎石材料級(jí)配的級(jí)配類(lèi)型選取《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中推薦的C-B-1級(jí)配?；诎韬瞎に噷?duì)密度和強(qiáng)度的影響,確定振動(dòng)拌合頻率為70 Hz,拌合時(shí)間為3 min。

(二)振動(dòng)成型設(shè)備開(kāi)發(fā)與最佳振動(dòng)成型參數(shù)

無(wú)機(jī)結(jié)合料振動(dòng)成型因其對(duì)集料的作用模式與施工現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)碾壓具有一致性,雖沒(méi)有被列入配合比設(shè)計(jì)的強(qiáng)制條款,但在實(shí)際的公路建設(shè)中仍被廣泛應(yīng)用,其主要研究成果為對(duì)比分析水泥穩(wěn)定礫石材料振動(dòng)壓實(shí)與重型擊實(shí)之間的關(guān)系,并闡述了振動(dòng)成型的優(yōu)越性。產(chǎn)生振動(dòng)的原理是轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)通過(guò)皮帶的作用帶動(dòng)兩個(gè)偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng),兩個(gè)偏心塊在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,水平力相互抵消,豎直方向上的力帶動(dòng)下方的振動(dòng)質(zhì)和壓頭上下運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓頭下材料的振動(dòng)壓實(shí)效果。

頻率、振幅和振動(dòng)力是影響振動(dòng)效果的重要因素,通過(guò)對(duì)振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)力的調(diào)研,并通過(guò)大量室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)與擊實(shí)成型得到的物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)的對(duì)比,得出振動(dòng)最佳參數(shù)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)

(三)抗沖刷試驗(yàn)設(shè)備開(kāi)發(fā)與最佳試驗(yàn)參數(shù)

研制的半剛性基層抗沖刷試驗(yàn)儀器,在直徑1 m、高0.5 m的沖刷桶內(nèi),放入6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件,注入固定高度的清水,通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)葉片帶動(dòng)水流產(chǎn)生沖刷力,模擬流動(dòng)水對(duì)基層材料的沖刷作用,以沖刷前后6個(gè)質(zhì)量損失率的平均值為抗沖刷性能的評(píng)價(jià)指標(biāo),如式(1)所示。

式中:為質(zhì)量損失率,%;為試件沖刷前表干重,g;為試件沖刷后表干重,g。

影響沖刷效果的參數(shù)有3個(gè),分別為沖刷頻率、浸水高度和沖刷時(shí)間,采用規(guī)范要求的級(jí)配,通過(guò)不同參數(shù)組合,以質(zhì)量損失率為指標(biāo),確定最佳沖刷試驗(yàn)參數(shù),如表2所示。

表2 沖刷設(shè)備的最佳試驗(yàn)參數(shù)

應(yīng)用Fluent有限元軟件,采用滑動(dòng)網(wǎng)格方法模擬試件在10 Hz、20 Hz和30 Hz沖刷頻率作用下,試件表面受動(dòng)水沖刷力的大小(圖1)。從圖中可以看出,試件表面在動(dòng)水沖刷作用下壓力和拉力同時(shí)存在,當(dāng)沖刷頻率為30 Hz時(shí),沖刷應(yīng)力為50 kPa左右。在車(chē)輛荷載下對(duì)瀝青路面進(jìn)行孔隙水壓力模擬,在標(biāo)準(zhǔn)軸載以不同速度行駛時(shí)基層頂面孔隙水壓力約為50 kPa,該設(shè)備適合模擬車(chē)輛荷載作用下動(dòng)水壓力對(duì)基層材料的沖刷作用。

圖1 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分與沖刷受力圖

四、基于新課程目標(biāo)的配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)

水泥穩(wěn)定碎石配合比試驗(yàn)根據(jù)學(xué)生人數(shù)分為A、B、C 3組,A組為振動(dòng)拌合+振動(dòng)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)+振動(dòng)成型模式,B組為振動(dòng)拌合+重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)+靜壓成型模式,C組為人工拌合+重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)+靜壓成型模式。A組的試驗(yàn)?zāi)Ｊ酵耆c工地實(shí)際生產(chǎn)相符,C組為規(guī)范規(guī)定的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?B組代表工地試驗(yàn)室的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?每組按水泥劑量的不同又分為3個(gè)小組,每個(gè)小組的水泥劑量分別為3.5%、4.5%和5.5%,每小組成型9個(gè)試件,壓實(shí)度要求為98%,水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計(jì)強(qiáng)度為4.0 MPa,表3為試驗(yàn)分組結(jié)果匯總。

表3 基于新課程目標(biāo)的各組試驗(yàn)結(jié)果匯總

每組獨(dú)立完成試驗(yàn)并撰寫(xiě)配合比試驗(yàn)與設(shè)計(jì)報(bào)告,3組數(shù)據(jù)共享,綜合分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制物理指標(biāo)、力學(xué)指標(biāo)和功能性指標(biāo)對(duì)比圖,闡述數(shù)據(jù)差別的原因,提高學(xué)生分析問(wèn)題的能力。

(一)不同試驗(yàn)組物理指標(biāo)的對(duì)比與分析

指導(dǎo)學(xué)生對(duì)比分析3組的物理指標(biāo),繪制水泥劑量與最佳含水量和最大干密度的關(guān)系曲線圖,如圖2所示。

圖2 3種配合比設(shè)計(jì)方法物理指標(biāo)與水泥劑量關(guān)系曲線的對(duì)比

在指導(dǎo)學(xué)生分析物理指標(biāo)的差別前,先引導(dǎo)學(xué)生理解“最佳含水量”的物理意義:一是被壓實(shí)土體,只有在最佳含水量下才能被壓得密實(shí);二是只有在最佳含水量下被壓實(shí)的土體,其水穩(wěn)定性才最好,即土體飽水后,其強(qiáng)度下降幅度最小;三是針對(duì)同一種被壓實(shí)材料(本次試驗(yàn)),最佳含水量越小,其壓實(shí)功越大。通過(guò)對(duì)最佳含水量物理意義的理解,學(xué)生分析出3條規(guī)律:

1)A組的最佳含水量最小,說(shuō)明A組的壓實(shí)功最大,B和C的最佳含水量相近,說(shuō)明B、C組的壓實(shí)功基本相當(dāng)(都是擊實(shí)法),即振動(dòng)壓實(shí)工藝的壓實(shí)能力優(yōu)于重型擊實(shí)法。

2)A組的最大干密度最大,B、C組基本相當(dāng),驗(yàn)證了A組采用的壓實(shí)方法的壓實(shí)功強(qiáng)。

3)采用A組方法確定的最大干密度控制施工,壓實(shí)度大,基層施工質(zhì)量提高,但修筑相同幾何尺寸的基層,所用的材料要增加,因?yàn)锳組的密度比其他組平均提高0.02 g/cm。

啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生提煉概括性的結(jié)論:

振動(dòng)拌合不影響水泥穩(wěn)定碎石的物理指標(biāo),振動(dòng)成型對(duì)其物理指標(biāo)的影響較大。

通過(guò)以上分析,學(xué)生可了解室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異對(duì)實(shí)際施工產(chǎn)生的影響,認(rèn)識(shí)到室內(nèi)試驗(yàn)的重要性。

(二)不同試驗(yàn)組力學(xué)指標(biāo)的對(duì)比與分析

學(xué)生根據(jù)抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù),繪制各組抗壓強(qiáng)度均值、抗壓強(qiáng)度代表值與水泥劑量的關(guān)系如圖3所示,可以看出,相同的材料由于工藝不同,其抗壓強(qiáng)度有很大的區(qū)別,采用振動(dòng)拌合的B組比對(duì)照組C組抗壓強(qiáng)度平均提高0.8 MPa,而比采用振動(dòng)拌合+振動(dòng)成型的A組,則平均提高2 MPa。試驗(yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為4.0 MPa,結(jié)合抗壓強(qiáng)度代表值與水泥劑量的關(guān)系,可以得出A、B、C組滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的水泥劑量分別為3.2%、4.0%和4.5%。

圖3 3種配合比設(shè)計(jì)方法力學(xué)指標(biāo)與水泥劑量關(guān)系曲線的對(duì)比

通過(guò)查閱文獻(xiàn)和指導(dǎo)教師的啟發(fā),層層引申:

1)對(duì)于主要由碎石材料組成的水泥穩(wěn)定碎石基層,采用A組以振動(dòng)為主導(dǎo)工藝的材料設(shè)計(jì)方法能提高材料的性能,發(fā)揮材料的潛在特性,材料和工藝具有匹配性。

2)A組滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的水泥劑量為3.2%,而傳統(tǒng)方法的C組為4.5%,說(shuō)明采用振動(dòng)為主的材料設(shè)計(jì)方法可以節(jié)約1.3%的水泥劑量,可節(jié)約成本。

3)采用工藝措施是提高材料潛在性能最有效和最經(jīng)濟(jì)的方法。

式中:△為試件平均高度與標(biāo)準(zhǔn)高度的差值,cm;為試件單次量測(cè)高度,cm。

圖4(b)為不同組別的△對(duì)比,A組最小,為0.12 cm,B組為0.17 cm,而 C組最大,為0.33 cm,C組為A組的2.8倍?！髟酱?試件與標(biāo)準(zhǔn)尺寸差別越大,試件越不標(biāo)準(zhǔn),其強(qiáng)度不僅愈小,而且變異性也會(huì)增加。這說(shuō)明A組的試件成型方法能控制試件高度,最終導(dǎo)致強(qiáng)度偏差系數(shù)較小,而傳統(tǒng)靜壓成型的C組,對(duì)于試件高度的控制較差(靜壓成型試件時(shí),試件會(huì)反彈,高度會(huì)增加),導(dǎo)致偏大,進(jìn)而強(qiáng)度代表值降低。

圖4 3種配合比設(shè)計(jì)方法均勻性指標(biāo)與水泥劑量關(guān)系曲線的對(duì)比

通過(guò)以上分析,學(xué)生不僅明確了不同試驗(yàn)方法強(qiáng)度絕對(duì)值大小和變異系數(shù)不同的根本原因,而且認(rèn)識(shí)到工藝的重要性、配合比設(shè)計(jì)的本質(zhì)和在試驗(yàn)過(guò)程中必須特別關(guān)注的細(xì)節(jié),更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的邏輯推理能力。

(三)不同試驗(yàn)組功能性指標(biāo)的對(duì)比與分析

課程目標(biāo)調(diào)整后,學(xué)生的分析問(wèn)題能力有所提高,但學(xué)生對(duì)基層材料的功能性還缺乏了解,對(duì)功能性指標(biāo)理解的缺失直接影響半剛性基層材料結(jié)合氣候特征的正確選型。在完成配合比試驗(yàn)后,組織學(xué)生應(yīng)用自行開(kāi)發(fā)的抗沖刷設(shè)備,采用C組工藝,選用成型水泥劑量分別為3.5%、4.5%和5.5%的試件,養(yǎng)生7 d,在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行抗沖刷試驗(yàn),表4為試驗(yàn)結(jié)果。

表4 C組工藝下水泥穩(wěn)定碎石材料抗沖刷試驗(yàn)結(jié)果

分別繪制水泥劑量與沖刷質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失的關(guān)系曲線,如圖5所示?？梢钥闯?隨水泥劑量的增加,沖刷質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失均下降,其原因在于水泥劑量提高,水泥穩(wěn)定碎石基層的抗壓強(qiáng)度在提高,高強(qiáng)度的試件具有較低的水敏感性,抗沖刷能力增強(qiáng)。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果提出高等公路水泥穩(wěn)定碎石基層的抗沖刷質(zhì)量損失不超過(guò)1%的要求。根據(jù)此要求,采用C組材料設(shè)計(jì)方法滿(mǎn)足抗沖刷時(shí)的最低水泥劑量不小于4.5%的要求,通過(guò)抗壓強(qiáng)度代表值確定C組滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的水泥劑量為4.5%,如圖5(a)所示,因此,基于力學(xué)指標(biāo)和抗沖刷指標(biāo),C組設(shè)計(jì)4.5%是合理的。

圖5 水泥劑量與沖刷質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失的關(guān)系曲線(C組)

學(xué)生拍攝了3種水泥劑量試件完成沖刷試驗(yàn)后的表面狀態(tài)照片,如圖6所示。可以看出,隨水泥劑量的提高,試件的沖刷破壞面逐漸減小,“脫?！爆F(xiàn)象也逐步減輕。通過(guò)試件沖刷破壞的表面形態(tài)與圖1有限元分析中試件所受沖刷力的位置對(duì)比,說(shuō)明理論分析結(jié)論與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果具有一致性。沖刷試驗(yàn)的開(kāi)展,使學(xué)生明確以下兩點(diǎn):

圖6 不同水泥劑量下試件沖刷破壞情況

1)配合比設(shè)計(jì)不僅要滿(mǎn)足強(qiáng)度需求,同時(shí)要兼顧功能需要;

2)數(shù)值模擬的結(jié)果可以通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

五、結(jié)語(yǔ)

(1)分析了傳統(tǒng)半剛性基層配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)存在的問(wèn)題,基于生產(chǎn)實(shí)際與室內(nèi)試驗(yàn)相協(xié)調(diào)的原則,調(diào)整課程目標(biāo),并增加了功能性指標(biāo)試驗(yàn)。

(2)根據(jù)課程的新目標(biāo),開(kāi)發(fā)了振動(dòng)拌合、振動(dòng)成型和抗沖刷設(shè)備,提出了標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)參數(shù),為開(kāi)展半剛性基層配合比試驗(yàn)課程教學(xué)提供設(shè)備基礎(chǔ)。

(3)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)3組不同試驗(yàn)方法數(shù)據(jù)深入分析,使學(xué)生理解室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)施工的指導(dǎo)作用,提高對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)準(zhǔn)確性的認(rèn)知,學(xué)會(huì)概括性總結(jié)。

(4)基于新目標(biāo)的半剛性基層配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)課程,不但培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力,還提高了學(xué)生挖掘試驗(yàn)結(jié)果邏輯關(guān)系和解釋試驗(yàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)象的能力。