拌和工藝對水穩碎石組成設計參數的影響研究

歐陽勇

【摘要】采用室內振動拌和試驗設備，對比研究了拌和工藝對水泥穩定碎石組成設計參數的影響，結果表明，與普通靜力拌和工藝相比，振動拌和降低了水泥穩定碎石最佳含水率及增大了最大干密度，改變幅度與級配類型關系不大。振動拌和可顯著提升水泥穩定碎石7d無側限抗壓強度，且水泥劑量越大、級配結構越好，強度提升越明顯。從強度和密實度的提升來看，僅僅優化礦料級配不如改進拌和工藝，優化級配的同時，采用振動拌和工藝會更好。

【關鍵詞】拌和工藝;振動拌和;水泥穩定碎石;設計參數;強度

Study on the influence of mixing technology on composition design parameters of cement stabilized crushed stone

Ou Yang-yong

（Guangdong Guanyue highway &bridge Co.，LtdGuangzhouGuangzhou511450）

【Abstract】The influence of mixing technology on the composition design parameters of cement stabilized crushed stone was studied by using indoor vibration mixing test equipment.The results show that， compared with the conventional static mixing process， the vibration mixing process reduces the optimal moisture content and increases the maximum dry density of cement-stabilized gravel， and the change amplitude has little relation with the gradation type.Vibration mixing can significantly improve the unconfined compressive strength of cement-stabilized macadam for 7 days， and the higher the cement dose， the better the gradation structure， the more obvious the strength improvement.From the perspective of the improvement of strength and compactness， it is not as good as the improvement of mixing process to merely optimize ore grading，but it is better to adopt vibration mixing technology while optimizing gradation.

【Key words】Mixing process;Mixing by vibration;Cement-stabilized macadam;Design parameters;Unconfined compressive strength

1. 引言

（1）水泥穩定碎石是由水泥、粗細集料、水等原材料按照一定比例拌和而成的多相、多孔非勻質復合材料[1-2]，其力學強度及路用性能與水泥穩定碎石材料的水泥用量、級配設計以及壓實狀態[3-4]等直接相關。水泥膠結材料是水穩碎石材料產生強度、形成板體結構及表現出良好路用性能的關鍵，對水穩碎石材料的強度、干縮性能及抗裂性能等影響較大;礦料級配決定水穩碎石材料的骨架效果和密實程度，影響水穩碎石材料的強度形成方式及路用性能等;最佳含水率和最大干密度是水穩碎石材料組成設計的主要參數，也是施工質量控制和檢驗的重要指標[5～9]。因此，準確確定水泥穩定碎石設計參數至關重要。

（2）長期以來，室內主要通過普通拌和方式、重擊實、靜壓成型或振動成型等試驗進行水泥穩定碎石組成設計。已有結果表明[10]，采用振動成型的水泥穩定碎石最大干密度與最佳含水率等參數與靜壓成型有差異，可見，成型方法對混合料的設計參數有影響。但受制于室內拌和技術的發展，長期以來，忽略了拌和方式對混合料設計參數的影響，實際上，拌和過程決定了混合料中集料和水泥的分散和排列狀態，不同拌和方式也可能會對混合料密實度、含水量以及強度等參數與指標產生影響。

（3）振動拌和是近年來出現的一種全新的拌和方式。已有研究表明[11～14]，振動拌和技術可以顯著改善水泥穩定混合料的力學及路用性能，并且采用振動拌和工藝生產的混合料最佳含水率會減小、最大干密度會增大。雖如此，但上述研究幾乎都是基于現場施工的振動拌和設備，得到的一些結論對現場施工應用具有指導性，但對室內混合料組成設計及參數確定的指導性并不強。據調查，采用振動拌和工藝的施工項目，室內混合料設計仍然采用以往拌和設備和方法，導致確定的參數（干密度、含水量、強度等）與現場施工不匹配。基于此，本文采用室內振動拌和試驗設備（如圖1），對比研究振動拌和對水泥穩定碎石設計參數的影響，為室內材料組成設計及施工質量控制與檢驗提供參考。

2. 室內振動拌和設備及工作原理

2.1室內振動拌和設備簡介。

本文采用型號為雙臥軸60L的室內振動拌和試驗設備，具體參數見表1，其基本結構如圖1所示。由機架、暫存料倉、攪拌裝置、傳動系統、出料系統及電器控制系統組成，其中：機架是整個設備的支撐部分，主要由型材焊接而成;攪拌裝置由攪拌軸、攪拌葉片以及軸端密封單元所構成;傳動系統包括攪拌傳動裝置和振動傳動裝置兩部分，攪拌傳動裝置由攪拌電動機、擺線針輪減速器和鏈輪、鏈條組成，將動力直接傳遞給攪拌裝置;振動傳動裝置由振動電動機、皮帶輪、雙面V帶組成，將動力直接傳遞給激振器，激振器與攪拌裝置直接相連，使攪拌裝置產生周期振動;出料系統采用手動卸料方式，主要由卸料門及安裝并固定在其上的轉軸、手柄及其限位機構組成（室內振動拌和設備見圖1）。

2.2振動拌和設備工作原理。

室內振動拌和設備的技術原理與現場振動拌缸類似，也采用連續式雙臥軸振動拌和方式，其工作原理主要包括兩方面[15，16]：一是通過改進攪拌裝置的葉片數量及角度，加強混合料的循環流動及剪切作用，使得物料能夠得到充分的攪拌;二是通過振動傳動裝置使混合料顆粒處于振動狀態，降低水泥及細料顆粒間的摩擦力，增大顆粒間的碰撞頻率及接觸面積，從而提高水泥的利用效率及拌和均勻性（如圖2所示），進而獲得較為理想的拌和效果（振動拌和狀態下水泥微觀分布狀態見圖2）。

3. 原材料技術指標及試驗方案

3.1原材料技術性質。

本文依托廣東某新建高速公路項目，室內試驗原材均來自該項目，水泥采用P.C 42.5復合硅酸鹽水泥。按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30-2005）和《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）對原材技術指標進行試驗檢測，均滿足規范要求，具體試驗結果如表2～4所示。

3.2試驗方案。

本文基于室內振動拌和試驗設備，對振動拌和工藝及普通拌和工藝下懸浮密實結構及骨架密實結構水穩碎石材料組成參數進行對比研究。同時，為驗證振動拌和工藝效果，室內成型試件，分別對振動拌和工藝及普通拌和工藝下水泥穩定碎石的7d無側限抗壓強度進行測試。不同級配、不同拌和方式采用相同的拌和參數，均干拌10s，濕拌40s;兩種類型級配設計如表5～6所示。

4. 試驗結果及分析

4.1最佳含水率及最大干密度試驗結果。

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009），分別對振動拌和工藝和普通拌和工藝下水泥劑量為3%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%的水泥穩定碎石材料進行重型擊實試驗，對比振動拌和與普通靜力拌和下水泥穩定碎石材料最佳含水率及最大干密度間的差異，試驗數據見表7，試驗結果如圖3～4所示（最佳含水率試驗結果見圖3、最大干密度試驗結果見圖4）。

對圖3、4試驗結果進行分析：

（1）對于兩種級配類型的5個水泥用量（3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%），均是振動拌和的最佳含水率略小于普通拌和。就具體數值而言，采用骨架密實結構時，振動拌和5個水泥用量混合料最佳含水量依次減小了0.2%、0.3%、0.3%、0.3%、0.4%;采用懸浮密實結構時，振動拌和5個水泥用量混合料的最佳含水量依次減小了0.2%、0.2%、0.2%、0.3%、0.3%。從數據分析可以得出，振動拌和減少最佳含水量的幅度對兩種級配并未表現出明顯的差異，但水泥用量越大，振動拌和減小用水量相對越多。

（2）就最大干密度而言，首先，相同拌和方式下，骨架密實結構的最大干密度略大于懸浮密實結構;其次，相同級配結構，振動拌和的最大干密度均大于普通拌和。就具體數值而言，采用骨架密實結構時，振動拌和5個水泥用量（3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%）混合料的最大干密度依次增大了0.019g/cm3、0.020g/cm3、0.010g/cm3、0.022g/cm3、0.029g/cm3;采用懸浮密實結構時，振動拌和5個水泥用量的混合料的最大干密度依次增大了0.011g/cm3、0.025g/cm3、0.008g/cm3、0.017g/cm3、0.024g/cm3。試驗數據表明，振動拌和可以提高水泥穩定碎石混合料的最大干密度，但提高幅度對兩種級配也未表現出明顯的區別。

4.2無側限抗壓強度試驗結果。

室內制備振動拌和工藝和普通拌和工藝下水泥劑量為3%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%的水泥穩定碎石試件，對試件的7d無側限抗壓強度進行測試，試驗數據見表8，試驗結果如圖5所示（7d無側向抗壓強度試驗結果見圖5）。

由表8和圖5試驗結果可知：相同水泥劑量與級配結構，振動拌和工藝的水泥穩定碎石的7d無側限抗壓強度明顯高于普通靜力拌和，且隨著水泥劑量的增大，強度提高的幅度越大。相對于懸浮密實級配，振動拌和工藝對骨架密實結構水穩碎石7d無側限抗壓強度的提升效果更加顯著。

究其原因，振動拌和工藝能夠激發混合料中水分子及水泥的活力，增大水泥與水分子的碰撞頻率及接觸面積，提高了水泥在混合料中的彌散作用，有效地降低了水泥結團的現象，改善了水泥水化程度，使得細料及水泥水化產物裹附于粗集料的面積增大，從而提高水泥穩定碎石材料的強度，且水泥劑量越大，振動拌和工藝對水泥水化的促進作用越大，強度提升的越明顯。另外，在振動拌和作用下，骨架密實結構可在一定程度增大水泥與粗集料的水化接觸面積，形成更多的水化產物包裹集料，從而更易提高強度。

從上述分析也可以看到，對比普通靜力拌和下骨架密實型水穩碎石與振動拌和下懸浮密實型水穩碎石的強度可知，改進拌和工藝對強度提升效果優于僅僅優化級配，但在優化級配的同時，采用振動拌和工藝，對強度的提升更顯著。

5. 結語

本文基于室內振動拌和試驗設備，對比研究了拌和工藝對水泥穩定碎石組成設計參數的影響，主要得到以下結論：

（1）相比普通拌和，振動拌和可減小水泥穩定碎石的最佳含水率4%～8%左右、提高最大干密度0.3%～1.2%左右，變化幅度僅受拌和方式影響較大，對級配類型并不敏感。

（2）振動拌和顯著提升了水泥穩定碎石的7d無側限抗壓強度，且水泥劑量越大，強度提升效果越明顯。

（3）振動拌和對骨架密實結構水泥穩定碎石混合料的強度提升效果優于懸浮密實結構;僅僅優化礦料級配不如改進拌和工藝，優化級配的同時，采用振動拌和工藝，對強度和密實度的提升更顯著。