振動攪拌對水泥穩定碎石水泥用量的影響研究

許國偉，余明坤，他雪鳳，李東林，董晨輝，范宗凱，王浩，古源

（1.云南省建筑科學研究院 云南 昆明 650223）

（2.云南建筑工程質量檢驗站有限公司 云南 昆明 650223）

（3.云南省建筑結構與新材料企業重點實驗室 云南 昆明 650223）

（4.昆明市建筑結構安全和新技術重點實驗室 云南 昆明 650223）

（5.云南省交通投資建設集團有限公司 云南 昆明 650000）

0 前言

目前，國內外的有關水泥穩定碎石的研究主要在于原材料的級配、性能及新拌水泥穩定碎石成型方面，技術方法也比較完善。但在水泥穩定碎石生產過程工藝技術研究不多，致使通過強化拌和過程改善水泥穩定碎石結構和力學性能的和巨大潛力都無法發揮，造成水泥浪費，加工能耗大，噪音大，設備磨損快等問題，究其原因就是攪拌技術的落后導致。振動攪拌技術解決了傳統攪拌方式下水泥穩定碎石攪拌時間太短、微觀均勻性差和存在速度梯度和攪拌低效區的問題[1,2]。通過振動攪拌對水泥穩定碎石水泥用量的影響進行試驗研究，以期對振動攪拌技術在水泥穩定碎石生產中的推廣應用提供依據。

1 試驗原材料及方法

1.1 試驗原材料

水泥：采用紅河天寶水泥有限公司生產的P.C32.5R 復合硅酸鹽水泥，其性能指標見表1。

細集料：機制砂，其篩分結果見表2、性能指標見表3。

粗集料：二龍山石料場，1#碎石（19～31.5mm）、2#碎石（9.5～19mm）、3#碎石（4.75～9.5mm），篩分結果見表5、7、9，性能指標見表4、6、8。

表1 水泥性能指標

表2 細集料篩分試驗結果

水泥、細集料、粗集料的性能指標滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》的要求。

1.2 試驗方法

水泥：按照GB/T8074-2008《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》水泥性能試驗。

集料：按照JTG E41-2005《公路工程集料試驗規程》進行粗、細集料的性能試驗。按照JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》進行水泥穩定碎石混合料級配篩分試驗。

表3 細集料的性能指標

表4 1#碎石（19～31.5mm）性能指標

表5 1#碎石（19～31.5mm）篩分試驗結果

表6 2#碎石（9.5～19mm）性能指標

表7 2#碎石（9.5～19mm）篩分試驗結果

表8 3#碎石（4.75～9.5mm）性能指標

表9 3#碎石（4.75～9.5mm）篩分試驗結果

配合比設計：按照JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》進行水泥穩定碎石配合比的設計。

水泥穩定碎石性能：按照JTG E51-2015《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行水泥穩定碎石的擊實試驗、試件的成型、養生和試件7d無側限抗壓強度的試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 水泥穩定碎石混合料級配設計

試驗分別采用圖解法和計算法對基層水泥穩定碎石混合料級配進行配合比設計，所得結果如下圖1 和表10 所示。

圖1 圖解法混合料配合比設計

計算法配合比如表10。

通過圖解法得到水泥穩定碎石混合料級配中1# 碎石、2# 碎石、3# 碎石、細集料的比例分別為21:19:28:32，通過計算法得到水泥穩定碎石混合料級配中1# 碎石、2# 碎石、3# 碎石、細集料的比例分別為38:22:10:30。結合圖解法和計算法得到水泥穩定碎石混合料級配進行試驗驗證，最終確認水泥穩定碎石混合料級配1# 碎石、2# 碎石、3#碎石、細集料的比例為35:25:10:30.

表10 計算法混合料級配表

2.2 水泥穩定碎石混合最佳含水率和最大干密度測試

按照試驗驗證確認的水泥穩定碎石混合料級配，以不同水泥劑量，在不同含水量下進行水泥穩定碎石進行擊實試驗，確定水泥穩定碎石的最佳含水率和最大干密度，并根據最佳含水率和最大干密度確定水泥穩定碎石的最佳用水量。水泥穩定碎石的最佳含水率和最大干密度測試結果如圖2～6 所示。

圖2 3.5%水泥劑量干密度～含水率曲線

圖3 4.0%水泥劑量干密度～含水率曲線

圖4 4.5%水泥劑量干密度～含水率曲線

圖5 5.0%水泥劑量干密度～含水率曲線

圖6 5.5%水泥劑量干密度～含水率曲線

從水泥穩定碎石的最佳含水率和最大干密度測試結果圖2～6 可知：水泥劑量3.5%時水泥穩定碎石最佳含水率為4.7%，最大干密度為2.432 g/cm3；水泥劑量4.0%時水泥穩定碎石最佳含水率為4.8%，最大干密度為2.447 g/cm3；水泥劑量4.5%時水泥穩定碎石最佳含水率為5.0%，最大干密度為2.463 g/cm3；水泥劑量5.0%時水泥穩定碎石最佳含水率為5.1%，最大干密度為2.471 g/cm3；水泥劑量5.5%時水泥穩定碎石最佳含水率為5.2%，最大干密度為2.471 g/cm3。

2.3 振動攪拌對水泥穩定碎石水泥用量的影響

按照試驗確認的的最佳含水率，配制3.5%～5.5%的水泥劑量的水泥穩定碎石，按照JTG E51-2015《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行成型，試驗分別在傳統攪拌方式和振動攪拌方式下，研究水泥劑量對水泥穩定碎石7d 無側限抗壓強度影響。試驗結果見表11 所示。

表11 不同攪拌方式下的水泥穩定碎石7d 無側限抗壓強度

試驗結果顯示，在相同的水泥劑量情況下，改變攪拌方式對水泥穩定碎石7d 無側限抗壓強度影響較大，并且振動攪拌方式相比于傳統攪拌能提高水泥穩定碎石7d 無側限抗壓強度。這主要是因為采用振動攪拌拌合效率明顯提高，通過釋放激振力來強化攪拌過程的技術，使水泥顆粒處于顫動狀態，從而破壞水泥凝聚團[3]，使水泥顆粒分布均勻，膠結料的作用效果也顯著提高。

從試驗數據結果看，采用振動攪拌方式比采用傳統攪拌方式的水泥穩定碎石7d 無側限抗壓強度提高0.4～0.7MPa。這主要是由于振動攪拌使得混合顆粒的運動速度加大，增加了有效碰撞次數，加速了集料顆粒表面水化生成物向液相擴散的速度，使水泥水化加速，從而提高了水泥穩定碎石的強度[4]。

從表11 可以得出，振動攪拌能有效地提高水泥穩定碎石質量和攪拌效率，保證了材料微觀的均勻性[5]，使得混合料降低了離析分層的現象。采用振動攪拌，在相同的水泥穩定碎石強度和工作性要求下，比傳統攪拌方式可以節約0.5%左右的水泥劑量。

3 結語

（1） 在相同的水泥劑量情況下，采用振動攪拌方式比采用傳統攪拌方式的水泥穩定碎石7d 無側限抗壓強度提高0.4～0.7MPa。

（2） 在相同的水泥穩定碎石強度和工作性要求下，采用振動攪拌方式比傳統攪拌方式可以節約0.5%左右的水泥劑量。

（3） 將振動攪拌技術應用于水泥穩定碎石生產，起到節約水泥、提高水泥穩定碎石質量的作用。