振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石材料關(guān)鍵參數(shù)及性能試驗(yàn)研究

蔡長松，徐欽升，吳立強(qiáng)，鄭如巖，閆翔鵬

（1.濱州市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 濱州 256600；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；3.山東省濱州公路工程有限公司，山東 濱州 256600）

引言

在我國公路建設(shè)中，水泥穩(wěn)定碎石混合料拌和方式普遍采用傳統(tǒng)強(qiáng)制性拌和。在當(dāng)前重載、超載交通環(huán)境下，基于振動攪拌工藝的水泥穩(wěn)定碎石混合料可以明顯改善傳統(tǒng)拌和方式所存在混合料強(qiáng)度偏低、拌和不均勻等問題，且振動攪拌技術(shù)在保證基層強(qiáng)度的前提下，可以明顯提升混合料的耐久抗裂性能，有效改善半剛性基層的干、溫開裂及其他早期結(jié)構(gòu)病害。目前，對振動攪拌技術(shù)的水泥穩(wěn)定碎石混合料的性能研究較多[1-9]，但對于振動參數(shù)、攪拌參數(shù)的研究較少。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 碎石集料

選用0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、 19～31.5 mm四檔優(yōu)質(zhì)碎石集料，且粗、細(xì)碎石集料的性能滿足《水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)規(guī)范》（DB 37/T 3577—2019）要求。

1.1.2 水泥

水泥選用普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），主要技術(shù)指標(biāo)均滿足《水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)規(guī)范》（DB 37/T 3577—2019）要求。

1.1.3 水

試驗(yàn)用水為可飲用地下水，其各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)均滿足《水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)規(guī)范》（DB 37/T 3577—2019）要求。

1.2 級配

根據(jù)四檔碎石集料的篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)及水泥穩(wěn)定碎石混合料擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水量和最大干密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)確定的水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比結(jié)果，見表1。

表1 水泥穩(wěn)定碎石混合料級配/%

1.3 試驗(yàn)方案

通過正交試驗(yàn)分析振動頻率和振幅、攪拌總時(shí)間、濕拌時(shí)間對水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的影響，確定其最佳振動、攪拌組合方式。根據(jù)室內(nèi)設(shè)備和實(shí)際應(yīng)用情況，試驗(yàn)方案見表2。

表2 正交試驗(yàn)具體方案

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 關(guān)鍵參數(shù)確定

根據(jù)試驗(yàn)方案對基于不同振動攪拌組合方式的水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖1～圖6。

圖1 振動頻率-無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系

圖6 濕拌時(shí)間-離散系數(shù)對應(yīng)關(guān)系

由圖1、圖2分析可知，振動頻率與水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)，振動頻率選 定20 Hz、30 Hz時(shí) 的差 別 較小，當(dāng) 振 動頻率由30 Hz提升到40 Hz時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約增大21.4%；振動頻率選定 20 Hz時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的離散系數(shù)最大，而振動頻率30 Hz、40 Hz時(shí)其離散系數(shù)相近，且離散系數(shù)值較小，綜合分析選定40 Hz為最佳振動頻率。

圖2 振動頻率-離散系數(shù)對應(yīng)關(guān)系

由圖3、圖4可知，與振動頻率相比，攪拌總時(shí)間對于振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度影響規(guī)律不明顯；選定攪拌總時(shí)間30 s的混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小，而攪拌總時(shí)間選定40 s時(shí)，混合料拌和更加均勻，水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，且抗壓強(qiáng)度的離散系數(shù)最低，混合料抗壓強(qiáng)度增大26.1%，表明攪拌總時(shí)間40 s為水泥穩(wěn)定碎石混合料拌和最佳攪拌時(shí)間。

圖3 攪拌總時(shí)間-無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系

圖4 攪拌總時(shí)間-離散系數(shù)對應(yīng)關(guān)系

由圖5、圖6可知，濕拌時(shí)間對于振動攪拌型水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和離散系數(shù)影響具有較好的規(guī)律性，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度遞增變化，離散系數(shù)遞減變化；濕拌時(shí)間占比由50%提升至66.7%時(shí)，混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大約8.9%，濕拌時(shí)間占比由66.7%提升至完全濕拌時(shí)，其抗壓強(qiáng)度增大25.1%，表明干拌對水泥穩(wěn)定碎石混合料的拌和作用效果較小，濕拌對其拌和效果影響更大，對于振動攪拌型水泥穩(wěn)定碎石混合料采用全部濕拌方式性能更佳。

圖5 濕拌時(shí)間-無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系

由圖7可知，振動攪拌技術(shù)關(guān)鍵控制參數(shù)對水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響濕拌時(shí)間最大，次之為攪拌總時(shí)間，而振動頻率對混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的極差最小，表明在振動攪拌技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)中，濕拌時(shí)間對于水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最大，攪拌總時(shí)間對混合料強(qiáng)度的影響僅次于濕拌時(shí)間，而振動頻率因在振動攪拌技術(shù)主要起強(qiáng)化、輔助分散改善水泥穩(wěn)定碎石混合料性質(zhì)的作用，故振動頻率對其影響效果相對較小。

圖7 振動攪拌各參數(shù)對混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

2.2 振動攪拌對混合料性能影響

2.2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

根據(jù)已制定試驗(yàn)方案，按照規(guī)程進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 不同成型方式水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及離散系數(shù)

由圖8可知：（1）水泥用量對水泥穩(wěn)定碎石混合料的影響呈正相關(guān)，隨著水泥用量增加，兩種拌和方式的混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均變大。（2）相同水泥用量條件下，基于振動攪拌技術(shù)的水泥穩(wěn)定碎石材料抗壓強(qiáng)度更大，且離散系數(shù)偏小，水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升約8%，離散系數(shù)降低約3%，表明振動攪拌技術(shù)可以較好地改善水泥穩(wěn)定碎石材料拌和均勻性，減少拌和離析，提高其強(qiáng)度均質(zhì)性。（3）在強(qiáng)度要求指標(biāo)相同的前提下，采用振動攪拌技術(shù)可以減少水泥穩(wěn)定碎石混合料的水泥用量，節(jié)約資源，同時(shí)水泥劑量減少，混合料的抗裂型能也會相應(yīng)提升。

2.2.2 抗裂性能

通過測量梁式試件28 d養(yǎng)護(hù)齡期的干縮量、失水率、干縮應(yīng)變及干縮系數(shù)四個(gè)指標(biāo)對水泥穩(wěn)定碎石材料的抗裂性能分析，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理，結(jié)果見圖9～圖12。

圖9 混合料干縮量變化

圖12 干縮系數(shù)變化

圖10 混合料累計(jì)失水率變化

圖11 干縮應(yīng)變變化

由圖9～圖12分析可知，常規(guī)拌和技術(shù)與振動攪拌技術(shù)水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮變化趨勢相同；與常規(guī)拌和技術(shù)相比，在相同養(yǎng)護(hù)齡期下基于振動攪拌技術(shù)的混合料，其干縮量、失水率、干縮應(yīng)變及干縮系數(shù)更小，其中累計(jì)干縮量減小13.7%，累計(jì)失水率減小5.8%，干縮應(yīng)變減小23.1%，干縮系數(shù)減小15.1%，表明振動攪拌有效促進(jìn)了水泥穩(wěn)定碎石混合料的有機(jī)組合，明顯改善了混合料的干縮特性，提高了混合料的抗裂性能。

3 結(jié)語

（1）對室內(nèi)設(shè)備在不同振動頻率及攪拌時(shí)間下成型的水泥穩(wěn)定碎石混合料試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析，采用振動頻率40 Hz、攪拌總時(shí)間40 s且100%濕拌組合時(shí)，混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，且離散系數(shù)最小。（2）與傳統(tǒng)常規(guī)拌和技術(shù)相比，相同試驗(yàn)環(huán)境下，基于振動攪拌技術(shù)的水泥穩(wěn)定碎石混合料拌和更加均勻，混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度更大、抗裂性能更好。（3）同一強(qiáng)度指標(biāo)下，振動攪拌技術(shù)可以減少水泥穩(wěn)定碎石混合料水泥劑量。