水泥穩(wěn)定碎石振動攪拌技術(shù)應(yīng)用研究＊

王 軒，李海勛

（1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院橋梁智能監(jiān)測與安全預(yù)警河南省工程實驗室，河南 鄭州450000；2.河南省高速公路科普基地，河南 鄭州450000；3.河南省靈寶市農(nóng)村公路管理所，河南 三門峽472500）

1 研究背景

路面反射裂縫是半剛性基層公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)難題，穩(wěn)定基層設(shè)計和施工中容易出現(xiàn)配合比設(shè)計和混合料攪拌不均勻因素的影響，在施工中容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，直接影響半剛性基層的強度和穩(wěn)定性，后期在行車過程中受溫度和濕度等原因誘發(fā)的基層干縮和溫縮開裂，發(fā)展為反射裂縫，雨水的滲入加劇了病害的發(fā)展，影響道路的正常行車，縮短道路的使用壽命并危害交通安全。因此研究應(yīng)用振動攪拌技術(shù)，提升道路水泥穩(wěn)定性基層質(zhì)量，改善由拌和質(zhì)量不均帶來的各類水穩(wěn)基層病害，是一種有效的方法。通過對傳統(tǒng)攪拌技術(shù)和振動攪拌技術(shù)對比試驗，發(fā)現(xiàn)采用振動攪拌技術(shù)的穩(wěn)定基層有明顯的優(yōu)勢。實踐表明：振動攪拌技術(shù)能夠通過特定的振動頻率增加拌和能量，改善攪拌過程，有效改善穩(wěn)定材料微觀均勻性與結(jié)構(gòu)，顯著減少拌和過程中離析現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高水穩(wěn)基層的強度與耐久性，減少和延緩反射裂縫的生成[1-2]。

2 穩(wěn)定基層振動攪拌技術(shù)作用分析

2.1 有效減少半剛性穩(wěn)定基層的反射裂縫

采用水泥穩(wěn)定碎石作為道路基層半剛性材料是工程常見的設(shè)計方案，在配比設(shè)計中，水泥用量通常控制在5%～30%，目前國內(nèi)外廣泛使用的雙臥軸連續(xù)式攪拌機(jī)的施工有效拌和時間一般在6～8s，攪拌時間較短，攪拌速度偏低且容易造成混合料攪拌不均勻，影響混合料的和易性及后期的強度，出現(xiàn)離析、水泥結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，粉料和部分細(xì)料不能充分地均勻彌散和包裹粗骨料，粗骨料表面干燥露白，黏結(jié)力下降，在裝卸、運輸、攤鋪過程中容易出現(xiàn)離析分層現(xiàn)象，直接影響穩(wěn)定基層結(jié)構(gòu)的強度和耐久性，在凝結(jié)硬化過程中受濕度和溫度影響，容易出現(xiàn)反射裂縫等質(zhì)量隱患[3]。工程中為了保證基層達(dá)到設(shè)計強度和承載力要求，水泥用量普遍取設(shè)計值或施工規(guī)范范圍的上限，這樣水泥用量偏大導(dǎo)致基層成型后容易出現(xiàn)裂縫，如果水泥劑量取規(guī)范中要求值的下限，水泥劑量偏小，就很難保障基層強度，影響承載能力。半剛性穩(wěn)定基層一旦出現(xiàn)反射裂縫，雨水的滲入導(dǎo)致基層水分積聚，導(dǎo)致路面發(fā)生唧泥、脫空等損壞，影響路面正常行車。

2.2 新規(guī)范對半剛性基層性能與攪拌設(shè)備要求提高

在半剛性基層施工過程中，混合料攪拌不均勻?qū)е麓止橇媳砻娓稍锫栋祝鸷暧^不均勻離析現(xiàn)象，水泥等粉料和細(xì)料出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，屬于微觀不均勻，導(dǎo)致細(xì)料不能充分彌散和包裹粗骨料，無法形成均勻的固、液、氣三相勻質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，無法達(dá)到設(shè)計的要求[4]。因此，2015年交通版行業(yè)規(guī)范JTG/TF20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》對攪拌均勻性提出了更為嚴(yán)格要求：高速公路基層穩(wěn)定混合料拌和時，宜采用2次拌和的生產(chǎn)工藝，也可以采用間隙式拌和生產(chǎn)工藝。主要原因是現(xiàn)在工程施工中大多數(shù)混合料拌和設(shè)備的拌缸長度不大于5m，大部分混合料在施工中拌和時間不超過10s，混合料拌和的均勻性很難保證，與舊規(guī)范對比，穩(wěn)定土的強度要求明顯提升，對比分析如表1、表2所示。

表1 舊規(guī)范的水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)

表2 新細(xì)則的水泥穩(wěn)定材料的7d齡期無側(cè)限抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)

另外，與舊規(guī)范對比，新規(guī)范細(xì)則穩(wěn)定土的壓實度指標(biāo)也提升了1%～2%，因此對穩(wěn)定土性能與攪拌設(shè)備提出了更高的要求[5-6]。

2.3 工程施工攪拌減排增效的新需求

施工企業(yè)要求提高效益、節(jié)省成本，同時達(dá)到節(jié)能減排的要求，在這種背景下，工程施工圍繞改進(jìn)工藝和減低成本同時展開，在壓縮成本、提高效率方面各攪拌站在規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)期間，積極開展技術(shù)研發(fā)，進(jìn)行環(huán)保達(dá)標(biāo)、提質(zhì)增效、技能減排、設(shè)備升級改造。根據(jù)工程施工季節(jié)性強的規(guī)律，每年4—10月是工程施工的黃金季節(jié)，冬季則是施工的淡季，施工旺季穩(wěn)定土攪拌站產(chǎn)能往往滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)也難以保障工程進(jìn)度要求，采用增加新設(shè)備提高產(chǎn)能不經(jīng)濟(jì)，也可能造成設(shè)備閑置時間長，所以企業(yè)往往采用最經(jīng)濟(jì)實用的方法，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在這樣提質(zhì)增效的背景下，采用振動拌和技術(shù)、縮短混合料拌和時間或提高拌和能力保證工程質(zhì)量是一種相對有效的途徑。

采用振動攪拌技術(shù)，優(yōu)化施工工藝。以雙臥軸連續(xù)攪拌穩(wěn)定碎石施工為例，設(shè)備正常工作時，拌筒中轉(zhuǎn)動的攪拌臂及葉片存在速度梯度，設(shè)備圓形中心部分靠近圓筒軸的速度低，外側(cè)靠近拌筒壁處比中心處的速度高，速度梯度的差異造成了拌筒內(nèi)不同圓環(huán)帶的均勻性存在規(guī)律性的差異。攪拌的低效率區(qū)域位于拌筒中心部位，攪拌速度較低，采用振動攪拌技術(shù)作業(yè)，由于攪拌臂、攪拌葉片與攪拌軸等附加振動能量，振動力作用在周圍的混合料上，消除了攪拌低效區(qū)，攪拌軸上黏附的細(xì)粉料結(jié)團(tuán)明顯減少，同時振動使攪拌結(jié)構(gòu)與水泥穩(wěn)定碎石之間的摩擦力減小，攪拌機(jī)構(gòu)的磨損減小，延長了攪拌結(jié)構(gòu)等易損件的使用壽命。

增加二級攪拌機(jī)，保證拌和質(zhì)量。為了增加有效攪拌時間，一般采用增長攪拌筒的有效長度，但對攪拌結(jié)構(gòu)裝置有更高的要求，攪拌軸較長對設(shè)備來說制造使用會造成一定的困難，成本相應(yīng)也會增加。不少施工采用兩級攪拌的方法來增加攪拌時間，將混合料通過一級攪拌機(jī)后進(jìn)入二級攪拌機(jī)，相當(dāng)于2次同樣的攪拌，這樣水泥能夠充分水化，提高混合料的均勻性，雖然采取二級攪拌設(shè)備能夠在保證生產(chǎn)率的同時，使混合料攪拌更均勻，保證水泥穩(wěn)定土的強度，但是增加了功率的消耗，同時對施工場地的布局要求也更高，整體布局對于二級攪拌的應(yīng)用還是有一定的局限性。采用振動攪拌技術(shù)，將強制攪拌與振動相結(jié)合，促進(jìn)了混合料微觀上擴(kuò)散的速度，從而提高混合料的勻質(zhì)性。但是水泥穩(wěn)定土混合料，水泥用量只在5%左右，水的含量也很小，攪拌最終表現(xiàn)出來的是松散的顆粒狀態(tài)，而且在水泥混凝土的攪拌過程中一般為間歇式設(shè)備，水泥穩(wěn)定土一般為連續(xù)式，雖然攪拌主機(jī)目前多為強制式雙臥軸攪拌機(jī)，有一些攪拌理論及結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用經(jīng)驗可以借鑒，但是在連續(xù)式攪拌機(jī)中添加振動的方式及效果還需要進(jìn)一步研究分析。

3 工程項目簡介

某地外環(huán)高速公路位路線全長22.6km，為了研究采用振動攪拌技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石性能的影響，分別采用振動攪拌技術(shù)設(shè)備生產(chǎn)和普通雙拌缸設(shè)備生產(chǎn)水泥穩(wěn)定碎石性2組對比試驗，進(jìn)行2種不同情況下水泥穩(wěn)定碎石性能研究，對比分析2種攪拌方式下水泥穩(wěn)定碎石性能。

3.1 混合料攪拌設(shè)備

對比試驗為是雙臥軸振動攪拌機(jī)與普通攪拌雙拌缸，振動攪拌設(shè)備的攪拌和振動分別由各自的驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動，因此在攪拌的過程中實現(xiàn)振動，不會影響設(shè)備的可靠性及穩(wěn)定性。2種攪拌設(shè)備的主要參數(shù)如表3所示。

表3 攪拌機(jī)性能參數(shù)對比

3.2 試驗方案

本試驗擬采用萬里交科德通DT600ZBT型高性能穩(wěn)定土振動攪拌站，在原材料、配合比和碾壓工藝等保持一致的條件下，與傳統(tǒng)靜力拌和方式的800型雙拌缸在混合料7d無側(cè)限抗壓強度和反射裂縫2個方面進(jìn)行對比。

3.3 配合比

3.3.1 設(shè)計要求

水泥穩(wěn)定碎石基層壓實度不小于98%，7d浸水無側(cè)限抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值不小于4.0MPa，水泥劑量根據(jù)強度要求確定，建議劑量5.0%～6.0%；水泥穩(wěn)定碎石底基層壓實度不小于97%，7d浸水無側(cè)限抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值不小于3.0MPa，水泥劑量根據(jù)強度要求確定，建議劑量3.0%～4.0%。

3.3.2 原材料

水泥采用P.O42.5水泥，集料由采石場提供，分19～31.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、0～4.75mm四種規(guī)格，選用普通飲用水。

3.3.3 配合比

依據(jù)JTG/E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進(jìn)行原材料和混合料試驗，確定生產(chǎn)配合比供料比例為19～31.5mm碎石∶9.5～19mm碎石∶4.75～9.5mm碎石∶0～4.75mm石屑=28%∶36%∶11%∶25%；下基層目標(biāo)配合比水泥劑量為4.3%，最大干密度為2.198g/cm3，最佳含水率為6.4%；中基層目標(biāo)配合比水泥劑量為4.8%，最大干密度為2.199g/cm3，最佳含水率為6.6%。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 試驗段鋪筑情況

在試驗段進(jìn)行了振動拌和水泥穩(wěn)定碎石與普通攪拌雙拌缸下基層試驗段的鋪筑。水泥劑量為4.0%，各集料實際比例為19～31.5mm碎石∶9.5～19mm碎石∶4.75～9.5mm碎石∶0～4.75mm石屑=200∶440∶130∶230。

4.2 無側(cè)限抗壓強度

根據(jù)細(xì)則要求對2種混合料進(jìn)行室內(nèi)試件成型，并對2組試驗成型試件進(jìn)行無側(cè)線抗壓強度試驗對比，結(jié)果如表4和表5所示。

表4 振動拌和水泥穩(wěn)定碎石下基層7d無側(cè)限抗壓強度結(jié)果

表5 雙拌缸普通拌和水泥穩(wěn)定碎石下基層7d無側(cè)限抗壓強度

從表中可以看出，在4%水泥劑量下，雙拌缸普通拌和時水泥穩(wěn)定碎石強度代表值為4.0MPa，變異系數(shù)為6.9%，滿足規(guī)范中高速公路、一級公路對基層強度的要求，而對4%水泥劑量的水泥穩(wěn)定碎石采用振動攪拌時，水泥穩(wěn)定碎石強度代表值為3.0MPa，變異系數(shù)為5.4%。2組試驗數(shù)據(jù)相比，振動攪拌比雙拌缸普通攪拌強度提高15%，變異系數(shù)降低22%，具有良好的經(jīng)濟(jì)價值。

4.3 裂縫觀測方案

在基層鋪筑前，對下基層試驗段的裂縫情況進(jìn)行一次全面調(diào)查，并與普通靜力攪拌下基層路段進(jìn)行對比。瀝青路面鋪筑后，建立定期對比觀測計劃，采用目測和探地雷達(dá)相結(jié)合的方案對試驗路段和對比路段的反射裂縫進(jìn)行觀測和記錄，觀測時間建議定為1個月、3個月、6個月、12個月和24個月。

5 結(jié)論

將振動攪拌技術(shù)應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石混合料的攪拌過程中，通過試驗對比和工程應(yīng)用實驗檢測對比分析，研究了基于振動攪拌技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石混合料的性能影響結(jié)果及其作用機(jī)理。

實踐證明：采用振動攪拌技術(shù)能有效改善水泥穩(wěn)定碎石水泥團(tuán)現(xiàn)象，有效改善攪拌低效區(qū)的強度，減少離析，能使水泥顆粒分散得更加均勻，改善了混合料的勻質(zhì)性，對粗骨料表面的凈化及增強黏結(jié)強度有明顯的效果，有效保障穩(wěn)定碎石的強度。同配比水泥穩(wěn)定混合料在振動攪拌技術(shù)下，有效地提高了水泥穩(wěn)定碎石各項性能指標(biāo)；在保障強度的條件下，減少水泥劑量，同樣能達(dá)到傳統(tǒng)攪拌下混合料的施工質(zhì)量，同時提升了設(shè)備的穩(wěn)定性、減少了設(shè)備損耗、降低了人工成本。