聚合物碾壓混凝土農村公路實驗研究*

王 軒，張艷華

（河南交通職業技術學院橋梁智能監測與安全預警河南省工程實驗室，河南 鄭州 450000；河南省高速公路科普基地，河南 鄭州 450000）

1 研究背景

水泥穩定碎石基層產生反射裂縫是半剛性材料常見的病害，有設計的因素影響也有施工的原因，其中施工環節較多，每一個環節都有可能帶來不確定性，其中較大的因素是穩定碎石混合料拌和與養護，普通的拌和設備很難達到充分拌和均勻的理想狀態，后期養護過程中的溫縮和干縮也是不可忽略的重要因素[1-2]。反射裂縫處除了影響道路的正常行車外，雨水的滲入加劇了病害的發展，造成基層脫空或唧泥，直接影響路基強度和承載力，給行車帶來安全隱患，縮短道路的使用壽命[3]。水泥穩定碎石施工時采用振動攪拌技術，不僅能提升混合料的拌和均勻性，改善和易性，同時可以節省水泥，縮短拌和時間，能有效地減少由拌和質量不均帶來的水穩基層病害的發生[4]。比較普通攪拌雙拌缸機械和振動攪拌機械所生產混合料的技術指標，通過檢測實驗路段表明，采用振動攪拌技術不僅有效改善和穩定材料微觀均勻性與結構，提高水泥穩定碎石混合料拌和的和易性，還能明顯減少離析現象的產生，在同樣的強度保證下可以減少水泥用量，減少和延緩反射裂縫產生，耐久性顯著提高[5]。項目研究依托某縣鄉道路施工，開展水泥混凝土聚合物碾壓路面設計與施工，對新農村公路建設實際道路設計案例進行分析研究，旨在對基層道路鄉村振興使用過程中提高農村碾壓混凝土公路強度和承載力，提高公路的使用品質，有效減少農村道路半剛性基層出現的反射裂縫等常見病害，提高路面的摩擦系數和耐磨、防水、耐久等問題的困惑，同時提高農村道路的使用率，提高農村公路的使用品質，助力美麗農村建設和國家的新農村脫貧攻堅。項目通過探索研究試驗路段，在目前農村道路養護條件受限的情況下，開展農村公路碾壓混凝土受力特點、配合比、施工工藝、施工技術條件、工程養護等指標試驗，通過工程實例驗證農村公路含有聚合物表層的碾壓混凝土路面承載能力高、可承受適量重載交通等優勢，研究成果對建設“四好”農村公路、美麗鄉村振興具有積極意義。

2 振動攪拌作用機理分析

2.1 聚合物改性水泥混凝土存在的問題

農村公路是公路網重要組成部分，是農村發展最重要的公共基礎設施之一，聚合物碾壓混凝土公路設計是一種較為實用的基層道路結構，主要表現在水泥用量少，施工中含水量低，不影響農村道路的正常通行，施工速度快，交通開放早，養護費用低等特點。目前河南省對農村公路建設的重視程度還有待提高，結合農村時間條件對適合鄉村道路的相關研發滯后，路面結構簡單，養護管理基本以日常清掃為主，其他措施較少，工程設計受造價因素制約一般多采用就地取材，交通組成以輕交通量為主，重載交通少，但交通增長率較快，影響農村經濟發展和農民的脫貧致富。采用混凝土路面設計，雖然耐久性好、強度高，但工程造價、施工機械化方面都無法有較明顯的提高，制約了農村經濟的發展。因此，改善農村道路結構設計，在碾壓混凝土時摻入一定的聚合物，采用振動攪拌技術，提高施工的和易性，有效提高強度和耐久性，有一定的積極意義。振動攪拌的聚合物混凝土是一種多相非均質材料，結構復雜，添加的聚合物種類繁多，外加擠、摻量及養護等因素均會造成影響，主要表現在聚合物價格偏高，與混凝土相比，纖維聚合物成本較高，導致纖維聚合物難以大面積推廣，常作修補、防腐內襯等[6]；纖維高聚合物碾壓混凝土目前沒有統一的成型工藝，多采用經驗施工，高標準的施工工藝難以大規模推廣使用；纖維高聚合物對混凝土抗壓強度影響研究也較少，沒有進行系統的實驗分析，很多試驗數據結果分析出的研究結論差異較大，同時多數學者研究認為纖維聚合物對混凝土強度存在負面影響，但也有部分研究試驗證明，摻加適量纖維聚合物對混凝土強度是有利的，可以提高抗壓強度[7]。

2.2 連續攪拌設備的工作流程

使用水泥穩定攪拌設備，將水泥、集料、水以及外加劑等原材料，按施工配合比設計的比例混合，經過一系列的物理攪拌過程，形成一定含水量要求的符合質量標準的混合料，通過運輸攤鋪和碾壓形成一定強度的路面基層。目前工程使用的混合料攪拌設備有多種規格型號，雖然結構構件存在差異，但總體原理基本一致，只是不同設備功能和結構組成略有不同。

工程實踐中，設備攪拌施工的工作流程是：原材料分類設置，不同檔次不同規格的礦料分別對應不同的機組料倉，采用裝載機裝入各料倉中，調整運輸料的皮帶速度，設定好參數，按照配合比設計，由集料皮帶輸送機輸送到攪拌機中，各集料的配比設計采用施工配合比；水泥或石灰等黏結料由結合料儲存配給系統，設定連續計量參數，連續計量并輸送到攪拌機中；施工拌和用水，采用流量計計量，將準確計量的水泵送到攪拌機中；通過主機攪拌，將各種材料均勻拌和，按照一定的攪拌時間拌制，最后形成色澤均勻的成品混合料；攪拌結束后，用成品料皮帶輸送到儲料斗中，然后運輸至工地攤鋪和碾壓成型。

拌和時因集料種類不同，需設置不同的倉位分別對應，無論采用獨立計量還是累計計量均應設置相應的參數，將準確計量的集料運輸至攪拌主機進行攪拌；粉料配料系統是存儲計量粉料（如水泥、粉煤灰等）的裝置，采用儲存、計量、輸送一體化設計，動態連續稱量減法秤，通過連續地攪拌將集料、粉料、液態原材料、添加劑等充分拌和。

2.3 現有攪拌技術可以改進之處

續式雙臥軸攪拌機的運動方式分為垂直運動和水平運動，2 種類型的運動方式混合作業，混合料垂直運動的翻拌方式，與常見的間歇式攪拌機作用原理近似，利用重力作用，傳動軸葉片滾動帶動混合料上升下落來進行攪拌。水平運動作業的翻拌，用2 根軸上的葉片同時轉動，改變混合料的運動軌跡，推動混合料在水平方向沿同一方向運動，使拌缸的混合料向統一方向運動到輸送設備上運輸。

自落式與強制式攪拌機械是工程上普遍采用的機械，強制攪拌技術多用于拌制穩定土，實踐表明，連續式強制攪拌機械使用功能明顯不足。

攪拌時間相對較短，均勻性不足，水泥穩定碎石微觀勻質性差。如水泥穩定碎石采用雙臥軸連續攪拌施工，普通連續式攪拌機工作過程中，攪拌時間基本設定在10 s 以內，時間較短是微觀均勻性差的主要原因，水泥等粘合料沒有完全散水化，水分與細粉料沒有完全結合，結構中水泥水化不充分，水化后的水泥等粉料與粗骨料不能充分攪拌，水泥有團聚現象，結果是造成水泥浪費，水化不徹底，混合料孔隙率高，凝結硬化過程受到影響，直接影響穩定碎石的強度。

機械攪拌線速度不高是造成效率低的主要原因。采用雙臥軸連續攪拌水泥混合料，提高攪拌的勻質性，提升混合料拌和質量與效率，就需要加大轉動軸的轉速，但是提高轉速會帶來較大的離心力，高速旋轉的混合料容易造成混合料的離析出現，勻質性反而會下降，攪拌葉片高速轉動不僅離心力大易離析，同時容易產生骨料二次破碎和分層，葉片容易磨損，能耗增大不經濟。

靜力攪拌和強制攪拌都存在速度轉動的梯度差異和攪拌低能效區。采用常見的雙臥軸連續攪拌施工，圓形的攪拌臂及其葉片轉動，中心部分的線速度慢，圓筒遠端靠近拌筒壁的地方線速度快，這種速度梯度造成速度由中心向遠端遞減，混合料在不同速度的轉動下形成不同速度攪拌區，拌筒中心部位速度慢，混合料充分攪拌的機會減少，形成攪拌低效區。

3 水泥穩定碎石振動攪拌效果分析

3.1 振動攪拌能有效改善混合料水泥團現象

穩定碎石較多采用骨架密實結構，碎石為骨料形成支撐，摩擦系數較大，骨料間的嵌擠作用是強度主要來源，骨料間的空隙則由細集料和水泥漿填充。混合料中水泥水化凝結過程中隨著齡期時間的推移，強度逐漸形成，最終形成致密的結構，所以骨架密實結構的水泥結構穩定，混合料水泥攪拌的均勻程度和水化程度是混合料強度的決定性因素。

實踐證明，普通靜力攪拌影響混合料均勻性的較多，一般情況下仍有10%～30%的水泥顆粒沒有分散開，容易造成水泥團結，影響水泥穩定碎石的強度，即使經過充分攪拌也很難達到完全分散。采用振動攪拌技術，拌和時產生一定的振動，一定的振幅和頻率振動增加水泥顆粒的運動次數，充分參與循環對流，在攪拌中增大剪切作用，有效緩解水泥的團結現象，減少水泥聚團顆粒，增加振動能量，破壞了水泥膠結物的黏性連接，促使水泥顆粒均勻分布，提高水化程度，改善混合料的勻質性，提高水泥穩定碎石的強度。

3.2 振動攪拌凈化粗骨料增強粘結強度

水泥穩定碎石施工，混合料中水泥漿硬化膠結后，包裹在骨料表面，將砂石等骨料膠結成整體凝結硬化，從力學強度角度分析，粗骨料的強度要高于水泥石的強度，骨料表面與水泥石的粘結力是最小的，在水泥與骨料的界面處形成界面過渡區，界面過渡區則是混合料強度最薄弱的區域。

采用普通的靜力機械混合料攪拌時，粗集料表面或多或少會粘附部分灰塵，在拌和過程中吸附水分子，比較容易產生水膜，水膜界面會影響水泥顆粒與骨料的緊密粘結，造成粘結力降低，同時水泥水化產生晶體結構粘附在骨料表面，部分會產生疏松，降低了水泥與骨料的粘結。使用振動攪拌，攪拌軸振動產生的波動能量消除集料表面的水膜，加強水泥顆粒與骨料表面的緊密結合，增加混合料的均勻性，有效地凈化粗骨料的接觸面，提高混合料的粘結性能。

將普通機械拌和和振動機械拌和的混合料粗集料進行對比實驗，在實驗室放大后觀察粗集料表面，采用普通機械拌和，水化產物和粗細骨料接觸界面的過渡相結構疏松，孔洞及縫隙明顯存在，而采用振動機械攪拌的混合料則相對密實均質，結構緊密，縫隙和裂紋不明顯，粘結效果明顯高于普通攪拌后的混合料。繼續放大2000 倍發現，采用振動攪拌的混合料，水化形成的硅酸鈣凝膠顆粒結構粗大密實聯系，單個顆粒不明顯，普通攪拌的水化硅酸鈣凝膠顆細小松散，散落于骨料界面。實踐證明：采用振動攪拌的混合料骨料與水化物粘結更緊密，均勻性和結構穩定性明顯提高。

3.3 振動攪拌可以有效改善攪拌低效區拌和效果

采用普通靜力攪拌技術，轉動軸靠近軸心部分線速度低，在轉動軸圓周拌筒壁處線速度快，拌軸圓周遠端物料相互攪拌碰撞的速度頻率遠遠高于拌軸中心處的物料，造成攪拌均勻性較差。采用振動攪拌技術，高速旋轉的振動軸產生振動波，以振動軸為振源中心，混合料通過傳播介質，自波源振動產生的振動波依次沿著各個方向傳播，靠近振源振動能量越強，料吸收的振動能量越充足，拌和越均勻效果越好，遠離振源振動能量越弱，振動能量會逐漸衰減，吸收振動能量偏少，這種振動能量梯度的產生，與速度梯度可以形成優劣互補，有效改善振動軸心處低效區混合料拌和效果。

振動攪拌使混合料逐漸從筒壁處推向攪拌軸附近，往復循環，形成循環對流運動，吸收振動能量后被攪拌葉片轉動推移到筒壁遠端進行頻率交換擴散運動，在攪拌的同時加以振動作用，實現了振動能量梯度與攪拌線速度梯度的優勢互補，能有效地克服普通靜力攪拌產生低效區的缺陷，改善混合料均勻性及拌和效果。

4 工程應用

本項目五龍路（開元大道至富士路）路面工程，起點與開元大道交叉，向東經過弘農北路、解放北路、河濱西路后，經大橋跨越弘農澗河，繼續向東經河濱東路、物華路，終點止于富士路平面交叉處。項目起點為 K0+116，項目終點為樁號 K2+455，里程2.339 km，設計40 km/h。交通量大且主要以重載貨車為主，五龍路車輛碾壓且每天灑水降塵致使出現不同程度損壞，對此段路面進行修復。招標范圍：路面、標線、公交站硬化（不含候車亭）、人行道更換等。道路現狀為開元大道-河濱路兩側人行道6 m＋行車道18 m=30 m，瀝青混凝土路面。灰土泥結卵石結構約20 cm 厚，K0+350～K1+275 基層水泥碎石，18 cm 厚處病害嚴重。

道路水泥穩定基層，混凝土是干硬性混凝土，振動壓實壓密形成，抗壓等級低于C15，水泥用量小于200 kg/m3，具有承載力高、抵抗沉降力強、收縮小、施工快、成本低特點，實地調研，就地取材，料源、規格、品種不同分批檢測和存儲，場地硬化處理，排水良好。采用振動攪拌技術設備生產水泥穩定碎石，采用萬里交通德通DT600ZBT 型高性能穩定土振動攪拌站，保持原材料、配合比和碾壓工藝等不變，配合比設計水泥劑量為4.0%，各集料實際比例為19～31.5 mm 碎石∶9.5～19 mm 碎石∶4.75～9.5 mm 碎石∶0～4.75 mm 石屑=200∶440∶130∶230。進行了混合料室內試件成型試件無側線抗壓強度試驗，實驗結果表明，振動攪拌比雙拌缸普通攪拌強度提高15%，變異系數降低22%，施工效果顯著提高。采用不同壓實度進行研究表明，壓實度越高性能越好，0.96～0.98時穩定嵌擠結構，兩種指標劈裂、抗折強度增長最快；在抗裂性能測試中，當摻量聚合物纖維0.1%時，有利于增強抗壓強度，過多反而下降；適量摻量利于保證抗折和劈裂強度。摻量0.2%時26 mm長度強度增長明顯，利于拉壓比，摻量0.1%～0.2%時纖維26 mm效果最明顯。

5 結論

通過對現有水泥穩定碎石攪拌設備進行比較，分析了現有普通靜力攪拌技術存在的短板與不足和采用振動攪拌技術的優勢，研究了基于振動攪拌技術對混合料的性能影響及作用機理。實踐證明，振動攪拌技術有效改善攪拌低效區的強度，減少離析，能有效改善水泥穩定碎石水泥團現象，提高混合料的勻質性，凈化粗骨料表面，增強粘結強度，在滿足強度指標的條件下，減少水泥劑量，同樣能達到靜力攪拌的施工效果。