水泥穩(wěn)定碎石不同類型攪拌技術(shù)對(duì)比研究

陸 輝，周文偉，韋逸清

(1.廣西南天高速公路有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層/底基層作為公路路面承重層的一種主要形式，因其良好的力學(xué)性能、水穩(wěn)定性、抗凍性等在道路建設(shè)中得以廣泛應(yīng)用[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路所承受的車流量和行車荷載呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層的質(zhì)量提出了更高的要求。水泥穩(wěn)定碎石攪拌得不充分不均勻，會(huì)極大影響半剛性基層的路用性能，造成路面開裂、唧泥等病害。所以，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石攪拌方法進(jìn)行優(yōu)化是提升半剛性結(jié)構(gòu)層質(zhì)量、延長路面使用壽命的關(guān)鍵[2-3]。

傳統(tǒng)的水泥穩(wěn)定碎石混合料主要采用單拌缸無振動(dòng)攪拌方式進(jìn)行攪拌，在隨后的發(fā)展中，逐步衍生出了雙拌缸無振動(dòng)攪拌。近些年來，提出了機(jī)械強(qiáng)化攪拌的方法，在攪拌的基礎(chǔ)上施加振動(dòng)作用以解決拌和不均勻不充分的問題，形成了新的振動(dòng)攪拌方式。但這三種拌和方式對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能影響的差異則尚無現(xiàn)場大量實(shí)體工程實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行論證。

綜上所述，本文通過工程試驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)階段主要使用的三種攪拌方式(單拌缸無振動(dòng)攪拌、雙拌缸無振動(dòng)攪拌、單拌缸振動(dòng)攪拌)進(jìn)行比對(duì)，探究不同攪拌方式生產(chǎn)的水泥穩(wěn)定碎石混合料之間的差異，以確定最佳攪拌方式。

1 工程背景

廣西某高速公路2016年開工建設(shè)，2018年11月建成通車。其某標(biāo)段路面結(jié)構(gòu)層為20 cm級(jí)配碎石墊層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層+33 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+透層+封層+8 cmAC-25瀝青下面層+6 cmAC-20改性瀝青中面層+4 cmAC-13改性瀝青上面層。其中，水泥穩(wěn)定碎石底基層7 d浸水抗壓強(qiáng)度要求≥3 MPa，水泥穩(wěn)定碎石基層7 d浸水抗壓強(qiáng)度要求≥5 MPa。

該標(biāo)段共設(shè)兩個(gè)水泥穩(wěn)定碎石拌和站，1#水穩(wěn)拌和站攪拌機(jī)為組合式，由兩套貝特600型拌和機(jī)的單拌缸串聯(lián)組合成為一個(gè)雙拌缸的水泥穩(wěn)定碎石攪拌設(shè)備，最大產(chǎn)量為550 t/h。2#水穩(wěn)拌和站攪拌機(jī)為單機(jī)德通振動(dòng)攪拌機(jī)，對(duì)攪拌過程中的混合料施加一定頻率的彈性波，使混合料更均勻，拌和更充分，最大產(chǎn)量可達(dá)到580 t/h。當(dāng)關(guān)閉激振器時(shí)，該拌和機(jī)即相當(dāng)于單拌缸無振動(dòng)攪拌機(jī)。詳見圖1。

圖1 單拌缸振動(dòng)攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

通過兩個(gè)拌和站可得到三種不同的攪拌方式生產(chǎn)出來的水泥穩(wěn)定碎石，即單拌缸無振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石、雙拌缸無振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石及單拌缸振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石。

2 技術(shù)指標(biāo)

為確保單拌缸無振動(dòng)攪拌、雙拌缸無振動(dòng)攪拌及單拌缸振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的水泥穩(wěn)定碎石性能指標(biāo)的對(duì)比準(zhǔn)確性，需排除其他可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響的因素，因此在開展試驗(yàn)過程中始終保持三種攪拌方式的原材料、配合比、現(xiàn)場施工條件、施工工藝相同，相關(guān)的保養(yǎng)及其他養(yǎng)護(hù)條件相似。

2.1 原材指標(biāo)

2.1.1 水泥

相關(guān)檢測結(jié)果如表1所示。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果表

2.1.2 粗集料

粗集料使用質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、干凈的石灰?guī)r碎石。其試驗(yàn)檢測結(jié)果如表2所示。

表2 粗集料質(zhì)量檢測結(jié)果表

2.1.3 細(xì)集料

細(xì)集料使用質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、干凈的機(jī)制砂，采用粒徑10～20 mm的粗集料加工而成。其試驗(yàn)檢測結(jié)果如表3所示。

表3 細(xì)集料質(zhì)量檢測結(jié)果表

2.1.4 水

該項(xiàng)目水泥穩(wěn)定碎石拌和用水選用自來水，水質(zhì)較好。

2.2 攤鋪設(shè)備及攤鋪碾壓工藝

現(xiàn)場采用單臺(tái)單幅全寬的中大DT1900攤鋪機(jī)進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石攤鋪，1臺(tái)戴納派克雙鋼輪壓路機(jī)+2臺(tái)悍馬單鋼輪壓路機(jī)+2臺(tái)徐工膠輪壓路機(jī)進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層碾壓。

底基層壓實(shí)厚度為20 cm，單層全斷面一次性鋪筑。其碾壓工藝為1遍靜壓+4遍振動(dòng)碾壓+4遍膠輪揉搓擠密+2遍或2遍以上靜壓收面。

基層分兩層攤鋪，下基層壓實(shí)厚度為17 cm，上基層壓實(shí)厚度為16 cm，層間灑布水泥粉連接，全斷面攤鋪。其碾壓工藝為1遍靜壓+3遍振動(dòng)碾壓+4遍膠輪揉搓擠密+2遍或2遍以上靜壓收面[4]。

2.3 配合比設(shè)計(jì)

為保證相關(guān)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，對(duì)用于此次科研的試驗(yàn)段均采用同一石場生產(chǎn)的碎石和同種水泥進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石的生產(chǎn)。三種攪拌方式的水泥穩(wěn)定碎石生產(chǎn)配合比也完全相同。水泥穩(wěn)定碎石基層配合比為：19～26.5 mm∶9.5～19.5 mm∶4.75～9.5 mm∶0～4.75 mm=17∶26∶22∶35，最佳含水量為5.1%，水泥劑量為5.0%。水泥穩(wěn)定碎石底基層配合比為：19～26.5 mm∶9.5～19.5 mm∶4.75～9.5 mm∶0～4.75 mm=16∶27∶21∶36，最佳含水量為5.4%，水泥劑量為4.0%。

2.4 保養(yǎng)及其他要求

保養(yǎng)對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度有顯著影響。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，各試驗(yàn)段均選擇氣溫相差不大的時(shí)間段進(jìn)行施工。施工完成后采用土工布覆蓋灑水保養(yǎng)≥7 d。養(yǎng)護(hù)期內(nèi)禁止除水車外的所有車輛在結(jié)構(gòu)層上行駛。

3 三種攪拌方式生產(chǎn)的水泥穩(wěn)定碎石混合料性能對(duì)比

3.1 現(xiàn)場鋪筑狀況對(duì)比

在同等材料、同等配合比、同等施工工藝的前提下，分別觀察單拌缸無振動(dòng)攪拌機(jī)、單拌缸振動(dòng)攪拌機(jī)及雙拌缸無振動(dòng)攪拌機(jī)生產(chǎn)的混合料的攤鋪情況。

通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，三種攪拌方式生產(chǎn)的混合料表面均無明顯離析，單拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料顏色比雙拌缸無振動(dòng)攪拌及單拌缸振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料顏色要深一些，粗集料顆粒表面并未被水泥漿液很好地包裹，邊部離析也比另外兩種攪拌方式生產(chǎn)的混合料嚴(yán)重。而雙拌缸無振動(dòng)攪拌及單拌缸振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料色澤差異不大，單拌缸振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料粗集料表面包裹性更好，顯得均勻濕潤；雙拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料粗集料表面略顯干燥，包裹性也不如單拌缸振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料。

這三段水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，現(xiàn)場進(jìn)行鉆芯取樣，觀察芯樣外觀。經(jīng)觀察對(duì)比，發(fā)現(xiàn)三種振動(dòng)攪拌方式粗集料分布相差不大，但是單拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料水泥與細(xì)集料未能充分彌散，出現(xiàn)細(xì)集料顆粒剝離現(xiàn)象。三處水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層的芯樣均存在一定的孔隙，但是根據(jù)對(duì)比可知，單拌缸振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料孔隙率<雙拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料孔隙率<單拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料孔隙率。根據(jù)現(xiàn)場芯樣對(duì)比可得出，振動(dòng)攪拌能更好地使細(xì)集料和水泥充分彌散，使細(xì)集料和水泥分布更均勻。

3.2 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比

為對(duì)比三種攪拌方式生產(chǎn)的混合料性能，現(xiàn)場進(jìn)行取料，進(jìn)行水泥劑量滴定，選取水泥劑量一致的混合料，在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試樣制作及養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。得出數(shù)據(jù)如表4～7所示。

表4 單拌缸無振動(dòng)攪拌及單拌缸振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料強(qiáng)度對(duì)比表(底基層)

3.2.1 混合料強(qiáng)度離散系數(shù)對(duì)比

根據(jù)表4中的單拌缸未振動(dòng)、單拌缸振動(dòng)及表7中雙拌缸未振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的底基層混合料強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行離散系數(shù)計(jì)算。離散系數(shù)計(jì)算公式如式(1)所示：

表7 單拌缸無振動(dòng)攪拌及雙拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料強(qiáng)度對(duì)比表(底基層)

(1)

式中：σ——標(biāo)準(zhǔn)差；

X——平均值。

單拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的底基層混合料強(qiáng)度平均值=4.6

離散系數(shù)：

雙拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的底基層混合料強(qiáng)度平均值=4.9

離散系數(shù)：

單拌缸振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的底基層混合料強(qiáng)度平均值=(5.1+5.2+5.2+5.1+5.2+5.1)/6=5.15

離散系數(shù)：

根據(jù)離散系數(shù)數(shù)據(jù)可知：V單無振>V雙無振>V單振。

由此可以得出，三種攪拌方式中，單拌缸振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料更為均勻、穩(wěn)定，強(qiáng)度波動(dòng)幅度較小。

3.2.2 振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的不同水泥劑量混合料強(qiáng)度提升比例對(duì)比

根據(jù)表4及表5中的強(qiáng)度提升比例，計(jì)算平均提升比例。

表5 單拌缸無振動(dòng)攪拌及單拌缸振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料強(qiáng)度對(duì)比表(基層)

根據(jù)表4計(jì)算強(qiáng)度提升平均值：

X底=(6.3+13+10.6+15.9+10.6+15.9)/6=12.05

根據(jù)表5計(jì)算強(qiáng)度提升平均值：

X基=(15.8+13.6+11.5+15.8+11.7+13.8)/6=13.7

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，X基>X底，基層水泥含量為5%，底基層水泥含量為4%。由此可得出，振動(dòng)攪拌可使水泥分布更均勻，水泥含量越多，強(qiáng)度提升越明顯。

3.2.3 單拌缸無振動(dòng)攪拌與單拌缸振動(dòng)攪拌強(qiáng)度對(duì)比

根據(jù)表4的強(qiáng)度提升比例可得出，單拌缸振動(dòng)攪拌相對(duì)于單拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料(水泥含量4%)強(qiáng)度有明顯提升，強(qiáng)度提升比例在6%～16%。

因此，單拌缸振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料比單拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料強(qiáng)度更高。

3.2.4 單拌缸振動(dòng)攪拌與雙拌缸無振動(dòng)攪拌強(qiáng)度對(duì)比

根據(jù)表6的強(qiáng)度提升比例可得出，單拌缸振動(dòng)攪拌相對(duì)于雙拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料(水泥含量5%)強(qiáng)度有明顯提升，強(qiáng)度提升比例在6%～10%。

表6 單拌缸振動(dòng)攪拌及雙拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料強(qiáng)度對(duì)比表(基層)

因此，單拌缸振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料比雙拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料強(qiáng)度更高。

3.2.5 單拌缸無振動(dòng)攪拌與雙拌缸無振動(dòng)攪拌強(qiáng)度對(duì)比

根據(jù)表7的強(qiáng)度提升比例可得出，雙拌缸無振動(dòng)攪拌相對(duì)于單拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料(水泥含量4%)強(qiáng)度有明顯提升，強(qiáng)度提升比例在4%～10%。

因此，雙拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料比單拌缸無振動(dòng)攪拌生產(chǎn)的混合料強(qiáng)度更高。

4 結(jié)語

根據(jù)試驗(yàn)檢測及數(shù)據(jù)對(duì)比可知，目前常見的三種水泥穩(wěn)定碎石攪拌方式以單拌缸振動(dòng)攪拌效果最佳，其次為雙拌缸無振動(dòng)攪拌，單拌缸無振動(dòng)攪拌效果一般。

振動(dòng)攪拌機(jī)可使水泥及細(xì)集料更均勻地分布，混合料不易離析，由此達(dá)到提升混合料強(qiáng)度及穩(wěn)定性的目的。當(dāng)水泥含量不同時(shí)，其強(qiáng)度提升比例也有所區(qū)別，水泥含量越高，提升的比例越高。