水泥穩定碎石振動攪拌技術應用分析

高翔

（四川省交通建設集團有限責任公司，四川 成都 610000）

0 引言

在對水泥混凝土、水泥穩定碎石、瀝青混凝土等建筑材料進行攪拌制備時，由于存在拌和不均等問題，水泥穩定碎石基層在早期經常會出現嚴重的收縮裂縫問題，并且在行車荷載的反復作用下，瀝青面層也出現反射裂縫。水穩碎石基層的收縮性能與水泥劑量、用水量、級配等因素息息相關，拌和不均則無法使各類材料充分彌散，粗細集料無法均勻包裹，水與集料的不充分接觸則無法實現水泥的充分水化，致使水穩碎石實際使用級配達不到標準，不得不添加水泥劑量，也就弱化了混合料的抗裂能力，無法很好地抑制裂縫的出現。攪拌過后的水穩碎石混合料不均勻，不僅是指宏觀層面的不均勻，還表現在微觀層面水泥顆粒集聚形成水泥團，未能充分均勻地彌散，導致穩定土的強度、耐久性遭受負面影響。所以，需要采取合理方式將水穩碎石中的水泥顆粒充分彌散。本文以水穩碎石振動攪拌技術在久馬高速公路的應用為基礎，對該項技術展開分析，為同行工作開展提供參考。

1 振動攪拌技術概述

攪拌是水泥混凝土、水泥穩定碎石、瀝青混凝土等建筑材料最基本的制備方法，也是各種建筑材料生產中關鍵的一道工序，直接影響著工程建設的質量和建筑物的壽命。攪拌的目的是通過混合料各物料間的相互碰撞、對流和擴散，使物料顆粒特別是水泥等細微顆粒的彌散分布，達到混合料宏觀及微觀的勻質。由于被攪拌物料的多相性和粒徑的差異性，傳統攪拌混合料的微觀均勻性仍有較大提升的空間。

振動攪拌是宏觀對流運動和微觀擴散運動的完美結合，是在普通攪拌機所具有的宏觀對流運動的基礎上，創新性地采用振動和攪拌一體化技術（見圖1～圖2所示），使振動攪拌機具有獨特的高頻微觀擴散運動。前者使物料在宏觀上“拌勻”，后者讓物料各組分在微觀上“拌透”，振動攪拌實現了短時間內宏觀和微觀的同步，極大提升了攪拌質量和效率。

圖1 振動攪拌機

圖2 振動攪拌拌缸

傳統攪拌多采用雙臥軸攪拌機設備，這種攪拌技術1888年起源于德國，設備主要結構形式為刮刀式或螺帶式。采用振動攪拌技術的優勢如下：

（1）振動攪拌技術使水泥與水充分彌散與水化，同強度下節約水泥15%左右。以水穩層3.4%水泥劑量為例，達到同樣質量要求，采用振動攪拌，每噸水穩混合料至少節省6kg水泥，按0.65元/kg計算，100萬t水穩混合料就可節約390萬元，經濟效益顯著；

（2）達到同樣質量要求，相同配合比時，振動攪拌節省攪拌時間20%以上，產能提升明顯，節約資源、能源；

（3）振動攪拌不易抱軸，節省大量勞動力成本，降低攪拌軸清理安全隱患；

（4）離差系數可降低30%，工程質量一致性好，易控制；

（5）強制攪拌與振動作用相結合，混合料的微觀均勻性好，改變了水泥穩定碎石的固液氣三相結構，使水泥石與骨料間的連接牢固，微觀結構得到改善，同配比下混合料強度提高10%以上，抗裂性能及耐久性能顯著提高；

（6）水穩混合料更均勻，變異系數小，保障混合料攤鋪中不離析，工程質量更穩定，施工好組織；

（7）從源頭上解決水穩基層裂縫的難題，減少后期反射裂縫，延長路面的使用壽命，降低養護周期與成本，同時可樹立品質工程標桿，為施工企業創造良好企業形象；

（8）節省水泥可降低碳排放，符合節能環保綠色施工要求，社會效益明顯。

2 水泥穩定碎石振動攪拌技術在久馬高速公路的應用

久馬高速公路起點為青海省久治縣（川青界）的甲爾多鄉扎隆，北接G0615線青海段，途經德格互通、阿壩互通、查理寺互通、龍日壩互通、中壤口互通、刷經寺互通、王家寨樞紐互通，終點為馬爾康市王家寨，是四川首條高原生態環保示范高速公路，也是四川首條高海拔高原高速公路，連接新疆、青海、四川三地，是川西北部首條高速公路出川大通道，線路總長約224km。其中，在久馬高速公路阿壩段的水穩碎石底基層、基層施工中，采用一臺普通雙拌缸水穩碎石攪拌設備和一臺新型水穩碎石振動攪拌設備（見圖3 和圖4 所示），對水穩碎石混合料進行拌和[1-2]。

圖3 普通雙拌缸攪拌設備

圖4 振動攪拌設備

2.1 拌和均勻性分析

對同種級配的水穩碎石混合料在普通攪拌和振動攪拌的拌和方式下產生的集料分布情況展開分析，如圖5、圖6所示。

圖5 水分布對比

圖6 細集料分布對比

從圖5的對比中能夠看出，采用普通攪拌設備拌和的混合料色澤非常暗淡，水分分布不均，而采用振動攪拌設備拌和的混合料表面水分充分浸入。從圖6的對比分析能夠看出，采用普通攪拌設備拌和的混合料，細集料并未將粗集料完全包裹住，而采用振動攪拌設備拌和的混合料粗細集料充分接觸，粗集料完全被細集料包裹。對這一情況的形成原因進行分析，主要體現在如下幾點：

（1）普通拌和時，僅僅在拌缸入口處設置了加水裝置，完全依靠拌缸葉片軸向攪拌，很難讓水分與所有集料充分接觸，造成混合料含水量不均勻，進而容易導致混合料形成過濕或泛白兩種極端情況；

（2）采用振動攪拌是低速攪拌+高頻振動的復合，能夠充分打散水泥團，水泥顆粒充分彌散，保證水泥在混合料中的均勻分布，水化反應更充分，水泥更容易包裹在粗集料的表面，促使與之接觸的細集料都能黏附上去；

（3）采用振動攪拌時，物料會在攪拌葉片的作用力下呈現出左右螺旋式的運動軌跡，并且還會在圓周方向進行拋撒、剪切運動，同時沿著軸向朝著出料口移動，移動過程中伴有高頻振動，能夠讓混合料始終處在震顫狀態中，粉料與水的彌散更加充分，也能加速水泥的水化反應。粗集料、細集料、水化物三者的不斷碰撞，促使粗骨料被細集料、水化物完全包裹，不但保證了拌和質量，也能有效縮短混合料的拌和時間，大大提高拌和作業的質量與效率。

2.2 礦料級配分析

對普通攪拌和振動攪拌拌和方式下的混合料進行篩分，計算出拌和過程中水穩碎石混合料的礦料級配標準差（其中普通攪拌30組數據，振動攪拌35組數據），兩種拌和方式的變異性對比見表1所示，無側限抗壓強度對比見表2所示，芯樣對比見圖7所示。

表1 不同拌和方式下礦料級配的變異性

表2 不同拌和方式下無側限抗壓強度

圖7 芯樣對比

從表1中可以看出：篩孔尺寸越小則變異系數越大。相較于普通攪拌而言，振動攪拌礦料級配的變異性更小。其中0.6mm篩孔處的變異性系數要比其他篩孔更大。原因在于篩孔尺寸越小，水穩碎石混合料的通過率也隨之減小，振動攪拌能夠讓水穩碎石混合料的細集料均勻分配給所有粗集料，也就確保了拌和的均勻性，變異性大大降低。

從表2和圖7可以看出：普通攪拌芯樣不密實，有夾渣，孔洞多，松散，而振動攪拌芯樣均勻完整密實，骨料分布均勻，無明顯孔洞。在同一水泥劑量下，振動攪拌混合料較普通攪拌混合料無側限抗壓強度高0.4～1.0MPa；在達到設計要求強度4.0MPa時，普通拌和與振動拌和所對應的水泥劑量分別為3.9%和3.6%，水泥消耗量降低8%。原因在于振動攪拌設備的拌缸是在普通雙臥軸強制式拌和的基礎上，在拌和軸裝置上添加偏心塊，并配置2 個15kW電機驅動激振裝置，將激振裝置與拌和軸連接，使振動趨勢能傳導給拌和軸，實現一邊拌和一邊振動，高頻振動作用使水泥水化更充分，實現宏觀和微觀同步，在保證和易性的同時，粘聚性更佳，攪拌質量明顯提升；水泥水化物和細集料將粗骨料均勻包裹，大粒徑的粗骨料表面相當于均勻涂抹了一層“潤滑劑”，骨料在移動時，其間的摩阻力降低，壓實功更容易向下傳遞，碾壓更加密實，基層整體性顯著提升。同時，在滿足設計強度前提下，適當降低水泥劑量，減少水泥水化熱影響，可有效減少基層裂縫。

2.3 水泥穩定碎石層開裂的控制措施

久馬高速平均海拔在3000m 以上，沿線年均氣溫1.4℃，晝夜溫差可達28.4℃，一天可見四季。受雨、雪、冰、霧、風等惡劣氣候交錯影響嚴重，氣候條件惡劣，如何有效減少水穩層開裂是質量控制關鍵點。在該項目的水穩拌合站取樣篩分中發現，由于原材料不穩定，不同時間基層級配中4.75mm通過率相差達到6%；在現場同一橫斷面取樣篩分發現，基層級配中4.75mm 通過率相差達到12%；芯樣外觀還表明水穩基層頂部與底部也存在離析現象。由于原材料和設備問題，導致水穩基層級配變化太大，質量控制難度大。室內試驗密度偏低，不能很好地指導現場壓實，現場壓實度和強度均未能達到最理想狀態，影響基層強度成型，導致基層抗拉強度偏低，在強度薄弱斷面處引起開裂。可見，雖然振動攪拌技術較普通攪拌技術具有顯著優勢，但是還需要其他施工控制措施的配合，才能保證水穩碎石層的穩定性和可靠性。

2.3.1 加強原材料和級配控制

（1）要求各單位加強對路基改善層的級配控制和施工控制，重點對碎石的級配波動、含水量、最大干密度、壓實度、高程及厚度進行嚴格控制。

（2）由于久馬高速原材料料源多樣、卵礫石粒徑偏小、破碎面較少，各檔集料的單級配波動大，還需加強碎石加工源頭質量控制。控制加工用于基層集料的卵礫石的粒徑不小于8cm，集料破碎面、各檔集料單級配、粉塵含量、針片狀含量、塑性指數應達到設計和基層施工技術細則的要求。

（3）加強水泥穩定碎石級配控制，施工過程中，材料品質或規格發生變化、水泥品種發生變化，應重新進行材料組成設計。在正式拌制混合料之前，應先調試所用的設備，使混合料的級配組成和含水量達到配合比的規定要求，原材料的顆粒組成發生變化時，應重新調試設備，確保級配穩定。

（4）由于現場壓實功與室內擊實功存在較大差異，加之原材料品質不穩定，重型擊實試驗測得的最大干密度偏小，由此確定的最佳含水率存在誤差。還需結合室內數據進一步分析最大干密度偏小的原因，要求現場鉆取芯樣后及時測量密度及強度，與室內成型試件的密度及強度進行比較，修正室內重型擊實試驗和靜壓成型試驗，確定最大干密度和最佳含水率，以此控制混合料含水率、水泥劑量和現場壓實度。

2.3.2 加強混合料生產工藝的質量控制和成品養護

（1）水泥穩定碎石混合料拌和時，控制室人員要嚴格按配合比確定的各料斗流量進行配料，并根據當天天氣和運距情況，及時調整含水量。碎石料斗旁輔以專人，避免出料口堵塞情況發生，確保下料準確，拌和均勻，沒有粗細顆粒離析現象。

（2）在運輸過程中，保持車廂干凈，覆蓋篷布，混合料盡快運送到鋪筑現場，防止水分過分損失。

（3）攤鋪采用性能良好的攤鋪機，項目還采用“水穩拌和站一體化管控系統“”3D攤鋪激光引導系統”等技術，提高拌和質量和攤鋪精度。

（4）在水穩層養生時，項目還采用節水保濕養生膜+保溫棉絮+防滲土工布三層覆蓋方式進行養生，有效降低水穩層養生期間的溫差影響。

3 結束語

綜上所述，高速公路半剛性基礎容易出現收縮裂縫與耐久性差的問題，很大一部分原因源自水穩碎石混合料攪拌不均勻，水與水泥等粉料拌和不均而出現水泥團，拌和的水穩碎石無法達到固、液、氣三相完全均勻的結構狀態。而振動攪拌技術的應用，能夠促使水泥與水的充分彌散，在確保水穩碎石強度不降低的基礎上，減少水泥用量，降低裂縫發生率。同時，通過本文對久馬高速公路項目中水穩碎石基底出現開裂情況的分析，發現振動能促進粉料與水的彌散，加速水與水泥的水化反應，促使粗細骨料與水泥的水化物能緊密包裹，從而形成拌和質量良好的混合料，用于高速公路施工中，能有效減少裂縫的產生和提高耐久度。