振動攪拌水穩碎石均勻性及性能試驗分析

朱成云

（四川公路橋梁建設集團有限公司機械化施工分公司，四川 成都 610000）

0 引言

在長期的工程實踐中，人們發現水穩碎石基層具有良好的承載能力，但是也存在一定的缺陷問題，比如容易出現裂縫，并且快速拓展到面層，抗彎能力相對較差，對公路路面的耐久性造成不良影響[1]。水穩碎石中水泥含量通常不超過5%，利用傳統攪拌設備進行拌制時，操作時間較短，使得水泥顆粒容易出現團聚現象，水化不充分，難以對骨料進行均勻性包裹，使得骨料表面干燥露白，骨料之間的黏結強度降低，特別容易出現離析現象[2]。采用振動攪拌的方式生產水穩碎石可以確保水泥包裹骨料的均勻性，提升水穩碎石的綜合性能。

1 振動攪拌的原理與工程概況

1.1 振動攪拌的原理

利用傳統攪拌方式對水穩碎石進行生產時，主要利用葉片的均勻旋轉強制帶動設備內部的原料轉動，各原料運動軌跡幾乎不變。在旋轉攪拌過程中，各物料之間相互穿插、剪切，時間越長，均勻性越好。利用這種攪拌方式時，水泥的含量相對較少，很難完全分散，無法對骨料進行均勻性包裹。用顯微鏡對水穩碎石混合料觀察，發現水泥顆粒出現了明顯的團聚現象，沒有在最大限度上發揮水泥優勢，削弱了混合料的性能。

振動攪拌是在傳統攪拌工藝的基礎上施加高頻振動工藝，物料在拌制過程中受到高頻顫振的影響，可以有效規避水泥顆粒的團聚現象，使水泥能夠更加均勻地分布在骨料表面，增加骨料之間的黏結強度。通過顯微鏡觀察發現振動攪拌的微觀均勻性大幅度提升，利用這種混合料施工得到的公路基層具有更好的強度和抗裂性能[3]。

1.2 工程概況

某新建高速公路全長約18km，路基寬度為27m，設計行車速度為120km/h。根據該項目施工方案，需要鋪設水泥水穩碎石層，其總厚度為36cm，分上、下兩層分別進行鋪筑，每層厚度為18cm。其中，水泥水穩碎石的水泥含量為4.5%，采用振動攪拌技術進行生產。為了分析振動攪拌技術的優勢，在正式開展大面積施工前，需要通過試驗的方法分析技術參數對水穩碎石均勻性以及強度性能的影響。下文依托該工程案例介紹振動攪拌對水穩碎石均勻性及其強度性能的影響情況。

2 拌制方案以及集料組成設計

2.1 拌制工藝方案設計

該工程案例中，對于水穩碎石混合料擬采用2 臺拌缸，通過串聯方式進行二次攪拌。為了將傳統攪拌技術和振動攪拌技術進行對比，共設計了2 種攪拌方案，其中第1 次攪拌全部使用傳統攪拌技術，但在第2 次攪拌時，方案1 采用振動攪拌，方案2 仍然采用普通攪拌。

2.2 集料組成設計

水穩碎石除振動工藝會對性能產生影響外，集料混合比也會極大地影響其性能。為了盡量減少集料混合比對結果的影響，需要結合實際情況對集料組成進行科學設計，通過貝雷法中的CA、FAC 和FAF 三個技術指標對集料組成的效果進行評價。其中，CA指標反映的是粗集料的嵌擠情況；FAC 指標反映的是粗集料和細集料之間相互嵌擠填充的情況；FAF 指標反映的是最細一級集料的嵌擠填充情況。根據相關研究結果，以上三項技術指標的取值范圍依次為0.7～0.85、0.35～0.5、0.35～0.5。該工程案例中上述三個參數指標的具體數值分別為0.77、0.45 和0.47，均在建議的取值范圍內，具有合理性。另外，水穩碎石攪拌時使用的水泥型號為P·C32.5R。

3 混合料攪拌均勻性分析

3.1 試驗方法

水泥EDTA 滴定試驗可以很好地描述混合料中水泥分散的均勻度，是直接反映攪拌均勻性的指標之一。該案例基于篩分試驗和水泥EDTA 滴定試驗，對集料關鍵篩孔的通過率以及水泥含量相關試驗結果平均值等參數進行統計分析，評估其均勻性?；诤Y分試驗可以掌握施工級配的波動情況，在一定程度上反映出混合料的總體均勻性。

3.2 試驗結果與討論

3.2.1 集料宏觀均勻性

對于利用兩種攪拌工藝方案獲得的水穩碎石混合料，在攤鋪機后方分別取對應試樣進行分析，首先對混合料進行水洗，再進行篩分。對每組方案分別開展8 次試驗，每次試驗取樣間隔15min，以降低試驗偶然性對結果的影響。通過分析4 種篩孔直徑下的通過率，計算出不同試驗的平均值以及標準差，相關結果如表1 所示。

表1 篩分試驗關鍵篩孔通過率平均值以及標準差

方案1 采用的振動攪拌技術，方案2 采用的普通攪拌技術。從表1 數據可以明顯看出，對于不同篩孔直徑的通過率，兩種方案的平均值差異性相對較小，且兩種方案最終的篩孔通過率均與設計標準相吻合，說明混合料的比例對最終結果影響較小，可以忽略不計。另外，從標準差可以看出，不同樣品測量的通過率的標準差較小，在合理范圍以內，說明該工程案例中對混合料各原料的比例控制比較好，為水穩碎石基層施工質量奠定了良好的基礎。

方案1 和方案2 的4 種篩孔直徑通過率標準差均較小，說明該案例通過2 臺拌缸串聯的方式實施二次攪拌具有良好效果，即便采用普通攪拌技術也能保證水穩碎石混合料的攪拌均勻性，其原因可能是二次攪拌延長了混合料的攪拌時間，攪拌時間越長混合料的均勻性自然越好。進一步對比兩種方案在相同篩孔直徑下的通過率標準差可以發現，采用振動攪拌技術的方案1 的標準差，比采用普通攪拌技術的方案2 的標準差相對更小，在篩孔直徑分別為19mm、13.2mm、9.5mm 和4.75mm 時，對應通過率的標準差，方案1 比方案2 分別降低了27.73%、24.08%、51.28%、51.26%。基于以上數據可知，通過振動攪拌技術能夠大幅度改善集料的分布均勻性，且粒徑為9.5mm 和4.75mm 時的改善效果最顯著，從某個層面反映出利用傳統攪拌技術拌制混合料時，細集料更容易受到水泥分布不均勻的影響，黏結強度不均勻，粒徑較小的集料更容易出現非均勻性分布的問題。

3.2.2 水泥分散均勻性

利用水泥EDTA 滴定試驗對水泥分散均勻性進行測定，試樣采集方法與上述的采樣方法完全相同。為了降低試驗結果的偶然性，同時對兩種方案的多組試樣進行測定，每個方案共記錄了8 組試驗，得到每種方案的水泥用量平均值以及標準差，其結果如表2所示。

表2 混合料中水泥用量的平均值和標準差

由表2 中數據可以看出，方案1 和方案2 的水泥用量平均值分別為4.53%和4.33%，該工程案例中設計的水泥用量為4.5%。由此可見，基于振動攪拌工藝得到的平均值比標準值多0.03%，利用傳統攪拌工藝得到的水泥用量平均值比設計標準值減少0.17%。對于水穩碎石基層而言，水泥用量是關鍵的技術指標，會對最終結果產生顯著影響，因此必須嚴格控制水泥用量。通過對兩種方案的水泥用量平均值進行對比可知，利用振動攪拌技術可以對水泥用量進行更好的控制，為水穩碎石基層的施工質量提供堅實保障。

方案1 和方案2 的標準差分別為0.18%和0.58%，前者在后者的基礎上降低0.4%，可見振動攪拌技術與傳統攪拌技術相比較水泥用量更加穩定。方案2 的標準差只有0.58%，說明利用兩次攪拌方法已經可以使水泥用量的均勻性得到明顯改善，整體的均勻性較好。但在第2 次攪拌時結合振動攪拌技術，加上高頻振動，能夠極大地降低水泥漿體的聚集現象，可以進一步提升水泥用量的均勻性，為水泥的水化效應提供更良好的條件。

圖1 為基于振動攪拌技術獲得的水穩碎石混合料表面的基本情況，從圖中可以看出，混合料表面整體顏色相對較深，表面顏色越深說明表面水泥含量越多。觀察結果表明振動攪拌技術得到的骨料表面水泥的分布更加均勻，裹覆效果比較好。

圖1 基于振動攪拌技術得到的混合料表面情況

4 強度和施工均勻性

4.1 試驗方案

對于高速公路水穩碎石基層而言，強度和壓實度是重要的技術指標，直接決定了公路的承載能力，如表3 所示為此次設計的實施方案，為了保障試驗結果的可對比性，表中兩種方案采用完全一樣的碾壓以及養護工藝。

表3 試驗方案的對比

4.2 試驗結果分析與討論

在完成水穩碎石的施工工序以后，需進行養護處理，在7d 和28d 時針對兩種攪拌方案得到的基層分別取9 組試樣，并開展無側限抗壓強度測試工作。結果發現，養護時間為7d 時方案1 的抗壓強度平均值和標準差分別為7.1MPa 和0.578MPa，方案2 對應的平均值和標準差為5.6MPa 和0.712MPa；養護時間為28d時，方案1 得到的無側限抗壓強度平均值和標準差依次為8.2MPa 和0.434MPa，方案2 對應的數值分別為6.3MPa 和0.553MPa。

方案1 采用的是振動攪拌技術，從上述數據可以看出方案1 不管是養護時間為7d 還是28d，其對應的抗壓強度平均值均比方案2 要大，說明基于振動攪拌技術獲得的混合料具有更大的強度，可以更大幅度地提升路面的承載能力。標準差反映的是試驗結果的變化程度，標準差越小說明變化程度越小，表明各個試樣的無側限抗壓強度穩定性越好。方案1 的9 組試驗標準差比方案2 更小，說明利用振動攪拌技術得到的水穩碎石混合料具有更好的穩定性，性能更均勻。

壓實度也是反映水穩碎石基層施工質量的技術指標，會對基層使用壽命及其綜合性能產生直接影響。對兩種方案下的基層壓實度分別進行測定，結果發現兩種方案的壓實度平均值分別為99.2% 和98.5%。該工程案例中設計的壓實度要求為98% 以上，可見兩種方案都能達到設計要求，但在振動攪拌技術的作用下水穩碎石基層壓實度有待進一步提升，其原因是水泥的水化物與骨料之間的分布更加均勻，骨料之間在壓實過程中相互之間的阻力減小，更容易被壓實。

通過上文試驗可以看出，基于振動攪拌技術能夠有效提升水泥穩定碎石混合料中的集料均勻性和水泥含量均勻性，有效避免了水泥顆粒的團聚現象，使水泥漿能夠更加均勻地包裹在集料周圍，確保水泥水化作用的均勻性，為提升各集料之間的黏結強度奠定了良好的基礎。

5 結語

振動攪拌技術是人們在長期實踐過程中總結獲得的最新技術手段，對于傳統攪拌技術而言是一種理論創新。振動攪拌在傳統攪拌的基礎上增加了高頻振動，使水泥在混合料中難以團聚，確保水泥能夠更加均勻地裹覆在集料周圍，提升水泥的水化效果，增強集料之間的黏結強度。通過試驗發現，振動攪拌技術與傳統攪拌技術相比，水穩碎石的均勻性以及強度性能都得到大幅度提升，為公路基層施工質量奠定了良好的基礎。未來，相關技術人員應繼續加大對振動攪拌技術的研究與分析，積累相關實踐經驗，為其他類似工程項目提供有效參考。