振動(dòng)攪拌對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層均勻性的影響分析

李浩

摘要：文章依托廣西某高速公路水泥穩(wěn)定碎石基層實(shí)體工程，對(duì)比了振動(dòng)攪拌與非振動(dòng)攪拌狀態(tài)下的水穩(wěn)基層混合料的均勻性，并測(cè)試分析了水穩(wěn)基層強(qiáng)度指標(biāo)。結(jié)果表明：相比于非振動(dòng)攪拌的水穩(wěn)混合料，采用振動(dòng)攪拌的水穩(wěn)混合料均勻性變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差更低，水泥分布和粗集料裹附更為均勻，水化反應(yīng)更加充分，采用振動(dòng)攪拌的水穩(wěn)混合料顆粒合成級(jí)配更為穩(wěn)定，振動(dòng)拌和芯樣相比非振動(dòng)拌和芯樣其強(qiáng)度提升近20%。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石基層;振動(dòng)攪拌;骨架密實(shí);7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層應(yīng)用廣泛，水泥穩(wěn)定碎石混合料的拌和狀態(tài)能夠嚴(yán)重影響施工質(zhì)量。目前水泥穩(wěn)定碎石基層混合料主要采用自落式攪拌和強(qiáng)制式攪拌[1]，自落式攪拌的攪拌強(qiáng)度受混合料自身重力影響，強(qiáng)度不高，生產(chǎn)率低，限制了拌和效果。強(qiáng)制式拌和的攪拌強(qiáng)度較大，但在過大離心力作用下會(huì)造成混合料離析，從而引發(fā)均勻性變差。正是由于這些因素的影響，在拌和過程中常造成水泥漿在碎石表面處宏觀與微觀的分布不均勻，從而引發(fā)基層強(qiáng)度不足和開裂[2]。

為了改善水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能，常在拌和階段采用振動(dòng)攪拌技術(shù)，以此期望提升基層強(qiáng)度和抗裂性能[3]。目前振動(dòng)攪拌技術(shù)在水泥混凝土路面建設(shè)、水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層建設(shè)方面有著廣泛應(yīng)用，因其在拌和過程中能釋放1500次/min的振動(dòng)彈力波[4]，促使水泥充分彌散，采用振動(dòng)攪拌往往能顯著提升水泥混凝土攪拌質(zhì)量和攪拌效率。馮忠緒[5]對(duì)水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)拌和技術(shù)進(jìn)行建模并分析了振動(dòng)攪拌裝置的拌和原理;施洲輝[6]通過研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)用振動(dòng)拌和技術(shù)可提升水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度。而關(guān)于振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層均勻性影響的分析尚不夠深入，在實(shí)際生產(chǎn)過程中因振動(dòng)拌和對(duì)水穩(wěn)基層混合料各項(xiàng)指標(biāo)的具體提升能力仍有待分析。因此，探究實(shí)際生產(chǎn)施工過程中振動(dòng)攪拌對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料及基層均勻性的影響尤為必要。

為了進(jìn)一步確定振動(dòng)攪拌對(duì)水泥穩(wěn)定碎石拌和效果的具體提升作用，本文依托廣西梧州至柳州高速公路某合同段，采用振動(dòng)攪拌技術(shù)拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料，通過對(duì)比不同水泥劑量下、不同拌和時(shí)間下的水穩(wěn)料、試件、現(xiàn)場(chǎng)芯樣，分析振動(dòng)攪拌對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層均勻性的影響。

1 試驗(yàn)儀器

1.1 主要儀器

振動(dòng)拌和設(shè)備采用德通振動(dòng)攪拌單缸DT600ZBT型，拌缸長度約5m，振動(dòng)狀態(tài)下額定功率為230kW，非振動(dòng)狀態(tài)下額定功率為215kW。壓力成型機(jī)為TYT-2000B型壓力機(jī)。

1.2 原材料質(zhì)量

水泥穩(wěn)定碎石基層集料選用粒徑為20～30mm、10～20mm、5～10mm、0～5mm的石灰?guī)r碎石。四檔集料密度、吸水率、針片狀含量、粗集料壓碎值、細(xì)集料砂當(dāng)量等指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。水泥為華潤牌復(fù)合硅酸鹽32.5R水泥，初凝時(shí)間>3h，終凝時(shí)間6～10h。水泥穩(wěn)定碎石混合料合成級(jí)配如表1所示。

1.3 表征與測(cè)檢方法

均勻性檢測(cè)按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE51-2009）中T0809-2009的規(guī)定對(duì)水泥劑量進(jìn)行滴定，通過測(cè)試水泥劑量數(shù)據(jù)的變異性系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果，對(duì)拌和過程中水泥裹附碎石效果進(jìn)行均勻性評(píng)價(jià)。

強(qiáng)度檢測(cè)可按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE51-2009）中T0805-1994的方法進(jìn)行，強(qiáng)度試件的制備按照其T0843-2009的方法制備。試件尺寸為φ150mm×150mm。

2.1 不同水泥劑量下的均勻性分析

通過振動(dòng)拌和設(shè)備拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料，水泥摻量分別為3.7%、3.9%、4.1%、4.3%和4.5%，采用均勻性檢測(cè)方法，其變異系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在相同水泥劑量下，采用振動(dòng)攪拌的水泥穩(wěn)定碎石混合料中水泥含量的變異程度不大，相比于正常拌和的混合料，其水泥劑量的變異系數(shù)最多降低約60%。說明采用振動(dòng)攪拌對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行處理，能夠有效地提升水穩(wěn)料的拌和穩(wěn)定性，使水泥更為穩(wěn)定均勻地裹附在碎石表面。隨著水泥劑量的增加，其在水泥穩(wěn)定碎石混合料中的變異程度有所降低，采用振動(dòng)攪拌的水穩(wěn)料下降趨勢(shì)則更為明顯。

2.2 不同拌和時(shí)間下的均勻性分析

采用振動(dòng)拌和設(shè)備拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料，調(diào)節(jié)拌和時(shí)間，對(duì)生產(chǎn)速率為400t/h、450t/h、500t/h的水穩(wěn)料取樣并進(jìn)行均勻性檢測(cè)，得到的變異系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，振動(dòng)拌和狀態(tài)下水穩(wěn)料水泥劑量的變異程度普遍較低，成品的穩(wěn)定性相對(duì)較好。隨著拌和時(shí)間縮短，混合料生產(chǎn)拌和速率不斷增大，振動(dòng)拌和狀態(tài)下水穩(wěn)料水泥劑量的變異程度不斷上升，但仍小于非振動(dòng)拌和狀態(tài)下水穩(wěn)料水泥劑量的變異程度。

[HS（4][STFZ]3[STBZ] 振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)水穩(wěn)基層性能的影響分析

3.1 振動(dòng)拌和對(duì)顆粒級(jí)配的影響

對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行取樣篩分，得到振動(dòng)拌和狀態(tài)下與非振動(dòng)拌和狀態(tài)下的合成級(jí)配，合成級(jí)配結(jié)果如表2所示。

對(duì)比振動(dòng)拌和狀態(tài)下與非振動(dòng)拌和狀態(tài)下的合成級(jí)配結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)攪拌狀態(tài)下水泥穩(wěn)定碎石基層混合料篩分?jǐn)?shù)據(jù)跟目標(biāo)合成級(jí)配值波動(dòng)較小，而非振動(dòng)狀態(tài)下波動(dòng)較大，說明振動(dòng)拌和狀態(tài)和非振動(dòng)拌和狀態(tài)相比，混合料成品級(jí)配更加穩(wěn)定。

通過對(duì)采用振動(dòng)拌和的水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行攤鋪碾壓，基層效果如圖3所示。

由圖3可知，振動(dòng)攪拌大粒徑（最大粒徑為26.5mm）的水泥穩(wěn)定碎石混合料在碾壓過后的基層表面粗骨料分布均勻，整體平整密實(shí)?；谡駝?dòng)攪拌技術(shù)攤鋪碾壓后的水穩(wěn)基層在宏觀上也很少出現(xiàn)粗骨料表面干燥露白現(xiàn)象，抗裂性能也良好。這主要是由于采用振動(dòng)攪拌技術(shù)能使粗細(xì)集料表面的雜質(zhì)和灰塵脫落，使骨料與水泥漿充分混合，提升骨料與水泥之間的粘聚力，避免了混合料表面出現(xiàn)干燥露白。同時(shí)，采用振動(dòng)攪拌也能夠使大顆粒狀的水泥漿迅速地分散成小顆粒，促進(jìn)水泥漿細(xì)微顆粒充分水化。水泥漿水化產(chǎn)物在基層板結(jié)硬化前有充足的空間，避免了后期水化的水泥漿在已水化完畢硬化的水泥石上繼續(xù)水化，使其產(chǎn)生較大壓應(yīng)力引起應(yīng)力集中導(dǎo)致形成裂紋。采用振動(dòng)攪拌的水泥穩(wěn)定碎石混合料，因受到同一頻率和程度的激振力作用，使水泥石和骨料界面過渡層的結(jié)構(gòu)密實(shí)，減少了結(jié)合位置的大孔隙，極大程度上降低了離析，防止了裂縫從骨料表面產(chǎn)生，減少了表面裂縫和微裂紋。

3.2 振動(dòng)拌和對(duì)芯樣骨架的影響

對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行鉆芯取樣，得到振動(dòng)攪拌和非振動(dòng)攪拌的水穩(wěn)芯樣，其骨架結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

通過芯樣對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)采用振動(dòng)攪拌的水穩(wěn)基層芯樣，其粗集料在芯樣的頂部、中部和底部均有分布，沒有出現(xiàn)粗集料豎向離析現(xiàn)象;芯樣整體碾壓密實(shí)，底部也未出現(xiàn)斷根松散現(xiàn)象。而未采用振動(dòng)攪拌技術(shù)的水穩(wěn)基層芯樣，整體結(jié)構(gòu)雖然也相對(duì)密實(shí)，但骨料分布并不緊密，底部也出現(xiàn)少量骨料脫落。這主要是由于采用振動(dòng)攪拌更為有效地清除了骨料表面的泥土，清除了骨料和水泥漿發(fā)生水化反應(yīng)的反應(yīng)雜質(zhì)，使得界面過渡區(qū)中存有足夠空隙，使水泥漿體能順利與骨料發(fā)生水化反應(yīng)并有效生成硅酸鈣水化物。同時(shí)，振動(dòng)攪拌過程中產(chǎn)生的激蕩力作用使骨料周圍和界面過渡區(qū)的水膜破裂，增大了骨料與水化反應(yīng)的比表面積，振動(dòng)攪拌的激蕩力作用使大顆粒的水泥漿迅速處于分散狀態(tài)，使水泥漿中參與水化反應(yīng)的數(shù)量迅速增大，提升了水泥水化產(chǎn)物的產(chǎn)生。因此振動(dòng)攪拌使得水泥水化較為充分，水泥水化產(chǎn)物與細(xì)集料能夠?qū)⒋旨暇鶆虬蟠鬁p小骨料之間的摩擦阻力，壓實(shí)功更容易向下傳遞，使得振動(dòng)攪拌比非振動(dòng)攪拌的芯樣完整度和骨架密實(shí)度更為良好。

3.3 振動(dòng)拌和對(duì)基層強(qiáng)度的影響

對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行取樣并制備強(qiáng)度試件，水泥劑量分別為3.7%、3.9%、4.1%、4.3%、4.5%，隨后進(jìn)行7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)，同時(shí)對(duì)養(yǎng)生7d的水穩(wěn)基層進(jìn)行鉆芯取樣，并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在相同水泥劑量的條件下，振動(dòng)攪拌水穩(wěn)基層室內(nèi)試件與現(xiàn)場(chǎng)芯樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要比非振動(dòng)狀態(tài)下要高出約20%。也就是說，在到達(dá)相同強(qiáng)度時(shí)，振動(dòng)拌和的水泥穩(wěn)定碎石基層混合料比非振動(dòng)狀態(tài)下要節(jié)約0.2%水泥劑量。隨著水泥劑量的不斷升高，室內(nèi)試件與現(xiàn)場(chǎng)芯樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也不斷升高。在如圖6所示的水泥劑量范圍中，振動(dòng)攪拌的室內(nèi)試件與現(xiàn)場(chǎng)芯樣強(qiáng)度始終高于非振動(dòng)攪拌，現(xiàn)場(chǎng)芯樣強(qiáng)度也隨水泥用量的增大而增大，振動(dòng)攪拌的現(xiàn)場(chǎng)芯樣強(qiáng)度也比非振動(dòng)的高出約20%。

采用振動(dòng)拌和設(shè)備拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料，調(diào)節(jié)拌和時(shí)間，對(duì)生產(chǎn)效率為400t/h、450t/h、500t/h的水穩(wěn)料取樣并制備強(qiáng)度試件，隨后進(jìn)行7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，隨著拌和時(shí)間減少，提升生產(chǎn)效率，振動(dòng)攪拌狀態(tài)下與非振動(dòng)攪拌狀態(tài)下的試件強(qiáng)度均降低。但在相同的拌和時(shí)間與生產(chǎn)速率情況下，振動(dòng)攪拌狀態(tài)下的試件強(qiáng)度比非振動(dòng)攪拌狀態(tài)下的試件強(qiáng)度高出約6%。也就是說，在保證水穩(wěn)基層達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值時(shí)，采用振動(dòng)攪拌能夠提高生產(chǎn)速率約50t/h，進(jìn)一步提升產(chǎn)量，保證工程進(jìn)度。

4 結(jié)語

本文結(jié)合廣西梧州至柳州高速公路某合同段實(shí)體工程，對(duì)采用振動(dòng)拌和與常規(guī)拌和工藝的水泥穩(wěn)定碎石混合料均勻性進(jìn)行了對(duì)比，并采用均勻性檢測(cè)和強(qiáng)度檢測(cè)，從宏觀角度分析了采用振動(dòng)攪拌與非振動(dòng)拌和的水泥穩(wěn)定碎石混合料均勻性的差異，振動(dòng)拌和對(duì)水穩(wěn)基層合成級(jí)配的波動(dòng)情況以及振動(dòng)拌和后水穩(wěn)基層芯樣骨架情況及強(qiáng)度，得到以下結(jié)論：

（1）經(jīng)過振動(dòng)拌和的水泥穩(wěn)定碎石混合料，其均勻性試驗(yàn)所得變異系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差比非振動(dòng)拌和的低。采用振動(dòng)攪拌的水穩(wěn)料宏觀均勻性更好。

（2）經(jīng)過振動(dòng)拌和的水泥穩(wěn)定碎石混合料合成級(jí)配更為穩(wěn)定，更貼近設(shè)計(jì)值，芯樣骨架結(jié)構(gòu)也更為密實(shí)。

（3）經(jīng)過振動(dòng)拌和的水泥穩(wěn)定碎石基層芯樣強(qiáng)度高，制備試件及現(xiàn)場(chǎng)取芯的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均高于非振動(dòng)拌和芯樣，強(qiáng)度提升了近20%。

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