振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石材料關鍵參數(shù)及性能試驗研究

蔡長松，徐欽升，吳立強，鄭如巖，閆翔鵬

（1.濱州市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 濱州 256600；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；3.山東省濱州公路工程有限公司，山東 濱州 256600）

引言

在我國公路建設中，水泥穩(wěn)定碎石混合料拌和方式普遍采用傳統(tǒng)強制性拌和。在當前重載、超載交通環(huán)境下，基于振動攪拌工藝的水泥穩(wěn)定碎石混合料可以明顯改善傳統(tǒng)拌和方式所存在混合料強度偏低、拌和不均勻等問題，且振動攪拌技術在保證基層強度的前提下，可以明顯提升混合料的耐久抗裂性能，有效改善半剛性基層的干、溫開裂及其他早期結構病害。目前，對振動攪拌技術的水泥穩(wěn)定碎石混合料的性能研究較多[1-9]，但對于振動參數(shù)、攪拌參數(shù)的研究較少。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 碎石集料

選用0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、 19～31.5 mm四檔優(yōu)質碎石集料，且粗、細碎石集料的性能滿足《水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術規(guī)范》（DB 37/T 3577—2019）要求。

1.1.2 水泥

水泥選用普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），主要技術指標均滿足《水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術規(guī)范》（DB 37/T 3577—2019）要求。

1.1.3 水

試驗用水為可飲用地下水，其各項試驗指標均滿足《水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術規(guī)范》（DB 37/T 3577—2019）要求。

1.2 級配

根據(jù)四檔碎石集料的篩分試驗數(shù)據(jù)及水泥穩(wěn)定碎石混合料擊實試驗確定的最佳含水量和最大干密度試驗數(shù)據(jù)，設計確定的水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比結果，見表1。

表1 水泥穩(wěn)定碎石混合料級配/%

1.3 試驗方案

通過正交試驗分析振動頻率和振幅、攪拌總時間、濕拌時間對水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的影響，確定其最佳振動、攪拌組合方式。根據(jù)室內設備和實際應用情況，試驗方案見表2。

表2 正交試驗具體方案

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 關鍵參數(shù)確定

根據(jù)試驗方案對基于不同振動攪拌組合方式的水泥穩(wěn)定碎石進行無側限抗壓強度試驗，試驗數(shù)據(jù)處理結果見圖1～圖6。

圖1 振動頻率-無側限抗壓強度對應關系

圖6 濕拌時間-離散系數(shù)對應關系

由圖1、圖2分析可知，振動頻率與水泥穩(wěn)定碎石混合料無側限抗壓強度呈正相關，振動頻率選 定20 Hz、30 Hz時 的差 別 較小，當 振 動頻率由30 Hz提升到40 Hz時，水泥穩(wěn)定碎石混合料無側限抗壓強度約增大21.4%；振動頻率選定 20 Hz時，水泥穩(wěn)定碎石混合料無側限抗壓強度的離散系數(shù)最大，而振動頻率30 Hz、40 Hz時其離散系數(shù)相近，且離散系數(shù)值較小，綜合分析選定40 Hz為最佳振動頻率。

圖2 振動頻率-離散系數(shù)對應關系

由圖3、圖4可知，與振動頻率相比，攪拌總時間對于振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料強度影響規(guī)律不明顯；選定攪拌總時間30 s的混合料無側限抗壓強度最小，而攪拌總時間選定40 s時，混合料拌和更加均勻，水泥穩(wěn)定碎石混合料無側限抗壓強度最大，且抗壓強度的離散系數(shù)最低，混合料抗壓強度增大26.1%，表明攪拌總時間40 s為水泥穩(wěn)定碎石混合料拌和最佳攪拌時間。

圖3 攪拌總時間-無側限抗壓強度對應關系

圖4 攪拌總時間-離散系數(shù)對應關系

由圖5、圖6可知，濕拌時間對于振動攪拌型水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側限抗壓強度和離散系數(shù)影響具有較好的規(guī)律性，其無側限抗壓強度遞增變化，離散系數(shù)遞減變化；濕拌時間占比由50%提升至66.7%時，混合料無側限抗壓強度增大約8.9%，濕拌時間占比由66.7%提升至完全濕拌時，其抗壓強度增大25.1%，表明干拌對水泥穩(wěn)定碎石混合料的拌和作用效果較小，濕拌對其拌和效果影響更大，對于振動攪拌型水泥穩(wěn)定碎石混合料采用全部濕拌方式性能更佳。

圖5 濕拌時間-無側限抗壓強度對應關系

由圖7可知，振動攪拌技術關鍵控制參數(shù)對水泥穩(wěn)定碎石混合料無側限抗壓強度的影響濕拌時間最大，次之為攪拌總時間，而振動頻率對混合料無側限抗壓強度的極差最小，表明在振動攪拌技術關鍵參數(shù)指標中，濕拌時間對于水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側限抗壓強度影響最大，攪拌總時間對混合料強度的影響僅次于濕拌時間，而振動頻率因在振動攪拌技術主要起強化、輔助分散改善水泥穩(wěn)定碎石混合料性質的作用，故振動頻率對其影響效果相對較小。

圖7 振動攪拌各參數(shù)對混合料無側限抗壓強度影響

2.2 振動攪拌對混合料性能影響

2.2.1 無側限抗壓強度

根據(jù)已制定試驗方案，按照規(guī)程進行水泥穩(wěn)定碎石混合料無側限抗壓強度試驗，試驗結果見圖8。

圖8 不同成型方式水泥穩(wěn)定碎石混合料無側限抗壓強度及離散系數(shù)

由圖8可知：（1）水泥用量對水泥穩(wěn)定碎石混合料的影響呈正相關，隨著水泥用量增加，兩種拌和方式的混合料無側限抗壓強度均變大。（2）相同水泥用量條件下，基于振動攪拌技術的水泥穩(wěn)定碎石材料抗壓強度更大，且離散系數(shù)偏小，水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側限抗壓強度提升約8%，離散系數(shù)降低約3%，表明振動攪拌技術可以較好地改善水泥穩(wěn)定碎石材料拌和均勻性，減少拌和離析，提高其強度均質性。（3）在強度要求指標相同的前提下，采用振動攪拌技術可以減少水泥穩(wěn)定碎石混合料的水泥用量，節(jié)約資源，同時水泥劑量減少，混合料的抗裂型能也會相應提升。

2.2.2 抗裂性能

通過測量梁式試件28 d養(yǎng)護齡期的干縮量、失水率、干縮應變及干縮系數(shù)四個指標對水泥穩(wěn)定碎石材料的抗裂性能分析，將試驗數(shù)據(jù)分析處理，結果見圖9～圖12。

圖9 混合料干縮量變化

圖12 干縮系數(shù)變化

圖10 混合料累計失水率變化

圖11 干縮應變變化

由圖9～圖12分析可知，常規(guī)拌和技術與振動攪拌技術水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮變化趨勢相同；與常規(guī)拌和技術相比，在相同養(yǎng)護齡期下基于振動攪拌技術的混合料，其干縮量、失水率、干縮應變及干縮系數(shù)更小，其中累計干縮量減小13.7%，累計失水率減小5.8%，干縮應變減小23.1%，干縮系數(shù)減小15.1%，表明振動攪拌有效促進了水泥穩(wěn)定碎石混合料的有機組合，明顯改善了混合料的干縮特性，提高了混合料的抗裂性能。

3 結語

（1）對室內設備在不同振動頻率及攪拌時間下成型的水泥穩(wěn)定碎石混合料試件進行無側限抗壓強度試驗分析，采用振動頻率40 Hz、攪拌總時間40 s且100%濕拌組合時，混合料無側限抗壓強度最大，且離散系數(shù)最小。（2）與傳統(tǒng)常規(guī)拌和技術相比，相同試驗環(huán)境下，基于振動攪拌技術的水泥穩(wěn)定碎石混合料拌和更加均勻，混合料無側限抗壓強度更大、抗裂性能更好。（3）同一強度指標下，振動攪拌技術可以減少水泥穩(wěn)定碎石混合料水泥劑量。