公路施工中振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的應(yīng)用研究

劉濤，馮昌滿，王理波，肖玉杰，周張峰

（中交一航局第五工程有限公司，河北秦皇島 066000）

1 引言

在公路工程建設(shè)實(shí)踐中，水泥穩(wěn)定碎石混凝土的性能質(zhì)量十分關(guān)鍵。若水泥穩(wěn)定碎石混凝土的拌和技術(shù)落后、成型質(zhì)量不佳，不僅公路設(shè)施的力學(xué)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及使用壽命會受到負(fù)面影響，還會降低公路工程建設(shè)施工綜合效益。在水泥穩(wěn)定碎石混合料的攪拌過程中附加振動作用，無論是對各類拌和原料的混合黏結(jié)質(zhì)量，還是對混凝土的成型投用效果均有明顯的提升作用。所以，有必要對公路施工中振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的應(yīng)用事宜展開討論。

2 公路施工中振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的應(yīng)用案例

工程位于廣西南寧市武鳴區(qū)，為中交一航局平南高速公路工程項目No.2標(biāo)合同段。該工程段途經(jīng)南寧市內(nèi)武鳴區(qū)、隆安縣、西鄉(xiāng)塘區(qū)3個分區(qū)，與廣昆高速、南寧繞城高速相連，總長約42.787 km，起始樁號為K125+000，終點(diǎn)樁號為K167+870.858。工程區(qū)域內(nèi)設(shè)3座水穩(wěn)拌和站，以滿足水穩(wěn)碎石攪拌處理的施工需求。在施工過程中，水泥穩(wěn)定級配碎石混凝土的設(shè)計用量約200萬t，水穩(wěn)施工段的起始樁號為K125+000，終點(diǎn)樁號為K160+780。由此可見，水泥穩(wěn)定碎石混合料的應(yīng)用涉及工程全過程，且用量大、投入多。在此背景下，做好相關(guān)拌和技術(shù)的分析與選用，既有助于實(shí)現(xiàn)材料性能的穩(wěn)定提升，也有助于降低施工經(jīng)濟(jì)成本與施工質(zhì)量風(fēng)險，從而為案例工程的綜合建設(shè)效益提供有效保障[1]。

3 公路施工中振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)

振動攪拌是現(xiàn)階段工程建設(shè)中水穩(wěn)碎石混凝土材料的常用拌和技術(shù)，技術(shù)原理主要是在普通攪拌的基礎(chǔ)上附加振動作用，并將振動幅度、頻率控制在一定范圍內(nèi)，從而使水泥、粗集料、細(xì)集料等實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量混合。從施工實(shí)踐看，應(yīng)用振動攪拌技術(shù)處理水泥穩(wěn)定碎石混合料時需注意以下要點(diǎn)。

1）應(yīng)做好攪拌裝置及輔助裝置的選配。在設(shè)備主體方面，攪拌裝置應(yīng)具備良好的振動功能，振動強(qiáng)度最大值應(yīng)在2 mm/s以上，振動頻率不可低于25 Hz，振動功率不可低于7.5 kW。同時，為保證設(shè)備穩(wěn)定性與施工安全性，攪拌過程中裝置機(jī)架的振動強(qiáng)度應(yīng)在0.6 mm/s以內(nèi)。在輔助裝置方面，工程中常用的裝置類型包括稱量裝置、動態(tài)計量裝置、拌和水噴灑裝置等。其中，為保證水穩(wěn)碎石混合料的配比質(zhì)量與拌和效果，應(yīng)將稱量裝置、動態(tài)計量裝置的計量精度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，具體見表1。

2）應(yīng)做好混凝土混合材料的質(zhì)量把控與配比設(shè)計。如水泥材料以硅酸鹽水泥為宜，并保證各項性能指標(biāo)滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》規(guī)范要求。粗集料以玄武巖、石灰?guī)r等材料為宜，相關(guān)性能應(yīng)滿足GB/T 14685—2022《建設(shè)用卵石、碎石》規(guī)范要求。同時，基于振動攪拌的技術(shù)優(yōu)勢，可適當(dāng)降低膠凝材料用量，以確?；炷猎诎韬秃缶邆漭^高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。一般來講，水膠比應(yīng)控制在0.4以下。若公路工程處于寒冷地區(qū)，還應(yīng)盡量提升混凝土的保溫抗凍性能，混合料的含氣量在4%~6%為宜[2]。

3）應(yīng)做好振動攪拌技術(shù)的工藝控制。攪拌過程中應(yīng)先加入粗集料、細(xì)集料、膠凝材料及固體摻合料、外加劑。在完成干混攪拌作業(yè)后，再加入水及液體外加劑進(jìn)行后續(xù)攪拌。同時，需對振動頻率、振動強(qiáng)度、攪拌時間等工藝參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計。通常情況下，振動頻率應(yīng)高于25 Hz，振動強(qiáng)度應(yīng)高于2 mm/s，攪拌時間應(yīng)根據(jù)混凝土種類及拌和要求而定。若為普通的水泥穩(wěn)定碎石混合料，攪拌時間在60 s以內(nèi)即可；若為高性能要求下的水泥穩(wěn)定碎石混合料，攪拌時間宜控制在60~120 s；若為超高性能要求下的水泥穩(wěn)定碎石混合料，攪拌時間應(yīng)超過120 s。上述攪拌時間均為干混預(yù)攪拌后的整體攪拌時間。

4 公路施工中振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的應(yīng)用效果

為分析公路施工中振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的應(yīng)用效果，案例工程主要采用對比試驗方式。

4.1 主要試驗材料

4.1.1 水泥

水泥為南寧華潤水泥有限公司生產(chǎn)的M32.5水泥，主要性能指標(biāo)為：比表面積為423 kg/m2；標(biāo)準(zhǔn)稠度為26.8%；初凝時間為311 min；終凝時間為384 min。

4.1.2 集料

集料為迪嘉石場加工生產(chǎn)的粗集料與細(xì)集料，共有19.00~31.50 mm、9.50~19.00 mm，4.75~9.50 mm及4.75 mm以下4種規(guī)格。各類集料的基本情況如下：

1）19.00~31.50 mm集料的主要性能指標(biāo)為：0.075 mm以下粉塵含量0.3%；軟弱顆粒含量1%；針片狀含量10%。

2）9.50~19.00 mm集料的主要性能指標(biāo)為：壓碎值為21.3%；0.075 mm以下粉塵含量0.4%；軟弱顆粒含量1.4%；針片狀含量10.6%。

34.75~9.50 mm集料的主要性能指標(biāo)為：0.075 mm以下粉塵含量1.3%；軟弱顆粒含量0.9%；針片狀含量9.9%。

4）4.75 mm以下集料的主要性能指標(biāo)為：含水率3%；砂當(dāng)量74%；塑性指數(shù)3.8。

4.1.3 水

案例工程中水泥穩(wěn)定碎石混合料用水為普通生活用水。

4.2 配合比

經(jīng)過多次優(yōu)化調(diào)整，最終將水泥用量確定為5%，最佳含水率為4.8%，最大干密度為2.382 g/cm3，由高到低4種規(guī)格集料的摻配比例為19∶25∶22∶34。在此基礎(chǔ)上，對水泥劑量遞增的標(biāo)準(zhǔn)消耗量進(jìn)行計算，結(jié)果見表2。

表2 不同水泥劑量對應(yīng)的DETA消耗量

4.3 試驗方法

在試驗條件基本相同的前提下，僅將水泥劑量與攪拌工藝作為變量，設(shè)置對照組1#、2#、3#。其中，1#水泥劑量為5%，攪拌工藝為普通攪拌；2#水泥劑量為5%，攪拌工藝為振動攪拌技術(shù)；3#水泥劑量為4.5%，攪拌工藝為振動攪拌技術(shù)。以此為基礎(chǔ)對各組試樣進(jìn)行拌和處理，并檢測其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值、代表值及變異系數(shù)。

4.4 試驗結(jié)果

按上述試驗條件對水穩(wěn)碎石混合料實(shí)施拌和處理，并通過室內(nèi)成型、現(xiàn)場取芯兩種方式進(jìn)行性能檢測，試驗結(jié)果如圖1所示。其中，1#試樣7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的平均值為5.93 MPa，代表值為5.25 MPa，變異系數(shù)為7.05%；2#試樣7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的平均值為6.99 MPa，代表值為6.27 MPa，變異系數(shù)為6.26%；3#試樣7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的平均值為5.99，代表值為5.38 MPa，變異系數(shù)為6.22%。顯而易見，兩組振動攪拌試樣的性能均優(yōu)于普通攪拌試樣，即表明振動攪拌技術(shù)能對水穩(wěn)碎石混合料的拌和質(zhì)量產(chǎn)生積極影響。同時，對比2#、3#兩組試樣可知，在水泥劑量提升的情況下，水穩(wěn)碎石混合料的抗壓強(qiáng)度可發(fā)生明顯變化。在一定范圍內(nèi)，水泥在配比方案中的占比越高，水穩(wěn)碎石混合料的性能越好。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比圖

4.5 效果分析

結(jié)合試驗結(jié)果看，將振動攪拌技術(shù)應(yīng)用于公路施工中水穩(wěn)碎石的拌和處理中能達(dá)到優(yōu)于普通攪拌技術(shù)的理想效果。

1）在水穩(wěn)碎石混合料配比方案不變的情況下，應(yīng)用振動攪拌技術(shù)能實(shí)現(xiàn)混合料抗壓強(qiáng)度的提升，并將材料的變異系數(shù)控制在較低水平。一方面有助于提高公路的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并延長公路的使用壽命，降低公路正式投用后出現(xiàn)沉降、裂縫等故障的發(fā)生概率；另一方面，能提高公路基層結(jié)構(gòu)的均勻性，從而達(dá)到改善公路應(yīng)力分布狀態(tài)、強(qiáng)化公路施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)性及統(tǒng)一性的目的。

2）試驗中，3#試樣雖然水泥摻量有所減少，但整體性能仍然略優(yōu)于1#。由此可見，在相同性能要求下，應(yīng)用振動攪拌技術(shù)有助于節(jié)約水泥用量。同時，由于抗壓強(qiáng)度高、變異系數(shù)小，所以，公路水穩(wěn)碎石基層的故障率更低，從而能有效減少道路修補(bǔ)、道路養(yǎng)護(hù)等需求。綜合來看，振動攪拌技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中具備更好的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性，更能實(shí)現(xiàn)公路工程的降本增效。

3）從技術(shù)原理角度看，普通攪拌技術(shù)難以保證混合料拌和的均勻性與充分性，在低轉(zhuǎn)速、短時長條件下，易引發(fā)水泥離析、結(jié)團(tuán)等故障問題。在此基礎(chǔ)上，細(xì)集料難以達(dá)到良好的水泥混合與碎石包裹效果，粗集料的黏結(jié)性也無法達(dá)到理想水平，易導(dǎo)致混合料在施工使用時出現(xiàn)質(zhì)量問題。相比之下，振動攪拌技術(shù)依托附加振動作用，能幫助水泥、細(xì)集料、粗集料等原料更均勻、充分地實(shí)現(xiàn)混合黏結(jié)，使公路水穩(wěn)碎石基層在經(jīng)過攤鋪、碾壓、保養(yǎng)等施工處理后，形成高水平的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與承載能力[3]。

5 結(jié)語

綜上所述，將振動攪拌技術(shù)應(yīng)用到公路工程中水泥穩(wěn)定碎石混合料的拌和處理中具有良好的實(shí)用價值。在施工條件、配比方案不變的情況下，振動攪拌技術(shù)能夠予水穩(wěn)碎石混合料較高水平的力學(xué)性能，且變異系數(shù)相對較低。在材料質(zhì)量要求相同的情況下，振動攪拌技術(shù)與普通攪拌技術(shù)相比具備更好的經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性。為保證技術(shù)應(yīng)用效果符合預(yù)期，在振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石時，既要做好攪拌裝置的選配與配比方案的設(shè)計，也要對振動攪拌技術(shù)的工藝流程、工藝參數(shù)實(shí)施科學(xué)控制，進(jìn)而將水穩(wěn)碎石混凝土的材料質(zhì)量提升至理想水平，為公路工程的施工建設(shè)提供助力。