振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定砂礫強(qiáng)度性能對(duì)比研究

李汝凱，洛桑慈成，王火明，周 剛，劉秘強(qiáng)

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2.西藏自治區(qū)交通勘察設(shè)計(jì)研究院，西藏 拉薩 850000； 3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定砂礫強(qiáng)度性能對(duì)比研究

李汝凱1，洛桑慈成2，王火明1，周 剛3，劉秘強(qiáng)3

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2.西藏自治區(qū)交通勘察設(shè)計(jì)研究院，西藏 拉薩 850000； 3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

為了給西藏地區(qū)實(shí)體工程推薦較優(yōu)的水泥穩(wěn)定砂礫的拌和方式，采用室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和實(shí)體工程取芯強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)常規(guī)拌和工藝與振動(dòng)攪拌工藝下不同養(yǎng)生齡期的水泥穩(wěn)定砂礫的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律及其變異系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：在西藏阿里地區(qū)特殊氣候環(huán)境下，水泥穩(wěn)定砂礫混合料的抗壓強(qiáng)度增長相對(duì)緩慢；相比常規(guī)攪拌工藝，采用振動(dòng)攪拌工藝后水泥穩(wěn)定砂礫混合料的強(qiáng)度變異系數(shù)有所減小，混合料拌和更加均勻，抗壓強(qiáng)度可提高10%～15%，路用性能得以提升；在相同設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度條件下可減少水泥用量，節(jié)約工程造價(jià)，減少基層裂縫，建議在西藏筑路材料匱乏地段可采用振動(dòng)攪拌技術(shù)提高水泥穩(wěn)定基層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

道路工程；振動(dòng)攪拌；水泥穩(wěn)定砂礫混合料；抗壓強(qiáng)度；變異系數(shù)

0 引 言

我國高等級(jí)公路瀝青路面基層大都采用半剛性材料鋪筑，具有整體性能好、承載能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，在我國強(qiáng)基薄面的公路建設(shè)中起到了重要作用；但隨著工程經(jīng)驗(yàn)的增加，發(fā)現(xiàn)常規(guī)水泥穩(wěn)定拌和工藝存在一定的缺點(diǎn)，水泥、水、集料等原材料在常規(guī)拌和工藝下得不到充分混合，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定混合料的均勻性較差，施工后存在許多質(zhì)量隱患和受力薄弱環(huán)節(jié)，施工質(zhì)量難以保證，在使用周期內(nèi)容易出現(xiàn)干縮、溫縮、局部松散等早期路面病害，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生反射裂縫、坑槽、唧泥等損害，后期維修養(yǎng)護(hù)頻繁，養(yǎng)護(hù)成本增加[1-3]。

國內(nèi)學(xué)者針對(duì)此問題開展了大量研究，在水泥穩(wěn)定混合料的拌和工藝上作出調(diào)整，研發(fā)出雙拌缸拌和、二次攪拌和振動(dòng)攪拌工藝等新技術(shù)。程毅等[4]以混合料拌和工藝為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石串聯(lián)式雙拌缸技術(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明采用雙拌缸工藝可提高混合料的路用性能，減小裂縫、離析等質(zhì)量通?。煌跣l(wèi)中等[5]針對(duì)傳統(tǒng)混凝土攪拌工藝存在的問題，研究了二次攪拌工藝對(duì)混凝土攪拌質(zhì)量的影響，結(jié)果表明二次攪拌工藝較傳統(tǒng)攪拌工藝能明顯提高混凝土的攪拌質(zhì)量和效率，改善了混凝土界面過渡區(qū)的黏結(jié)強(qiáng)度。有學(xué)者運(yùn)用振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的路用性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石拌和更加均勻，綜合性能優(yōu)于雙拌缸和二次攪拌工藝[6-10]。

鑒于此，筆者結(jié)合西藏阿里地區(qū)某省道實(shí)體工程，采用室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和試驗(yàn)段取芯強(qiáng)度試驗(yàn)，選取不同養(yǎng)生齡期，對(duì)常規(guī)拌和工藝、振動(dòng)拌和工藝下水泥穩(wěn)定砂礫的抗壓強(qiáng)度及其變異系數(shù)進(jìn)行研究，目的是為水泥穩(wěn)定砂礫基層的施工提供較優(yōu)的拌和工藝，提高水泥穩(wěn)定材料的均勻性，進(jìn)而提高水泥穩(wěn)定基層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

1 原材料指標(biāo)及配合比設(shè)計(jì)

對(duì)水泥穩(wěn)定砂礫的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于西藏阿里地區(qū)某省道基層，采用32.5型普通硅酸鹽水泥，水泥劑量為3.0%，質(zhì)量滿足JTG E 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)普通硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)的要求；水為生活飲用水，滿足規(guī)范要求。

集料采用當(dāng)?shù)厣暗[石，由0～10 、10～15、10～20和20～30 mm4檔組成，各檔集料篩分結(jié)果及配合比設(shè)計(jì)摻量見表1，礦料級(jí)配曲線如圖1，滿足JTG/T F 20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》對(duì)水泥穩(wěn)定基層的推薦級(jí)配范圍。

圖1 礦料級(jí)配曲線Fig. 1 Gradation curve of mineral aggregate

項(xiàng)目材料名稱比例/%各檔粒徑/mm集料通過率/%31．526．5191613．29．54．752．361．180．60．30．150．075集料篩分20～30mm10080．464．533．721．29．52．40．30．20．20．20．20．10．110～20mm100100．0100．096．886．370．029．212．16．02．61．51．00．70．410～15mm100100．0100．0100．098．693．271．719．97．94．12．00．90．40．20～10mm100100．0100．0100．0100．0100．096．070．350．636．525．219．013．19．7混合料級(jí)配組成20～30mm10～20mm10～15mm0～10mm混合級(jí)配規(guī)范級(jí)配范圍3024．119．410．16．42．90．70．10．10．10．10．10．00．01414．014．013．612．19．84．11．70．80．40．20．10．10．11313．013．013．012．812．19．32．61．00．50．30．10．10．04343．043．043．043．043．041．330．221．815．710．88．25．64．210094．089．080．074．367．855．434．623．716．711．48．55．84．3上限100．094．083．078．073．064．050．036．026．019．014．010．07．0下限90．081．067．061．054．045．030．019．012．08．05．03．02．0中值95．087．575．069．563．554．540．027．519．013．59．56．54．5

2 試驗(yàn)方案

2.1 室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在常規(guī)攪拌與振動(dòng)攪拌裝置的拌缸內(nèi)取水泥穩(wěn)定砂礫混合料，成型標(biāo)準(zhǔn)抗壓試件，由于實(shí)驗(yàn)室條件限制，成型好的標(biāo)準(zhǔn)試件直接放到室內(nèi)灑水養(yǎng)護(hù)，并用塑料袋覆蓋養(yǎng)生，分別測定7、14、28 d試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，每種條件進(jìn)行9組平行試驗(yàn)，取平均值作為最終結(jié)果，抗壓強(qiáng)度及其變異系數(shù)分別用R和C表示。

2.2 試驗(yàn)段取芯強(qiáng)度試驗(yàn)

現(xiàn)場鋪筑1.8 km的試驗(yàn)段，采用相同原材料和配合比鋪筑，碾壓完成后立即灑水，并覆蓋薄膜養(yǎng)生7、14、28 d，鉆取芯樣分別測定常規(guī)攪拌與振動(dòng)攪拌路段的抗壓強(qiáng)度，每種方案進(jìn)行9組平行試驗(yàn)，取平均值作為最終結(jié)果，抗壓強(qiáng)度及其變異系數(shù)分別用Q和V表示。

2.3 試驗(yàn)方案

本研究試驗(yàn)量較大，測定不同攪拌形式與不同養(yǎng)生齡期下水泥穩(wěn)定砂礫的抗壓強(qiáng)度，用于評(píng)價(jià)路用性能；并計(jì)算強(qiáng)度變異系數(shù)，用于評(píng)價(jià)混合料的拌和均勻性，具體實(shí)施組織方案如表2。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備對(duì)水穩(wěn)砂礫試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測定，試驗(yàn)結(jié)果見表3。將抗壓強(qiáng)度值及其變異系數(shù)繪制成對(duì)比圖，見圖2和圖3。

表3 水穩(wěn)砂礫抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of compressive strength of cement stabilized gravel mix

圖2 不同成型條件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig. 2 Test results of compressive strength under different forming conditions

圖3 不同成型條件抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)Fig. 3 Variation coefficients of compressive strength under different forming conditions

對(duì)比不同成型條件下水泥穩(wěn)定砂礫的抗壓強(qiáng)度及變異系數(shù)結(jié)果可得：

1)振動(dòng)攪拌工藝可提高水泥穩(wěn)定砂礫混合料的抗壓強(qiáng)度。從表3和圖2可見：與常規(guī)攪拌技術(shù)相比，在振動(dòng)攪拌工藝下，室內(nèi)成型的水穩(wěn)砂礫混合料試件養(yǎng)生7、14、28 d后抗壓強(qiáng)度分別提高了9.7%、14.7%、15.4%；現(xiàn)場鉆取的芯樣試件的抗壓強(qiáng)度分別提高了8.6%、14.6%、11.1%。綜合兩種試驗(yàn)結(jié)果，振動(dòng)攪拌工藝可使水泥穩(wěn)定砂礫混合料的抗壓強(qiáng)度提高10%～15%，路用性能得以提升；同理，在相同設(shè)計(jì)強(qiáng)度下，振動(dòng)攪拌技術(shù)可減少水泥用量，降低工程造價(jià)。

2)振動(dòng)攪拌工藝可減小水穩(wěn)砂礫混合料的強(qiáng)度變異系數(shù)，使混合料拌和更加均勻，減小原材料抱團(tuán)離析現(xiàn)象。從表3和圖3可見：在常規(guī)拌和工藝條件下，室內(nèi)成型的水穩(wěn)砂礫混合料試件養(yǎng)生7、14、28 d后所測抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)分別為14%、10%、13%，現(xiàn)場鉆芯取樣試件的抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)分別為18%、32%、23%；振動(dòng)攪拌條件下，室內(nèi)成型試件相對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)分別為10%、9%、7%，現(xiàn)場鉆芯取樣試件相對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)分別為21%、13%、9%，即振動(dòng)攪拌工藝的抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)小于相同條件的常規(guī)拌和工藝。

水穩(wěn)碎石混合料抗壓強(qiáng)度增大及變異系數(shù)減小的主要原因是：振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)混合料的拌缸進(jìn)行了改進(jìn)，引進(jìn)了振動(dòng)裝置，可在整個(gè)拌和過程中持續(xù)不斷的提供高頻率振動(dòng)彈力波，使原材料及混合料通過拌缸時(shí)拌和地更加均勻，這種均勻不僅體現(xiàn)在宏觀層面上，還體現(xiàn)在混合料微觀領(lǐng)域，使水、水泥、集料充分融合和彌散開，減少原材料抱團(tuán)離析。

3)在西藏高海拔地區(qū)實(shí)體工程中，水泥穩(wěn)定材料的抗壓強(qiáng)度增長速度高于室內(nèi)成型養(yǎng)生的試件。西藏條件較為艱苦，施工期集中在每年的5～10月份，不具備標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件，成型后大都放在室內(nèi)養(yǎng)生，此種養(yǎng)生條件使水泥穩(wěn)定類材料的試件的強(qiáng)度增長較慢，增長速度明顯小于實(shí)體工程。建議在西藏高海拔地區(qū)進(jìn)行水泥穩(wěn)定類材料施工時(shí)，若無標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)延長基層材料的養(yǎng)生齡期，不僅僅局限于測定7 d標(biāo)準(zhǔn)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

筆者對(duì)常規(guī)拌和工藝和振動(dòng)攪拌工藝下水泥穩(wěn)定砂礫材料的抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行了探索研究，并比較了兩種狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)的變化情況。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)路段的鋪筑情況，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)相比常規(guī)拌和工藝，振動(dòng)攪拌技術(shù)可提高水泥穩(wěn)定砂礫混合料的抗壓強(qiáng)度，在西藏高海拔地區(qū)水穩(wěn)材料的抗壓強(qiáng)度可提高10%～15%，路用性能得以提升；在相同設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度條件下可減少水泥用量，節(jié)約工程造價(jià)。

2)相比常規(guī)拌和工藝，振動(dòng)攪拌技術(shù)可減小水泥穩(wěn)定砂礫抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)，使水穩(wěn)砂礫在宏觀和微觀層面拌和地更加均勻，減少集料和水泥抱團(tuán)離析，建議在西藏筑路材料匱乏地段采用振動(dòng)攪拌技術(shù)提高水穩(wěn)基層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3)鑒于西藏惡劣的低溫氣候條件，水泥穩(wěn)定類材料的抗壓強(qiáng)度增長緩慢，建議在西藏高海拔地區(qū)進(jìn)行水泥穩(wěn)定類材料施工時(shí)，若無標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)延長水穩(wěn)材料的養(yǎng)生齡期，不僅僅局限于測定7 d標(biāo)準(zhǔn)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

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ComparativeStudyonStrengthPerformanceofCementStabilizedGravelMixunderVibrationStirring

LI Rukai1, LUOSANG Cicheng2, WANG Huoming1, ZHOU Gang3, LIU Miqiang3

(1.China Merchants Chongqing Communications Research and Design Institute Co. Ltd., Chongqing 400067,P.R.China; 2. Traffic Survey and Design Institute of Tibet Autonomous Region, Lhasa 850000, Tibet,P.R.China; 3. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China)

In order to recommend a better mixing way of cement stabilized gravel for practical projects in Tibet, the indoor unconfined compressive strength test and practical projects core strength test were adopted, to carry out the comparative study on the variation law of compressive strength and the variation coefficient of cement stabilized gravel of different curing age in conventional mixing process and vibration stirring process. The test results show that the increase of the compressive strength of cement stabilized gravel mix is relatively slow under special climatic conditions of Ali district in Tibet. Compared with the conventional stirring process, the variation coefficient of the strength of cement stabilized gravel mix after vibration stirring is reduced; the mixing of the mixture is more uniform, the compressive strength can be increased by 10%～15%, and the road performance can be improved. With the same designed compressive strength conditions, the vibration stirring technique can reduce the amount of cement, save the project cost and reduce the primary crack. Therefore, it is suggested that the vibration stirring technique can be adopted in the area with the shortage of road construction materials in Tibet to improve the strength and stability of cement stabilized base.

highway engineering; vibration stirring; cement stabilized gravel mix; compressive strength; variation coefficient

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.07

2016-10-25；

2017-01-19

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2014 318 J15 070)；重慶市社會(huì)民生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(cstc2015shmszx30010)；重慶市交通委員會(huì)科技項(xiàng)目(2016-04)；云南省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目((2016)140(B))

李汝凱(1989—)，男，山東泰安人，工程師，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料方面的研究。E-mail：lirukai@cmhk.com。

U416.2

A

1674-0696(2017)11-033-04

(責(zé)任編輯：譚緒凱)