基于振動(dòng)攪拌的水泥穩(wěn)定碎石基層性能試驗(yàn)

李海潮，王 福，肖 周

（中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

瀝青路面是在水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層上鋪筑瀝青混合料作為面層的柔性路面結(jié)構(gòu)，因此，水泥穩(wěn)定碎石基層就成為保障路面整體質(zhì)量和壽命的關(guān)鍵因素之一［1－3］。大量的研究證實(shí)，路面基層普遍存在的強(qiáng)度不足、裂縫等問題是引起瀝青路面破壞、壽命縮短的重要原因［4－6］；因此，強(qiáng)化水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度、加強(qiáng)基層的建設(shè)質(zhì)量成為保證瀝青路面使用壽命的重要研究方向。

材料的優(yōu)化與改進(jìn)能夠提高水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度和壽命［7－9］，但最終還需要通過攪拌設(shè)備完成，提高攪拌設(shè)備的性能顯得尤為重要［10－13］。劉朝陽等研究發(fā)現(xiàn)振動(dòng)攪拌作用下混凝土內(nèi)部最高溫差大于普通攪拌的且需要時(shí)間短，能促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，使成型混凝土更為密實(shí)［14］；但路昭等通過研究振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定土的性能，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)拌合水泥穩(wěn)定碎石混合料的劈裂強(qiáng)度有明顯提高［15］；趙順對(duì)振動(dòng)攪拌與非振動(dòng)攪拌條件下的水泥穩(wěn)定碎石性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)攪拌混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高，且優(yōu)化了內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，改善了孔級(jí)配，展現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢(shì)［16］。

目前，振動(dòng)拌攪拌對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的研究大多是在試驗(yàn)中驗(yàn)證抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)及干縮性等?；诖耍疚囊試?guó)道G347線中K40＋800～K61＋749路面試驗(yàn)段為對(duì)象，通過對(duì)普通攪拌和振動(dòng)攪拌混合料的對(duì)比試驗(yàn)，以強(qiáng)化基層力學(xué)性能、壓實(shí)質(zhì)量為指標(biāo)，探索基于振動(dòng)攪拌下水泥穩(wěn)定碎石施工后的路用性能。

1 振動(dòng)攪拌機(jī)理

振動(dòng)攪拌設(shè)備在普通攪拌方式的基礎(chǔ)上，使包括攪拌軸及其連接的葉片等都處于振動(dòng)狀態(tài)。水泥穩(wěn)定碎石在受到強(qiáng)制攪拌的過程中，對(duì)流與剪切運(yùn)動(dòng)依然存在，同時(shí)附加了高頻低幅的振動(dòng)作用。振動(dòng)攪拌設(shè)備如圖1所示。當(dāng)混合料處于高頻的振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，粉料與水的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加快，水泥與水的水化反應(yīng)加快進(jìn)行，使混合料各個(gè)組分不但具有宏觀均勻性，微觀均勻性也得到改善。攪拌后水泥團(tuán)粒狀態(tài)如圖2所示，可見振動(dòng)攪拌后未出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，攪拌質(zhì)量得到提高。

圖1 振動(dòng)攪拌設(shè)備及內(nèi)部原理

圖2 兩種攪拌方式下水泥團(tuán)粒對(duì)比

2 試驗(yàn)過程

2．1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中，水泥選用安慶懷寧上峰（水泥）有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·C32．5R水泥，集料選用安慶宿松石料礦生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石，依據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG F20—2015）中對(duì)基層的要求指標(biāo)，確定集料規(guī)格具體分為：19～26．5mm（1＃）、9．5～19mm（2＃）、4．75～9．5mm（3＃）、2．36～4．75mm（4＃）、0～2．36mm（5＃）共5檔，拌合用水采用干凈地下水。

2．2 水泥碎石穩(wěn)定土配比設(shè)計(jì)

參照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG F20—2015），在滿足設(shè)計(jì)級(jí)配范圍的基礎(chǔ)上，確定1＃、2＃、3＃、4＃、5＃各檔集料比例為22%、31%、21%、6%、20%。遵照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）試驗(yàn)要求，分別按水泥劑量3．5%、4．0%、4．5%、5．0%、5．5%進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定各組設(shè)計(jì)的最大干密度和含水量，測(cè)試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，確定水泥劑量為4．5%、最佳含水量為5．4%、最大干密度為2．376g·cm－3。

2．3 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

本文以國(guó)道G347普濟(jì)圩至樅陽段K40＋800～K61＋749段路面（全程20．95km）為依托。試驗(yàn)設(shè)備有振動(dòng)攪拌設(shè)備1套（許昌德通DT6002BT型，600t·h－1）、普通攪拌設(shè)備1套（WCBXC600型，600t·h－1）、攤鋪機(jī)2臺(tái)（徐工953型，最大攤鋪寬度為13．9m）、單鋼輪壓路機(jī)2臺(tái)（XS222J型，激振力大于30t）、膠輪壓路機(jī)2臺(tái)（XP302型，30t），按施工規(guī)范中的要求進(jìn)行混合料的拌合與攤鋪。壓實(shí)采用常規(guī)壓實(shí)方法，總計(jì)壓實(shí)10遍，初壓時(shí)前靜后振碾壓1遍（1臺(tái)22t鋼輪壓路機(jī)），復(fù)壓8遍（先由2臺(tái)鋼輪振動(dòng)碾壓各2遍，2臺(tái)膠輪各2遍），終壓用鋼輪收面1遍。各階段根據(jù)需要取標(biāo)準(zhǔn)試樣檢測(cè)性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 攤鋪性能對(duì)比

為了評(píng)價(jià)振動(dòng)攪拌對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的影響，在基層對(duì)比施工試驗(yàn)中，施工工藝保持一致。第一道攤鋪?zhàn)鳂I(yè)具有預(yù)壓實(shí)功能，因此對(duì)于試驗(yàn)路面，采用2臺(tái)攤鋪機(jī)梯隊(duì)作業(yè)，前后間距不超過10m，縱向接縫重疊20～30cm，作業(yè)時(shí)攤鋪機(jī)參數(shù)相同。對(duì)攤鋪后的水泥穩(wěn)定基層進(jìn)行取樣測(cè)壓實(shí)度，發(fā)現(xiàn)普通攪拌的水穩(wěn)料攤鋪后的壓實(shí)度為80．2%，振動(dòng)攪拌的水穩(wěn)料攤鋪后的壓實(shí)度為81．6%，表明同樣攤鋪條件下，振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石預(yù)壓實(shí)度更高。同時(shí)，觀察2種攪拌工藝下攤鋪路面的表面特征，能夠清晰地看出，普通攪拌混合料攤鋪后表面顆粒分布不均勻，存在明顯的離析現(xiàn)象，如圖3所示；而振動(dòng)攪拌混合料攤鋪后，表面顆粒分散較均勻，無表面離析現(xiàn)象，如圖4所示。結(jié)果表明振動(dòng)攪拌混合料虛鋪層表面質(zhì)量更好。

圖3 普通攪拌后水穩(wěn)混合料虛鋪狀態(tài)

圖4 振動(dòng)攪拌水穩(wěn)混合料虛鋪狀態(tài)

3．2 壓實(shí)性能對(duì)比

壓實(shí)是路面成型最重要的一環(huán)，是路面從松軟變成密實(shí)的重要途徑。在試驗(yàn)中，初壓時(shí)前靜后振碾壓1遍，復(fù)壓8遍，終壓收面1遍，在壓實(shí)1遍、2遍、4遍、6遍、8遍、10遍后測(cè)試壓實(shí)度，不同壓實(shí)遍數(shù)下2種攪拌工藝水穩(wěn)混合料的壓實(shí)度對(duì)比如圖5所示。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，在同等壓實(shí)遍數(shù)下，振動(dòng)攪拌混合料的壓實(shí)度都高于普通攪拌混合料的壓實(shí)度，在壓實(shí)10遍后，振動(dòng)攪拌的水穩(wěn)料的壓實(shí)度為100．4%，普通攪拌的水穩(wěn)的壓實(shí)度為98．5%，平均壓實(shí)度相差2．5%左右。

圖5 兩種攪拌工藝水穩(wěn)混合料的壓實(shí)度

為進(jìn)一步證實(shí)振動(dòng)攪拌對(duì)半剛性基層質(zhì)量的改善，對(duì)2種攪拌方式下終壓后的水泥穩(wěn)定碎石基層取樣檢測(cè)水泥含量，結(jié)果見表1，表中為任意取樣并編號(hào)。從表1可知，振動(dòng)攪拌下水泥穩(wěn)定碎石基層樣本水泥檢測(cè)量最高為4．7%、最低為4．4%，普通攪拌下水泥穩(wěn)定碎石基層樣本水泥檢測(cè)量最高為4．9%、最低為4．2%，最大值和最小值偏離設(shè)計(jì)值都較大；振動(dòng)攪拌下樣本的平均值為4．53%，標(biāo)準(zhǔn)差為0．09，普通攪拌下樣本的平均值為4．47%，標(biāo)準(zhǔn)差為0．21，普通攪拌水泥穩(wěn)定碎石的樣本水泥含量的波動(dòng)值較大。對(duì)比結(jié)果表明，普通攪拌下水泥穩(wěn)定碎石混合料水泥拌合不均勻，表現(xiàn)為測(cè)試值離散度比較大，而振動(dòng)攪拌更均勻，這將大大提升基層路面的質(zhì)量。

表1 兩種攪拌下水泥穩(wěn)定碎石壓實(shí)后水泥劑量檢測(cè)

3．3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比

普通攪拌和振動(dòng)攪拌下的水泥穩(wěn)定碎石，在經(jīng)過攤鋪及壓實(shí)后的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比如表2所示。從表中可看出，普通攪拌下取芯樣本的7d側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4．4MPa，振動(dòng)攪拌下的為6．0 MPa，兩者都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但振動(dòng)攪拌的強(qiáng)度提高了36．4%。試驗(yàn)結(jié)果表明，在基層路面施工中，振動(dòng)攪拌能夠強(qiáng)化基層路面的力學(xué)性能，同時(shí)也能看出，這一結(jié)果與壓實(shí)度具有一致性，表明水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)用振動(dòng)攪拌更具優(yōu)勢(shì)，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

表2 普通攪拌和振動(dòng)攪拌的芯樣抗壓強(qiáng)度

4 結(jié) 語

基于振動(dòng)攪拌的機(jī)理分析，本文對(duì)比研究了普通攪拌和振動(dòng)攪拌下水泥穩(wěn)定碎石在常規(guī)施工中的性能指標(biāo)，主要結(jié)論如下。

（1）對(duì)比不同壓實(shí)遍數(shù)下2種攪拌工藝水穩(wěn)混合料的壓實(shí)度可知，在同等的壓實(shí)遍數(shù)下，振動(dòng)攪拌混合料的壓實(shí)度都高于普通攪拌混合料的壓實(shí)度，平均提高2．5%左右。

（2）振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石基層樣本的水泥檢測(cè)量平均值為4．53%，標(biāo)準(zhǔn)差為0．09，普通攪拌下樣本的平均值為4．47%，標(biāo)準(zhǔn)差為0．21；普通攪拌下離散度大，表明振動(dòng)攪拌下水泥穩(wěn)定碎石混合料的均勻性更好。

（3）普通攪拌下芯樣的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4．4MPa，振動(dòng)攪拌下為6．0MPa，都滿足設(shè)計(jì)的要求；二者相比較，振動(dòng)攪拌的強(qiáng)度提高了36．4%。試驗(yàn)結(jié)果表明，在基層路面施工中，振動(dòng)攪拌能夠強(qiáng)化基層路面的力學(xué)性能。