淺談振動拌和水泥穩(wěn)定碎石的配合比設計與性能分析

何小亮

摘要 文章主要研究振動與傳統(tǒng)攪拌的水泥穩(wěn)定碎石路用性能對比。在進行相關數(shù)據(jù)的整合和比較之后能夠發(fā)現(xiàn)，振動攪拌的水泥能夠具備更為良好的穩(wěn)定性，碎石路用性能有相應的提升，值得在工程建筑中得到廣泛的應用和實踐。

關鍵詞 道路工程;水泥穩(wěn)定碎石;攪拌

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0129-03

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石自身的強度和整體性都具備良好的性能和特點，其中存在的問題需要相關的工程項目單位加以重視。水泥穩(wěn)定碎石的局限性表現(xiàn)在其自身的強度和剛度，以及原材料的加工攪拌形式上，在施工過程中，主要將研究內(nèi)容集中在對原材料質(zhì)量的把控和選擇上，很少對原材料的加工手段進行研究，進而提升水泥穩(wěn)定碎石的質(zhì)量和效果。

1 水泥穩(wěn)定碎石配合比設計

1.1 原材料篩選

基于以往應用經(jīng)驗，所選原材料及其性能如下：（1）水泥材料，其強度等級為P.O42.5，根據(jù)具體用量選擇袋裝或散裝的形式;（2）粉煤灰粒度和灰度需控制在合理范圍內(nèi);（3）集料應選擇連續(xù)級配的材料。根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（ JTG E30—2005）與 《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005），對原材料進行指標試驗。

1.2 集料級配設計

水泥穩(wěn)定碎石在原材料的選擇上采用較為密實的原材料配置結構，集料根據(jù)自身的參數(shù)和性能可以劃分為1～4號，其中參數(shù)的不同表現(xiàn)為1號（19～31 mm）、2號

（9.5～19 mm）、3號（4.75～9.5 mm）、4號（<4.75 mm）以及粉煤灰。在工程建筑進行的過程中使用的基本上是中值配置，在水泥穩(wěn)定碎石的原材料上具有穩(wěn)定性和廣泛性。根據(jù)我國相關要求與標準可知，對于粉煤灰的使用能夠在±0.6 mm的范圍內(nèi)進行相應的調(diào)整和波動，不會影響整體的工程建設效果。

在振動攪拌水泥的過程中原材料之間的配置比例為1號∶2號∶3號∶4號∶粉煤灰比例為19∶23∶25∶

27∶6。在傳統(tǒng)的攪拌水泥的過程中使用的原材料之間的配置為1號∶2號∶3號∶4號∶粉煤灰比例為18∶26∶19∶30∶7。從原材料的配置情況就能夠看出，不同的攪拌加工形式下，原材料的配置情況是具有一定差異的，通過不同形式的攪拌加工之后，產(chǎn)生的效果也不同。

1.3 配合比設計

對于兩種不同加工形式的水泥進行穩(wěn)定性測試，保證兩種攪拌形式下的水泥含量相同，均是4.5%，并且兩種攪拌形式下的水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量和最大干密度都應當?shù)玫较鄳尿炞C和確定。

根據(jù)實驗的原材料和攪拌形式的選擇，能夠得到最后的實驗樣本，其中振動攪拌的水泥中水泥用量為4.5%，粉煤灰含量為6.0%，經(jīng)過重型擊實驗之后的最佳含水量為6.3%，最大干密度為2.312 g/cm3。傳統(tǒng)的攪拌形式中水泥用量為4.5%，粉煤灰含量為7.0%，經(jīng)過重型擊實驗之后的最佳含水量為6.5%，最大干密度為

2.292 g/cm3。

2 振動與傳統(tǒng)攪拌的水泥穩(wěn)定碎石路用性能對比分析

2.1 試驗方法與試件制備

根據(jù)我國《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）中的相關要求與標準中，在實驗室制成φ15 cm×

15 cm的圓柱體試件。在試件制作的過程中根據(jù)不同的需求和參數(shù)有兩種形式的試件可以選擇。一是實驗室內(nèi)規(guī)定的具有一定標準的圓柱體試件;二是在施工現(xiàn)場進行攤鋪養(yǎng)護的試件的制作。在試件制作的過程中選用兩種不同形式的攪拌水泥穩(wěn)定碎石的形式，分別是傳統(tǒng)攪拌形式以及振動攪拌的形式，在試件制作和養(yǎng)護的過程中相應的溫度標準為20±2 ℃，濕度標準為>95%的環(huán)境下。按照相關的國家標準，將相應的試件分別進行7 d、28 d、90 d的時間培養(yǎng)，并且測試不同試件的無側限抗壓強度和間接抗拉強度[1]。

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 無側限抗壓強度

（1）根據(jù)相應的實驗結果能夠判斷，振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌形式下的水泥穩(wěn)定碎石試樣的測試的過程中7 d時間內(nèi)的無側限抗壓強度均能夠符合相關的要求和標準。但是在自身的強度和性能上卻存在明顯的變化和差異。振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石在7 d、28 d、90 d的實驗時間下，自身的無側限抗壓強度與傳統(tǒng)攪拌下的水泥穩(wěn)定碎石的無側限抗壓強度之間對比，性能分別提升了15.46%、21.87%、21.35%。

在芯樣試件的無側限抗壓強度實驗中，振動攪拌下的水泥穩(wěn)定碎石式樣在7 d、28 d、90 d的實驗時間下，自身的無側限抗壓強度與傳統(tǒng)攪拌下的水泥穩(wěn)定碎石的無側限抗壓強度之間對比，性能分別提升了16.84%、16.45%、28.45%。

（2）根據(jù)相應的實驗結果能夠判斷，振動攪拌的水泥穩(wěn)定碎石試樣的測試的過程中7 d時間內(nèi)的無側限抗壓強度與傳統(tǒng)攪拌形式下水泥穩(wěn)定碎石7 d時間內(nèi)的無側限抗壓強度相同。

（3）根據(jù)相應的實驗結果能夠判斷，兩種式樣的芯樣試件抗壓強度比室內(nèi)試件的抗壓強度高。主要原因是室內(nèi)式樣的制作使用的是靜壓形式，公路交通建設的過程中使用的建設形式是壓實形式。如圖1所示。

2.2.2 劈裂試驗

（1）根據(jù)相應的實驗結果能夠判斷，振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌形式下的水泥穩(wěn)定碎石試樣的測試的過程中7 d時間內(nèi)的劈裂強度均能夠符合相關的要求和標準。

（2）兩種攪拌形式的室內(nèi)試件研究中，振動攪拌式樣與傳統(tǒng)攪拌式樣相比，劈裂強度在7 d、28 d、90 d的實驗時間下分別提升了6.12%、21.45%、19.45%。根據(jù)相應的實驗結果能夠判斷，振動攪拌式樣與傳統(tǒng)攪拌式樣相比，芯樣試件劈裂強度在7 d、28 d、90 d的實驗時間下分別提升了7.89%、15.48%、18.94%。

2.2.3 凍融強度試驗

（1）利用振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌形式來制作水泥穩(wěn)定碎石試樣，在養(yǎng)生7 d和28 d之后，將其放入到水中浸泡24 h，隨后放入到?18 ℃的低溫箱中冷凍16 h，其間需要維持良好的通風環(huán)境，確保冷空氣的有序流通。取出試件后利用游標卡尺測量試件高度，利用電子秤進行稱重，記錄數(shù)據(jù)后重新將試件放入到水中（溫度為20 ℃）浸泡8 h，擦干試樣后重新稱重和量尺寸，放入低溫箱中進行下一循環(huán)，循環(huán)次數(shù)在5～7次。

（2）兩種攪拌形式的室內(nèi)試件研究中，傳統(tǒng)攪拌式樣凍融強度在養(yǎng)生7 d和28 d之后，其強度分別下降了7.32%、9.21%。振動攪拌式樣在養(yǎng)生7 d和28 d之后，其強度分別下降了5.32%、6.21%。結合得到的數(shù)據(jù)了解到，利用振動攪拌形式進行水泥穩(wěn)定碎石處理后的穩(wěn)定性更強，能夠更好地抵御外部環(huán)境帶來的影響。

2.2.4 干縮特性試驗

（1）利用振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌形式來制作最佳含水量、最大干密度的水泥穩(wěn)定碎石試樣，在養(yǎng)生7 d之后，將其放入到水中浸泡24 h，取出擦干試樣后稱重和量尺寸，隨后放入到干縮室內(nèi)，在第一周每天都需要進行稱重和量尺寸，第二周開始每兩天進行一次稱重和量尺寸，實驗總時長為一個月。一個月后的試樣會放入到烘箱內(nèi)進行加熱，待重量不變之后，計算試樣的失水率、干縮量、干縮系數(shù)等參數(shù)。

（2）兩種攪拌形式的室內(nèi)試件研究中，振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌形式所得到的試樣，在養(yǎng)生7 d后，其累積失水率也會逐漸增加，在最初的5 d，失水率處于逐漸增大的狀態(tài)，并且失水率曲線最終趨于平穩(wěn)緩和狀態(tài)。振動攪拌方式在應用中，累積失水率低于傳統(tǒng)拌和方式得到的碎石混合料;振動攪拌方式在應用中，其干應變數(shù)值也會隨著齡期的增長而增大，但累積干應變數(shù)值低于傳統(tǒng)拌和方式得到的碎石混合料;傳統(tǒng)拌和方式的總干縮系數(shù)大于振動攪拌方式得到的碎石混合料。因此，振動拌和的水穩(wěn)碎石基層，其具備了更強的抗裂性和抗收縮性。

2.2.5 溫縮特性試驗

（1）利用振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌形式來制作最佳含水量、最大干密度的水泥穩(wěn)定碎石試樣，在養(yǎng)生7 d之后，在環(huán)境溫度為25 ℃、濕度為90%的條件下，將其放入到水中浸泡24 h，取出擦干試樣后放入到烘箱（溫度恒定在105 ℃）中停留10～12 h，待重量不變之后，將其放入到通風環(huán)境下進行自然冷卻，然后對其原始長度進行記錄。然后將試件放入到試驗箱中進行實驗，以10 ℃為梯度，測試區(qū)間在?30～50 ℃，每個梯度恒溫3 h，測試距離3 h前5 min時試件的形變量。計算試樣的溫縮應變、溫縮系數(shù)等參數(shù)。

（2）兩種攪拌形式的室內(nèi)試件研究中，振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌形式所得到的試樣，其溫縮系數(shù)趨勢基本保持一致，即隨著溫度的降低而減少。但是在0～10 ℃時溫縮系數(shù)達到最大值。同時振動攪拌方式得到的水穩(wěn)碎石混合料溫縮系數(shù)，其數(shù)值小于傳統(tǒng)拌和水穩(wěn)碎石混合料溫縮系數(shù)，差距在30%～35%，因此，振動攪拌方式得到的水穩(wěn)碎石混合料穩(wěn)定性更強。

2.2.6 抗沖刷性能分析

（1）利用振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌形式來制作最佳含水量、最大干密度的水泥穩(wěn)定碎石試樣，在養(yǎng)生28 d之后，將其放入到?jīng)_刷筒中，并利用工具進行固定，隨后將清水注入到?jīng)_刷筒中，液面高出試樣5 mm，隨后調(diào)整控制系統(tǒng)，沖刷次數(shù)控制在100次，將試樣去除之后，將沖刷筒中的沉淀物進行收集，放入到烘箱（溫度恒定在105 ℃）中停留1～2 h，待重量不變之后，將其放入到通風環(huán)境下進行自然冷卻，然后記錄沖刷損失質(zhì)量。同時觀察試樣上的沖刷痕跡，了解沖刷狀態(tài)下試樣參數(shù)的變化情況。

（2）兩種攪拌形式的室內(nèi)試件研究中，振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌形式所得到的試樣，在沖刷過程中都會產(chǎn)生沉淀物，并且隨著沖刷次數(shù)的增多，試樣表面的凹槽深度和寬度也會不斷增大，整體趨勢基本保持一致。

2.2.7 疲勞性能分析

（1）利用振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌形式來制作最佳含水量、最大干密度的水泥穩(wěn)定碎石試樣，在養(yǎng)生90 d之后，將其放入到疲勞試驗機中，并利用工具進行固定。在此次實驗中所施加的應力包括動態(tài)應力荷載和加載系統(tǒng)。并且在正式實驗前，也會對于作用荷載、彎拉強度等內(nèi)容進行整理，并且整理出0.60、0.70、0.75、0.80四個應力比，這樣也可以在對各個應力水平下的作用荷載進行科學計算。

（2）兩種攪拌形式的室內(nèi)試件研究中，振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌形式所得到的試樣，根據(jù)測試得到的數(shù)據(jù)可以了解到，在荷載超出某一數(shù)值之后，也會在內(nèi)部出現(xiàn)大量微裂縫，這些微裂縫在長期荷載循環(huán)作用下發(fā)生擴展，當循環(huán)荷載作用超過一定的水平，裂縫會發(fā)生失穩(wěn)擴展，各個裂縫之間可能會產(chǎn)生貫通并產(chǎn)生較大裂縫。但是從發(fā)展趨勢來看，振動攪拌方式得到的水穩(wěn)碎石混合料在受到荷載之后的變化幅度、頻率較低，具備了更強的穩(wěn)定性。

2.2.8 彎拉強度分析

（1）利用振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌形式來制作最佳含水量、最大干密度的水泥穩(wěn)定碎石試樣，在養(yǎng)生90 d之后，將其放入到水中浸泡24 h，取出擦干試樣后利用記號筆在試件側面三分點處做標記，受壓力的一面則放置在承臺上，然后在上面給予荷載，加載過程保持勻速和連續(xù)，加載速率控制在50 mm/min，一直到試件被破壞之后，對于破壞時的極限荷載進行記錄，因計算彎拉強度數(shù)值[2]。

（2）兩種攪拌形式的室內(nèi)試件研究中，振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌形式所得到的試樣，在加載過程中的變化趨勢基本保持一致，即隨著加載力的增加，試樣的破壞程度也會不斷加重。同時振動攪拌方式得到的水穩(wěn)碎石混合料彎拉強度，其數(shù)值小于傳統(tǒng)拌和水穩(wěn)碎石混合料彎拉強度，差距在10%～35%，因此，振動攪拌方式得到的水穩(wěn)碎石混合料穩(wěn)定性更加可靠。

3 基于實際案例進行分析

烏瑪高速景泰至中川機場段建設項目景中路面一標，位于甘肅省白銀市景泰縣，路面結構形式主要是20 cm水穩(wěn)碎石底基層+36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18 cm瀝青面層，項目開工于2018年8月1日，完工于2019年8月31日，該項目共有水泥穩(wěn)定碎石基層混合料55.1萬t，設計水泥劑量為5.0%，在采用振動拌和技術后實際水泥劑量調(diào)整為4.4%，可節(jié)約水泥12%，項目振動拌和技術的應用，大幅提升水泥穩(wěn)定碎石混合料宏觀及微觀均勻性，提高半剛性基層強度，減少水泥用量，增強水泥穩(wěn)定碎石結構耐久性，為建設耐久性長壽命路面創(chuàng)造巨大空間，并在景中項目全線應用推廣，得到了業(yè)主、監(jiān)理的一致認可。如圖2所示。

4 結語

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)整合和比較能夠說明，使用振動攪拌形式進行水泥穩(wěn)定碎石，與傳統(tǒng)的攪拌形式相比而言具有更穩(wěn)定、更高效的無側限抗壓強度以及撕裂強度。

參考文獻

[1]徐周聰，但路昭，呂少輝，等.基于振動拌和工藝的水泥穩(wěn)定碎石混合料強度及拌和均勻性分析[J]. 公路交通技術，2017（6）：4-8.

[2]刁龍.振動攪拌技術在水穩(wěn)碎石基層施工中的應用效果研究[J]. 北方交通， 2017（3）：98-100.