振動攪拌技術對水泥穩(wěn)定碎石強度性能的影響

施洲輝，甘先永，羅增杰

（1.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004；2.長沙理工大學交通科學研究院，湖南長沙 410076）

?

振動攪拌技術對水泥穩(wěn)定碎石強度性能的影響

施洲輝1，甘先永1，羅增杰2

（1.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004；2.長沙理工大學交通科學研究院，湖南長沙 410076）

摘要：無側限抗壓強度作為路面結構設計的重要強度指標，為提高其強度水平國內外已開展了大量研究，但對水泥穩(wěn)定碎石混合料的制備過程對強度的影響研究不夠，且長期被忽視。文中針對現(xiàn)有攪拌技術的不足，將振動作用應用于水泥穩(wěn)定碎石的攪拌，設計2種級配、不同水泥劑量的混合料，測得不同齡期下其強度性能指標，通過對比分析得出了振動攪拌相對于傳統(tǒng)攪拌在強度性能上的優(yōu)勢及在振動攪拌作用下級配、水泥劑量、齡期對水泥穩(wěn)定碎石混合料的影響規(guī)律。

關鍵詞：公路；水泥穩(wěn)定碎石；振動攪拌；強度性能；水泥用量

為提高水泥穩(wěn)定碎石基層的質量，國內外學者主要從原材料質量控制、改善混合料的級配、控制水泥劑量、提高混合料設計控制指標、改進生產施工工藝、加強施工過程中質量控制、增強有效的后驗性質量檢評手段等方面提高其性能指標，而水泥穩(wěn)定碎石混合料制備過程長期被忽視且研究不夠。國內外相關標準都只是考慮將混合料的宏觀勻質性作為混合料攪拌設備性能的評定指標。其原因是混合料制備過程涉及攪拌理論及設備、攪拌工藝、施工工藝及原材料等不同學科，對混合料的制備過程研究目前仍停留在宏觀的尺度上，致使混合料微觀勻質性較差，界面粘結強度降低，從而使水泥穩(wěn)定碎石基層的良好性能沒有完全發(fā)揮出來。

1　現(xiàn)有攪拌技術的不足

目前國內外普遍采用的自落式與強制式攪拌技術實際上是一種靜力攪拌技術。中國目前拌制穩(wěn)定土的攪拌機械主要是以應用強制攪拌技術為主的連續(xù)式強制攪拌機，而研究與實踐證明連續(xù)式強制攪拌機存在以下不足：1）攪拌時間太短，穩(wěn)定土微觀勻質性差。2）攪拌線速度較低，攪拌強度不夠，攪拌效率低。當攪拌超過臨界轉速時，由于離心力的存在，物料將會附著在攪拌筒壁上隨著筒壁一起轉動；并且當攪拌速率過快時，混合料中各成分會由于不同的慣性以不同速度拋離攪拌葉片，造成物料離析，使混合料的均勻度下降。因此，一般攪拌過程中攪拌速度不能太高。3）存在速度梯度和攪拌低效區(qū)域?；旌狭蠑嚢柽^程中，靠近中心的部分運動速度低，靠近拌筒壁處的速度高，存在速度梯度現(xiàn)象（如圖1、圖2所示）。

圖1　傳統(tǒng)攪拌技術的工作模型圖

圖2　傳統(tǒng)攪拌技術的速度梯度示意圖

2　振動攪拌機理

要在保證一定生產效率的條件下獲得更高攪拌質量的水泥穩(wěn)定碎石，就必須解決傳統(tǒng)攪拌技術的缺陷。針對普通攪拌技術存在的問題，可采用振動活化混合料的方法強化混合料的攪拌過程：攪拌裝置與激振器采用一體化設計，攪拌機構邊強制攪拌邊振動，即在攪拌的同時加以振動，使微小的水泥顆粒處于顫振狀態(tài)，從而分散凝結在一起的細小水泥團，使水泥顆粒更均勻、快速地分布在骨料表面。

2.1振動攪拌對水泥穩(wěn)定碎石中水泥團的破壞

在振動攪拌作用下，物料在被攪拌的同時加以振動作用，使之前在純攪拌作用下未參與循環(huán)對流、擴散剪切作用的水泥聚團顆粒在振動能量作用下處于顫振狀態(tài)，破壞物料間的粘性聯(lián)結，并在一定振幅作用下破壞掉水泥團粒表面的水膜，促使水泥顆粒從水泥團狀態(tài)［如圖3（a）所示］變?yōu)榫鶆蚍植紶顟B(tài)［如圖3（b）所示］。

圖3　水泥顆粒的分布狀態(tài)

2.2振動攪拌對粗骨料表面的凈化及粘結強度的增強

在振動攪拌過程中，由于振動能量的存在，附著在集料表面的水膜結構會逐漸被破壞而脫離，骨料表面被凈化后，水泥顆粒更容易與骨料表面相接觸。吸附在骨料表面的水泥顆粒占據(jù)Ca（OH）2晶體在骨料界面的空間，在一定程度上阻礙了疏松層的形成，并使表面能較高的C-S-H凝膠在骨料表面充分形成，增大與骨料表面的接觸面積，提高各相材料的粘結性能。

2.3振動攪拌對混合料攪拌過程中低效區(qū)的改善

在振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料中，以振動軸為振源，物料顆粒、水及物料空隙中的氣相組分等為傳播介質，來自波源振動產生的振動波依次沿著各方向傳播，在傳播過程中，振動能量逐漸衰減，靠近振源越強，遠離振源越弱。對于攪拌筒型攪拌機，靠近攪拌筒中心振動軸附近的物料吸收的振動能量更足，而靠近攪拌筒壁處的物料由于振動能量不可逆的衰減過程吸收的能量則較少（如圖4所示）。

圖4　振動能量梯度示意圖

3　振動攪拌下水泥穩(wěn)定碎石強度性能研究

3.1混合料級配設計及擊實試驗結果

依托河南某實體工程，直接從施工現(xiàn)場取料，級配一“規(guī)范推薦型級配”參照JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》中推薦的級配范圍中值進行設計，級配二“強嵌擠骨架密實型級配”參照河南省地方性標準DB41/T 864-2013《公路水泥穩(wěn)定碎石抗裂設計與施工技術規(guī)范》中推薦的級配范圍進行設計（如表1所示）。

表1　水泥穩(wěn)定材料合成級配

選擇3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%5種水泥劑量的混合料進行振動壓實試驗，試驗結果如表2所示。

五是只有加強黨的建設、文明建設和文化建設，才能保持干部職工隊伍風清氣正、積極向上的精神面貌。黨的建設是流域水利事業(yè)發(fā)展的重要基礎，精神文明建設是流域水利事業(yè)發(fā)展的有力保障，組織文化建設是流域水利事業(yè)發(fā)展的動力源泉。太湖局扎實開展黨的群眾路線教育實踐活動，不斷改進工作作風，提高工作效能，全體干部職工始終保持了風清氣正、團結和諧、積極向上的精神面貌。

表2　兩種級配水泥穩(wěn)定材料的振動壓實試驗結果

3.2混合料無側限抗壓強度試驗結果及分析

分別采用振動攪拌和傳統(tǒng)的強制攪拌（不振動），通過對“攪拌電機”和“振動電機”工作狀態(tài)的控制，得到兩種不同攪拌方式下的混合料。采用垂直振動壓實儀器振動壓實成型試件進行混合料無側限抗壓強度試驗，從水泥劑量、級配、齡期等方面考察振動攪拌作用下混合料強度的變化規(guī)律。

3.2.1振動攪拌下級配對水泥穩(wěn)定碎石無側限抗壓強度的影響

不同攪拌方式下兩種級配類型水泥穩(wěn)定碎石的7 d無側限抗壓強度試驗結果如圖5所示。

圖5　兩種級配水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側限抗壓強度

從圖5可知：1）隨著水泥劑量的增大，混合料中水化反應生成的水化產物增多，這些水化生成物能提高混合料顆粒間的粘結力，并增強集料過渡界面區(qū)強度，因而混合料的7 d無側限抗壓強度不斷增長。2）水泥劑量為3.0%～5.0%時，級配二混合料7 d無側限抗壓強度比級配一的高，在傳統(tǒng)攪拌方式下強度平均增長1.42 MPa，增幅24.1%；振動攪拌方式下強度平均增長1.68 MPa，增幅24.8%。3）強嵌擠骨架密實型級配混合料中19 mm通過量約為64%，而規(guī)范推薦型級配混合料中19 mm通過率約為74%，前者對提高混合料的無側限抗壓強度有利，并且振動攪拌下強嵌擠骨架密實型級配的強度提升幅度比規(guī)范推薦型級配更大。

3.2.2相同級配下攪拌方式對水泥穩(wěn)定碎石7 d無側限抗壓強度的影響

不同攪拌方式下相同級配水泥穩(wěn)定碎石混合料無側限抗壓強度隨水泥劑量的變化如圖6所示。

圖6　不同攪拌方式下相同級配水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側限抗壓強度

從圖6可看出：1）水泥劑量從3.0%增加到5.0%時，振動攪拌下混合料的無側限抗壓強度提高，水泥劑量每增加1.0%，強嵌擠骨架密實型級配混合料的無側限抗壓強度平均增加0.61 MPa，增幅8.5%；規(guī)范推薦型級配混合料平均增加0.48 MPa，增幅8.1%。2）在振動攪拌作用下，低水泥劑量混合料無側限抗壓強度達到不振動攪拌方式下較高水泥劑量混合料的強度水平，振動攪拌下3.5%、4.0%水泥劑量混合料的7 d無側限抗壓強度分別達到不振動攪拌方式下4.0%、4.5%水泥劑量的強度水平。這是由于振動攪拌作用使有限的水泥顆粒充分彌散，進行了更加充分的水化反應，強度提高。

3.2.3振動攪拌下齡期對水泥穩(wěn)定碎石無側限抗壓強度的影響

不同攪拌方式下齡期對3.5%、4.0%、4.5%水泥劑量混合料無側限抗壓強度的影響如圖7所示。

從圖7可知：1）隨著水泥穩(wěn)定碎石混合料養(yǎng)護齡期的延長，其無側限抗壓強度不斷增長，這種趨勢與攪拌方式、級配類型、水泥劑量無關。2）前期無側限抗壓強度值增速較快，后期逐漸趨緩，7～14 d時無側限抗壓強度值平均增幅為34.1%，14～28 d平均增幅為19.6%，28～60 d平均增幅為12.0%，說明混合料的無側限抗壓強度主要在早期形成。3）7～14 d時，傳統(tǒng)攪拌方式下混合料的無側限抗壓

強度值平均增幅為30.2%，振動攪拌方式下增幅為37%；28～60 d時，傳統(tǒng)攪拌方式下增幅為16.0%，振動攪拌方式下增幅只有5.8%，說明后期振動攪拌下強度增幅下降更快。這是由于振動作用增加了顆粒的碰撞次數(shù)，加快了水化反應速率，在前期就已形成了較高的強度；而隨著時間的延長，在傳統(tǒng)攪拌作用下混合料中的水化反應過程趨于完全，在后期獲得較高的強度增長。

圖7　不同攪拌方式和齡期下水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側限抗壓強度

4　結論

（1）目前普遍采用的靜力攪拌技術的攪拌時間太短，穩(wěn)定土微觀勻質性差；攪拌線速度較低，攪拌效率低；存在速度梯度和攪拌低效區(qū)域。這些不足使水泥穩(wěn)定碎石的良好性能沒有完全發(fā)揮出來。

（2）隨著水泥劑量的增大，水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側限抗壓強度不斷增大；強嵌擠骨架密實型級配混合料的無側限抗壓強度比規(guī)范推薦型級配混合料的大；隨著養(yǎng)護齡期的增長，水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側向抗壓強度增大。

（3）與傳統(tǒng)攪拌方式相比，振動攪拌作用可大幅提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側限抗壓強度，并且低水泥劑量混合料的無側限抗壓強度可達到較高水泥劑量的強度水平，在滿足同樣強度要求的情況下，可節(jié)約水泥用量，具有顯著的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

［1］ 李海寧.基于振動成型水泥穩(wěn)定碎石基層材料設計研究［D］.西安：長安大學，2014.

［2］ Sharpe Gary W，Deen Robert C，Southgate Herbert T，et al.Pavement thicknes′s design using low strength base and subbase materials［R］.Transportation Research Board，1985.

［3］ Mohanmmad Ibrahim Safawi，Ichrio Iwaki，Takashi Miura.A study on the applicability of vibration in fresh high fluidity concrete［J］.Coment and Concrete Research，2004，35（9）.

［4］ 馮忠緒，張海軍，董武，等.兩種振動攪拌方案的對比［J］.建筑機械，2005（12）.

［5］ 趙利軍，杜占領，馮忠緒.新型振動攪拌裝置的試驗研究［J］.中國公路學報，2005，18（2）.

［6］ 董娟.混凝土振動攪拌技術的理論分析及相關裝置的研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2009.

［7］ 張良奇.混凝土振動攪拌機理和工業(yè)應用研究［D］.西安：長安大學，2013.

［8］ 王博.振動攪拌提高混凝土性能的機理及其試驗研究［D］.西安：長安大學，2014.

［9］ 馮忠緒.混凝土攪拌設備理論［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［10］ 張金龍，李文瑛，呂文全，等.振動法水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂級配優(yōu)化設計研究［J］.公路交通技術，2014 （2）.

［11］ 章遷.水泥穩(wěn)定碎石層剛度控制指標研究［D］.長沙：長沙理工大學，2012.

［12］ 馮忠緒，王衛(wèi)中，姚運仕，等.攪拌機合理轉速研究［J］.中國公路學報，2006，19（2）.

［13］ 周新鋒.水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設計及路用性能研究［D］.西安：長安大學，2005.

［14］ 劉章.半剛性基層材料的初期耐久性研究［D］.重慶：重慶交通大學，2014.

［15］ JTG E42-2005，公路工程集料試驗規(guī)程［S］.

［16］ JTJ 034-2000，公路路面基層施工技術規(guī)范［S］.

［17］ JTG/T F20-2015，公路路面基層施工技術細則［S］. ［18］ DB41/T 864-2013，公路水泥穩(wěn)定碎石抗裂設計與施工技術規(guī)范［S］.

中圖分類號：U416.1

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0109-04

收稿日期：2016-03-25