振動攪拌技術(shù)在水泥穩(wěn)定碎石中的應(yīng)用研究

江仲明

（安徽公路橋梁工程有限公司，安徽 合肥 230001）

0 引言

伴隨半剛性基層瀝青路面應(yīng)用越來越廣泛，所表現(xiàn)出來的缺點(diǎn)也越來越明顯。當(dāng)前，國內(nèi)在公路施工中尤為注重水泥穩(wěn)定碎石基層，特別是針對其易裂性特征研究最為深入。因此本文介紹了振動攪拌技術(shù)在水泥穩(wěn)定碎石中的應(yīng)用，分析了其影響機(jī)理，希望研究內(nèi)容可以幫助水泥穩(wěn)定碎石基層施工解決易裂性的問題。

1 振動攪拌技術(shù)介紹

1.1 振動攪拌技術(shù)發(fā)展歷程

1972年，蘇聯(lián)技術(shù)人員首次在實(shí)驗(yàn)室中使用了下置式振動攪拌試驗(yàn)機(jī)，大大提升了混凝土質(zhì)量與穩(wěn)定性[1]。馮忠緒教授在 1992年正式開啟了世界震動攪拌技術(shù)的應(yīng)用新時代。西安德通在2012年研發(fā)成功了世界首臺混凝土振動攪拌機(jī)，而水泥穩(wěn)定碎石振動攪拌機(jī)是在其基礎(chǔ)上偶然研發(fā)出來的，并在國內(nèi)各級道路基層施工中開始應(yīng)用。這種技術(shù)一方面能夠有效減少水泥用量，實(shí)現(xiàn)施工成本的降低；另一方面還能夠有效降低半剛性基層裂縫，從而大大提升路面基層的耐用性[2]。

1.2 振動攪拌技術(shù)原理

在攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料的基礎(chǔ)上，再配合振動作用，可以讓混合料粒出現(xiàn)對流并擴(kuò)散，從而就保證粒徑比較小的材料分布的均勻性與彌散性。當(dāng)水泥漿以及細(xì)集料顆粒在粗骨料表面上呈現(xiàn)出均勻分布狀態(tài)以后，一方面可以避免粗骨料出現(xiàn)露白的情況，另一方面還可以實(shí)現(xiàn)混合料的均勻分布[3]。

振動攪拌技術(shù)的原理就是將激振器引入到普通攪拌機(jī)之中，利用傳動裝置來發(fā)揮振動軸的振動作用，從而就可以在強(qiáng)制攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料的過程中，讓混合料顆粒受到振動作用。這種狀態(tài)下，在振動作用的影響下混合料顆粒會明顯提升運(yùn)動速度，從而彼此間的碰撞頻率與碰撞強(qiáng)度都會大大提升，而因?yàn)槭艿竭@種作用力，水泥漿和細(xì)集料都會在粗骨料表面呈現(xiàn)出均勻的分布狀態(tài)。從而就會在提速水泥水化反應(yīng)的同時，讓水泥穩(wěn)定碎石改變自身內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)[4]。

相比于普通攪拌機(jī)來說，振動攪拌機(jī)在攪拌頻率上有明顯提升，并且還可以釋放出1500次+/min的振動彈力波，所以振動攪拌機(jī)對混合料形成的撞擊能量會超出10倍的靜力攪拌機(jī)所形成的撞擊能量。振動攪拌會導(dǎo)致細(xì)集料全部呈現(xiàn)出彌散狀分布，水泥得到充分水化，水泥水化產(chǎn)物就會牢牢粘結(jié)在骨料表面上，從而就可以保證混合料抗裂性、耐用性等性能得到有效提升。

1.3 振動攪拌技術(shù)優(yōu)勢

1.3.1 保證微觀結(jié)構(gòu)的均勻性與致密性

水泥穩(wěn)定碎石中，水泥顆粒直徑、粉煤灰顆粒直徑、水滴最小直徑分別是3-80微米、45微米左右和20微米左右。必須要保證混合料中所有直徑微小的顆粒性材料呈現(xiàn)出均勻分布的狀態(tài)，才可以保證微觀結(jié)構(gòu)的均勻性。從攪拌機(jī)理角度來說，以往攪拌技術(shù)存在非常大缺陷，根本沒有辦法實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的均勻性。利用掃描電鏡在相同配比的基礎(chǔ)上來對比經(jīng)兩種攪拌機(jī)攪拌的水穩(wěn)材料，在2000倍放大的條件下會發(fā)現(xiàn)兩種水穩(wěn)材料存在明顯區(qū)別[5]。通過傳統(tǒng)攪拌機(jī)攪拌好的水穩(wěn)材料，骨料表面會附著很多微小松散的CSH凝結(jié)顆粒，但是粘結(jié)性較弱，并且會出現(xiàn)明顯的粗細(xì)骨料與水化產(chǎn)物的分界線，且過渡相結(jié)構(gòu)松散。相比之下，通過振動攪拌機(jī)攪拌好的水穩(wěn)材料，水泥水化會更加充分，粗細(xì)骨料與水化產(chǎn)物完美地融合在一起，微小顆粒材料呈現(xiàn)出均勻分布狀態(tài)，微觀結(jié)構(gòu)具有良好的均勻性與致密性。

1.3.2 避免出現(xiàn)材料嚴(yán)重離析的情況

在攤鋪水泥穩(wěn)定碎石材料的時候，經(jīng)常會出現(xiàn)離析情況，通過振動攪拌能夠有效避免出現(xiàn)材料嚴(yán)重離析的情況。在振動攪拌的過程中，粒徑在37.5mm以上的水穩(wěn)材料會在攤鋪層形成非常均勻的分布，并不會產(chǎn)生骨料溜肩的離析問題。同時，基層表面在碾壓過后。粗骨料呈現(xiàn)出非常均勻的狀態(tài)，路面整體非常嚴(yán)密結(jié)實(shí)[6]。

1.3.3 切實(shí)提升材料和易性

通常情況下，攪拌混合料在攤鋪和碾壓的時候會出現(xiàn)壓實(shí)難的問題，而且基層底部壓實(shí)不足。而通過振動攪拌，能夠讓水顆粒與細(xì)集料顆粒呈現(xiàn)明顯的均勻彌散狀態(tài)，在這種情況下，混合料就會比較容易壓實(shí)，同時還會出現(xiàn)上下均勻的完整芯樣。

2 振動攪拌技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石性能影響

2.1 水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)成分分析

攪拌水泥穩(wěn)定碎石的時候，混合料水泥和水會出現(xiàn)強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，并且溶液中會出現(xiàn)氫氧化鈣（Ca(OH)2），溶液各種類型的離子會在短時間內(nèi)達(dá)到飽和。水泥水化初期的時候，溶液中主要會出現(xiàn)鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）[7]。經(jīng)過幾個小時的反應(yīng)，逐漸開始出現(xiàn) Ca(OH)2與硅酸鈣水化物。經(jīng)過幾天的反應(yīng)，鈣礬石會慢慢分解成單硫型硫鋁酸鹽水化物，而如果鋁含量過高或者硫酸鹽不足的時候就會出現(xiàn)鋁酸鈣水化物。硅酸鈣、鋁酸鈣水化物作為主要的水泥穩(wěn)定碎石粘結(jié)成分，會慢慢硬化并形成水泥石。并且，骨料與水泥石兩者間會出現(xiàn)明顯的界面過渡層，其在組成成分類似于水化水泥漿體，然而微觀結(jié)構(gòu)與性能卻大大區(qū)別于水泥石本體，需要將其視作一個單獨(dú)的相。所以，水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的主要影響因素有三種：骨料、水泥石與界面過渡層。

2.2 強(qiáng)度影響研究

對于很多結(jié)構(gòu)材料而言，強(qiáng)度破壞在一定程度上就意味著出現(xiàn)裂縫。然而對水泥穩(wěn)定碎石材料來說，受到外力影響之前就已經(jīng)存在細(xì)小裂縫，所以，水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度會和導(dǎo)致破壞的應(yīng)力存在聯(lián)系，可以將其視為水泥穩(wěn)定碎石可以接受的最大應(yīng)力。水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)中最為薄弱的一點(diǎn)是界面過渡層強(qiáng)度，因此，水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的最大決定因素就是界面過渡層強(qiáng)度，所以，強(qiáng)化界面過渡層強(qiáng)度為提升水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的關(guān)鍵點(diǎn)。

振動攪拌可以提升水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的主要原因，體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）通過振動攪拌可以讓水泥穩(wěn)定碎石受到振動作用的影響，讓骨料附近與界面過渡區(qū)出現(xiàn)水膜破裂的情況，這樣水膜表面積就會大大增加，而震顫作用同樣會讓團(tuán)聚的水泥顆粒呈現(xiàn)出明顯的均勻分布狀態(tài)，這樣參與水化反應(yīng)的水泥量就會大大提升，從而水泥水化產(chǎn)物生成量數(shù)量就會有明顯提升[8]；

（2）受到振動作用的影響，骨料底部大水囊就會出現(xiàn)破裂情況，使水泥石與界面過渡區(qū)兩者的水灰比大大降低，水化硅酸鈣晶體在微觀結(jié)構(gòu)上會更加緊密且細(xì)小，降低大孔隙數(shù)量；

（3）受到振動作用的影響，水泥石與界面過渡區(qū)就會出現(xiàn)大氣孔破裂，并形成不會影響到水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的微小氣泡，避免由于氣孔出現(xiàn)而導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度降低；

（4）受到振動作用的影響，骨料表面存在的泥水就會得以有效清除，從而就會有利于骨料與水泥漿體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，讓過渡區(qū)孔隙內(nèi)部的水泥漿體可以順利地與骨料間形成充足的化學(xué)反應(yīng)，生成鋁酸鹽水化物，降低過渡區(qū)中Ca(OH)2的濃度，這樣就可以有效提升過渡區(qū)的強(qiáng)度，從而就會提升水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度[9]。

2.3 抗裂性影響研究

水泥穩(wěn)定碎石容易出現(xiàn)基層裂縫的主要原因有四種：一是存在大劑量水泥含量；二是混合料混合不充分；三是細(xì)集料表面積過大；四是環(huán)境溫度出現(xiàn)變化。通過振動攪拌，可以有效降低水泥穩(wěn)定碎石基層的裂縫數(shù)，主要原因是振動作用可以在同等強(qiáng)度基礎(chǔ)上降低水泥用量，讓水泥石彈性模量與收縮系數(shù)得到有效降低，相應(yīng)地就會降低用水量，然混合料含水量大大下降，避免因?yàn)樗纸档投鴮?dǎo)致出現(xiàn)干縮現(xiàn)象。振動攪拌可以讓骨料表面灰塵得到清除，讓骨料和水泥漿充分混合，避免骨料表面出現(xiàn)露白情況，并且避免骨料表面出現(xiàn)裂縫。振動作用還可以讓團(tuán)聚水泥顆粒重新恢復(fù)成均勻分布狀態(tài)，確保全部水泥顆粒都可以充分參與到水化反應(yīng)之中，讓水泥產(chǎn)物尚未硬化以前留存出充足的空間自由生長，避免尚未完全水化的水泥因?yàn)槔^續(xù)水化而出現(xiàn)壓應(yīng)力，并且壓應(yīng)力過于集中而出現(xiàn)裂紋。并且受到振動作用的影響會提升顆粒間的碰撞強(qiáng)度與頻率，讓全部成分都呈現(xiàn)出均勻的分布狀態(tài)，避免因?yàn)殡x析情況而導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫[9]。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

所選工程為滁淮高速定遠(yuǎn)至長豐段路面02標(biāo)工程，路面全長為32.799km，所使用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道高速公路，預(yù)計(jì)速度為 120Km/h。主線路基寬度為27m，路面寬度為23.5m，采取水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青混凝土為路面結(jié)構(gòu)。本次共設(shè)置了三個試驗(yàn)段，長度均為400m，水泥劑量設(shè)定為4.5%，級配類型均為強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)，試驗(yàn)段SY01采取傳統(tǒng)攪拌方式進(jìn)行攪拌，試驗(yàn)段SY02采取振動攪拌方式進(jìn)行攪拌，試驗(yàn)段SY03采取雙拌缸拌和進(jìn)行攪拌。所使用的水泥類型為P.C 32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥，SY01最大干密度設(shè)定為 2.433g·cm-3、最佳含水量設(shè)定為4.3%、水劑含量設(shè)定為4.0%；SY02最大干密度設(shè)定為2.414g·cm-3、最佳含水量設(shè)定為4.2%、水劑含量設(shè)定為3.5%；SY03最大干密度設(shè)定為2.414g·cm-3、最佳含水量設(shè)定為4.2%、水劑含量設(shè)定為3.5%[10]。

3.2 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)分析

3.2.1 混合料拌制

（1）保證工程原材料質(zhì)量，堆放時需要隔倉堆，且要設(shè)置規(guī)格標(biāo)志；

（2）需要保證混合料攪拌充分，為避免出現(xiàn)竄料情況需要設(shè)置≥1m的料斗間隔板，水泥罐數(shù)量應(yīng)至少在兩個以上；

（3）每日開始拌和混合料之前，需要按照當(dāng)天天氣變化和攤鋪運(yùn)輸距離對含水量進(jìn)行及時調(diào)整，保證現(xiàn)場攤鋪碾壓含水率始終維持在最佳含水率±2%的范圍內(nèi)，明確當(dāng)天施工配合比。由于水泥穩(wěn)定碎石材料會受到含水量影響較大，如果不對其進(jìn)行嚴(yán)格控制，必然會造成碾壓不緊密，后期就會容易出現(xiàn)裂縫；

（4）對所有料倉生產(chǎn)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)實(shí)際摻量和設(shè)計(jì)值之間出現(xiàn)明顯偏差（超出10%），那么就必須要停機(jī)檢查，直至調(diào)整到正常狀態(tài)以后，才可以繼續(xù)生產(chǎn)。

3.2.2 混合料運(yùn)輸

（1）供料車運(yùn)輸不能出現(xiàn)間斷，避免施工過程中出現(xiàn)供料不足或者長時間排隊(duì)造成水分蒸發(fā)；

（2）裝料方法應(yīng)選取挪動自卸車的方式，并將裝料次數(shù)分成三次，避免粗細(xì)集料出現(xiàn)離析的情況。

3.2.3 基層攤鋪

（1）攤鋪機(jī)距離控制在10m以內(nèi)；

（2）攤鋪速度應(yīng)該控制在1.5～2.0m/min，攤鋪過程中不能出現(xiàn)停歇情況；

（3）保證攤鋪厚度等同于攤鋪系數(shù)；

（4）振動器振動頻率控制在30Hz以上，夯錘沖擊頻率控制在20Hz以上。

3.2.4 基層碾壓

（1）初壓、復(fù)壓和終壓必須要保持緊密的銜接，確保最短時間內(nèi)完成碾壓作業(yè)；

（2）注重基層兩側(cè)壓實(shí)工作，可采取加寬碾壓方式。

3.3 試驗(yàn)段檢測

三個試驗(yàn)段在養(yǎng)生7d以后，對SY01試驗(yàn)段和SY02試驗(yàn)段展開強(qiáng)度檢測，檢測結(jié)果如下：SY01無側(cè)限抗壓平均強(qiáng)度值為7.76MPa，SY02無側(cè)限抗壓平均強(qiáng)度值為7.85MPa；SY01取芯劈裂平均強(qiáng)度值為0.68MPa，SY02取芯劈裂平均強(qiáng)度值為0.64MPa。4.0%水泥劑量的SY02無側(cè)限抗壓平均強(qiáng)度值要比4.5%水泥劑量的SY01無側(cè)限抗壓平均強(qiáng)度值高出1.2%。而且SY02取芯劈裂平均強(qiáng)度值為也僅僅略低0.04MPa。因此，通過振動攪拌能夠有效提升水泥穩(wěn)定碎石抗裂性。

而從含水率、灰劑量、集料篩分、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)對 SY02試驗(yàn)段和SY03試驗(yàn)段進(jìn)行對比分析，從含水率來說SY03試驗(yàn)段要略低于SY02試驗(yàn)段，而灰劑量、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等SY03試驗(yàn)段要略高于SY02試驗(yàn)段。經(jīng)驗(yàn)證，采用振動攪拌方式相比于雙拌缸拌和方式在水泥劑量減少上要明顯占據(jù)優(yōu)勢，但是從攪拌均勻性上會略差一些。

3.4 效益分析

經(jīng)過上方試驗(yàn)段測試可知即使水泥劑量減小的情況下，同配比條件下，通過振動攪拌技術(shù)也可以保證混合料，還是能夠滿足傳統(tǒng)攪拌方式下混合料基層施工標(biāo)準(zhǔn)。以 DT600ZBT型機(jī)為例，分析其經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)計(jì)算得出水泥穩(wěn)定碎石生產(chǎn)量為一頓的時候，水泥含量分別降低 0.5%、1.0%與 1.5%，對應(yīng)節(jié)約成本分別是1.694元、3.444元和5.194元，由此可見具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用到本次案例中進(jìn)行計(jì)算。本次20cm基層工作量的面積總量是1073282.18m2，36cm基層工作量的面積總量是 972769.18m2，所需水泥穩(wěn)定碎石總量共計(jì)為 1300000t左右，按照0.5%水泥減少量計(jì)算，共減少水泥用量為6500t，總計(jì)節(jié)約成本為2275000元[11]。

4 結(jié)語

在本文的研究中，分析了振動攪拌技術(shù)的發(fā)展歷程、應(yīng)用原理與技術(shù)優(yōu)勢，然后探討了振動攪拌技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石性能影響，此方面得出如下結(jié)論：

（1）水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)成分主要分為三種，分別是骨料、水泥石與界面過渡層；

（2）振動攪拌機(jī)可以通過振動攪拌作用來擴(kuò)大水膜表面積、降低大孔隙數(shù)量和清除骨膜表面的泥水來實(shí)現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的有效提升；

（3）振動攪拌機(jī)可以通過振動作用可以在同等強(qiáng)度基礎(chǔ)上降低水泥用量與用水量，降低混合料含水量，避免因?yàn)樗纸档投霈F(xiàn)干縮現(xiàn)象，從而提升水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性。

之后本文通過實(shí)例分析，探討了施工質(zhì)量控制要點(diǎn)與檢測結(jié)果，經(jīng)驗(yàn)證通過振動作用可明顯提升水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度，且經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。