振動(dòng)攪拌技術(shù)在高速公路水穩(wěn)混合料中的應(yīng)用

文 廣東冠粵路橋有限公司 索穎浩

引言

“強(qiáng)基薄面”一直是我國(guó)在高速公路建設(shè)中奉行的準(zhǔn)則。隨著我國(guó)高速公路建設(shè)技術(shù)的快速發(fā)展，半剛性基層施工技術(shù)在高速公路建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用率高達(dá)90%以上。但是，施工過后，半剛性基層裂縫、結(jié)團(tuán)等問題逐漸顯露出來。在水泥穩(wěn)定碎石基層施工中，水泥用量過大會(huì)導(dǎo)致后期基層材料產(chǎn)生干縮開裂，導(dǎo)致路面產(chǎn)生大量反射裂縫；水泥用量過少則會(huì)引起半剛性基層承載能力下降。如何在提高水泥穩(wěn)定碎石基層承載能力的同時(shí)增加基層的耐久性，成為了道路行業(yè)內(nèi)專家研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。為驗(yàn)證振動(dòng)攪拌技術(shù)應(yīng)用效果，本文首先對(duì)振動(dòng)攪拌機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，并依托工程實(shí)際對(duì)水穩(wěn)基層材料進(jìn)行質(zhì)量控制，最后對(duì)振動(dòng)攪拌試驗(yàn)段與普通攪拌試驗(yàn)段進(jìn)行鉆芯取樣并比較芯樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度。

工程概況

本項(xiàng)目依托于汕（頭）湛（江）高速公路清遠(yuǎn)至云浮段LM1合同段，全長(zhǎng)47.37公里，雙向四車道，設(shè)計(jì)速度為100km/h，其中整體式路基寬度為26m，路面寬度為13m，主線基層結(jié)構(gòu)為：底基層（20cm水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石）+基層（36cm水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石）。試驗(yàn)段分兩段各500m進(jìn)行施工，L1段（K33+720～K34+220左幅下基層）采用振動(dòng)攪拌，L2段（K34+220～K34+720左幅下基層）采用普通攪拌，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層配比情況為20-30mm：10-20mm：5-10mm：0-5mm=21：38：11：30，水泥劑量5.5%，攪拌含水率比最佳含水率提高0.5%，即5.5%控制。

振動(dòng)攪拌機(jī)理

振動(dòng)攪拌即在普通拌和的同時(shí)加以振動(dòng)，利用攪拌裝置與激振器同時(shí)工作的原理進(jìn)行拌和。宏觀上，振動(dòng)攪拌能夠?qū)⑽⑿☆w粒通過振動(dòng)的方式進(jìn)行破碎分散，同時(shí)使得骨料表面均勻分布細(xì)小水泥顆粒。微觀上，振動(dòng)攪拌產(chǎn)生的彈力波能夠增加水穩(wěn)混合料的有效觸碰次數(shù)，使得水化反應(yīng)更加迅速，水化產(chǎn)物均勻分布于骨料表面。

水泥在水化過程中常常由于水膜包裹細(xì)小水泥顆粒形成水泥團(tuán)，其表面力對(duì)攪拌產(chǎn)生阻礙作用。研究發(fā)現(xiàn)，在普通攪拌充分的作用下依舊有20%左右的水泥團(tuán)不能被消散開，但在振動(dòng)攪拌的振動(dòng)能量下能夠破壞水泥團(tuán)表面水膜，使得水化反應(yīng)更加充分，因此在水化產(chǎn)物等量的情況下，振動(dòng)攪拌相比普通攪拌能夠節(jié)約更多的水泥。

普通攪拌下水穩(wěn)混合料均勻性較差，這是由于普通攪拌下圓心攪拌轉(zhuǎn)速較低，而筒壁附近轉(zhuǎn)速較高，從而形成了轉(zhuǎn)速差，導(dǎo)致距離攪拌軸中心物料的碰撞次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靠近筒壁處的物料。而振動(dòng)攪拌在振動(dòng)能量下產(chǎn)生振動(dòng)波，以振動(dòng)軸為振源向外散發(fā)橫波與縱波。在傳播過程中，距離振源越近，振動(dòng)能量越大，并隨著振動(dòng)距離逐漸衰減。在兩者共同作用下，物料形成循環(huán)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)能量梯度與普通攪拌轉(zhuǎn)速梯度形成互補(bǔ)，使得攪拌效果更佳。

原材料與機(jī)械配置

本施工試驗(yàn)段采用水泥劑量為5.5%的P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其產(chǎn)自云浮中材享達(dá)水泥廠，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 水泥檢測(cè)結(jié)果

本施工試驗(yàn)段選用的粗集料按照從材料的力學(xué)性能（壓碎值）、針片狀含量等指標(biāo)進(jìn)行篩選，最終選用產(chǎn)自四會(huì)堅(jiān)坑采石場(chǎng)的碎石，共分為5-10mm、10-20mm、20-30mm三大檔，其物理指標(biāo)見表2所示。

表2 粗集料物理指標(biāo)

本施工試驗(yàn)段選用的細(xì)集料從雜質(zhì)含量、潔凈度、風(fēng)化程度等指標(biāo)進(jìn)行篩選，最終選用產(chǎn)自堅(jiān)坑采石場(chǎng)0-5mm石屑，其物理指標(biāo)見表3所示。

表3 細(xì)集料物理指標(biāo)

施工質(zhì)量控制

（1）混合料拌和

本施工項(xiàng)目選用的原材料在堆放過程中進(jìn)行隔倉(cāng)堆放并對(duì)每個(gè)倉(cāng)庫做好標(biāo)記，細(xì)集料置于專門防雨棚中?；旌狭习韬颓靶枰獙?duì)混合料進(jìn)行含水率測(cè)定（2h/次），防止由于環(huán)境氣溫、運(yùn)距等因素造成含水量損失，時(shí)刻保證現(xiàn)場(chǎng)攤鋪混合料含水率為最佳含水率?；旌狭习韬筒捎谜駝?dòng)攪拌技術(shù)，拌合過程中應(yīng)對(duì)各料倉(cāng)流量進(jìn)行檢測(cè)。振動(dòng)攪拌主機(jī)采用許昌德通800噸穩(wěn)定土振動(dòng)攪拌機(jī)（DT800ZBT），其額定生產(chǎn)功率為800t/h，其尺寸為7010×3315×3000mm，攪拌輸入功率110kw，振動(dòng)輸入功率30kw。振動(dòng)攪拌機(jī)外觀如圖1所示。

圖1 振動(dòng)攪拌機(jī)

（2）混合料運(yùn)輸

水泥穩(wěn)定碎石混合料在運(yùn)輸過程中應(yīng)保持多輛運(yùn)輸車進(jìn)行運(yùn)輸，以防止施工供料不足的情況發(fā)生，且能夠有效減小含水量缺失的情況?；旌狭显谘b車時(shí)，應(yīng)注意采用三段式前、后、中的裝料方式，以減少混合料中粗細(xì)集料的離析；運(yùn)輸過程中注意防止水分流失，應(yīng)在混合料表面覆蓋一層遮陽布。

（3）基層攤鋪

基層攤鋪過程中采用兩臺(tái)攤鋪機(jī)進(jìn)行前后梯隊(duì)作業(yè)，以防止攤鋪過程中縱向接縫；攤鋪機(jī)行進(jìn)速度建議控制在2m/min且勻速行駛；螺旋布料器中應(yīng)布滿混合料，防止攤鋪過程中產(chǎn)生離析現(xiàn)象；攤鋪過程中應(yīng)控制振動(dòng)器與夯錘沖擊頻率，一般將振動(dòng)器振動(dòng)頻率設(shè)置在30Hz以上，夯錘沖擊頻率控制在20Hz以上，以提高混合料初始?jí)簩?shí)度。

（4）基層碾壓

基層壓實(shí)前應(yīng)做基層兩側(cè)鋼模支護(hù)處理，防止壓實(shí)過程中產(chǎn)生離析現(xiàn)象。水泥穩(wěn)定碎石基層應(yīng)經(jīng)過初壓、復(fù)壓和終壓三階段壓實(shí)。初壓過程中使用22t振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)，采用前進(jìn)靜壓、后退振動(dòng)的壓實(shí)工藝，碾壓2遍以上，并保持碾壓速度為1.5km/h；復(fù)壓過程中使用26t重型振動(dòng)壓路機(jī)與30t膠輪壓路機(jī)組合壓實(shí)，采取先弱振后強(qiáng)振再揉搓壓實(shí)工藝，碾壓4遍以上，并保持碾壓速度為2.0km/h；終壓過程中使用雙鋼輪壓路機(jī)壓實(shí)，控制碾壓速度在1.5～1.7km/h，碾壓遍數(shù)依據(jù)表面微裂縫程度及有無明顯輪跡而定，以減少干縮、溫縮造成的裂縫。

應(yīng)用效果

為驗(yàn)證振動(dòng)攪拌技術(shù)在高速公路水穩(wěn)混合料中的應(yīng)用效果，在兩段試驗(yàn)段的基層上進(jìn)行鉆芯取樣，分別測(cè)試了芯樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度，并與普通攪拌水穩(wěn)基層材料的芯樣進(jìn)行比較（保持?jǐn)備伵c壓實(shí)工藝相同）。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

待基層養(yǎng)生后7天，對(duì)振動(dòng)攪拌試驗(yàn)段K33+720～K34+220（L1）與普通攪拌施工段K34+220～K34+720（L2）進(jìn)行隨機(jī)鉆芯，分別選取6個(gè)試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

采用振動(dòng)攪拌的水穩(wěn)基層芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為10.75MPa，而采用普通攪拌芯樣抗壓強(qiáng)度平均值為9.66MPa。顯然，振動(dòng)攪拌水穩(wěn)基層材料具有較高抗壓強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度比普通攪拌水穩(wěn)基層材料高出11.3%。

劈裂強(qiáng)度

對(duì)振動(dòng)攪拌試驗(yàn)段（L1）與普通攪拌施工段（L2）進(jìn)行隨機(jī)鉆芯，分別選取3個(gè)試件進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。采用振動(dòng)攪拌的水穩(wěn)基層芯樣劈裂強(qiáng)度平均值為0.51MPa，而采用普通攪拌芯樣劈裂強(qiáng)度平均值為0.44MPa，振動(dòng)攪拌水穩(wěn)基層材料具有更高的劈裂強(qiáng)度，這與抗壓強(qiáng)度結(jié)果相一致。振動(dòng)攪拌水穩(wěn)基層材料劈裂強(qiáng)度比普通攪拌水穩(wěn)基層材料高出15.9%。

表5 芯樣劈裂強(qiáng)度

結(jié)語

振動(dòng)攪拌技術(shù)的應(yīng)用能夠在提高水穩(wěn)基層承載力的前提下，提高基層耐久性，即在保證相同的基層強(qiáng)度下，振動(dòng)攪拌技術(shù)可以減少基層中水泥的用量，這與振動(dòng)攪拌機(jī)理相符合。結(jié)合工程實(shí)際可知，振動(dòng)攪拌水穩(wěn)基層芯樣與普通攪拌芯樣相比具有更高的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度，其分別提高了11.3%和15.9%，能夠大幅度延長(zhǎng)基層使用壽命。