振動(dòng)攪拌對(duì)水泥穩(wěn)定碎石干溫縮性能的影響

張飛龍，岳光華，尚慶芳，呂 璐

（河南萬里交通科技集團(tuán)股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料具有早期強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、整體性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在中國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用；但是也同時(shí)存在容易出現(xiàn)干溫縮開裂的問題。出現(xiàn)裂縫后道路服務(wù)水平降低、壽命縮短，并會(huì)產(chǎn)生其他的早期破壞，如唧泥、網(wǎng)裂、水損害等［1－5］，致使瀝青路面使用年限未達(dá)到設(shè)計(jì)年限時(shí)就已發(fā)生嚴(yán)重的損壞，嚴(yán)重制約了高速公路乃至全國(guó)公路事業(yè)的健康發(fā)展。

作為提高基層抗裂性和耐久性的有效方法之一，振動(dòng)攪拌技術(shù)［6－7］在水泥混凝土中的應(yīng)用研究較為充分［8－12］，但將振動(dòng)攪拌技術(shù)應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層材料中的研究較少。因此有必要研究振動(dòng)攪拌對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層材料干溫縮性能的影響。理論上講，振動(dòng)作用可以使水泥穩(wěn)定碎石混合料的顆粒運(yùn)動(dòng)速度增大，顆粒的有效碰撞次數(shù)增加，使水泥、水和細(xì)集料充分彌散，并通過對(duì)流和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)均勻地包裹于粗集料的表面，形成“膜”［13］，從而增強(qiáng)骨料與水泥界面的黏結(jié)強(qiáng)度，改善水泥穩(wěn)定碎石基層材料的薄弱環(huán)節(jié)，提高水泥穩(wěn)定碎石基層材料的強(qiáng)度；同時(shí)，可以提高水泥的利用率，在一定程度上減少水泥劑量，進(jìn)而提高水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性和耐久性［14－16］。

1 試驗(yàn)原材料與混合料級(jí)配

試驗(yàn)用水泥為P·O32．5的普通硅酸鹽水泥，其劑量為4%。

此次試驗(yàn)所用粗、細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)見表1、2，其性能的檢測(cè)按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）的規(guī)定進(jìn)行。

表1 粗集料密度指標(biāo)

表2 細(xì)集料密度指標(biāo)

混合料級(jí)配按照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2006）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用規(guī)范中基層骨架密實(shí)型級(jí)配，級(jí)配設(shè)計(jì)范圍見表3，級(jí)配曲線如圖1所示。為了避免級(jí)配不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，此次試驗(yàn)統(tǒng)一采用中值級(jí)配。

表3 骨架密實(shí)型級(jí)配礦料組成

圖2 平均干縮系數(shù)變化趨勢(shì)

用振動(dòng)擊實(shí)法得到的水泥穩(wěn)定碎石混合料的最大干密度為2．412g·m－3，最佳含水量為4．56%。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1 不同攪拌方式對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層材料干縮性能的影響

圖1 級(jí)配曲線

通過室內(nèi)自然條件下的干縮試驗(yàn)可以得到水泥穩(wěn)定碎石混合料失水收縮的程度，并以此來計(jì)算干縮系數(shù)。本試驗(yàn)對(duì)振動(dòng)攪拌與普通攪拌2種不同攪拌方式下水泥穩(wěn)定碎石基層材料的干縮性能進(jìn)行研究。

試驗(yàn)采用4%的水泥劑量，靜壓法成型100mm×100mm×400mm中梁，每組6個(gè)試件，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生3d，飽水后擦干試件表面開始試驗(yàn)。為了與現(xiàn)實(shí)中的環(huán)境條件相同，在自然條件下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)沒有控制溫度和濕度。試驗(yàn)中選取的振動(dòng)攪拌參數(shù)為：振動(dòng)頻率40Hz，攪拌時(shí)間20s。不同攪拌方式下試件的干縮性能試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

分析試驗(yàn)結(jié)果可得出：當(dāng)干縮量不再增加時(shí)，振動(dòng)攪拌試件的總干縮變形量平均值為46．8×10－3mm，而普通攪拌試件的干縮總變形量為75．4×10－3mm，振動(dòng)攪拌試件的干縮總變形量相比普通攪拌試件減少了約37．9%；振動(dòng)攪拌試件的平均總干縮系數(shù)為125．917 3×10－6，而普通攪拌試件的平均總干縮系數(shù)為181．686 0×10－6，振動(dòng)攪拌試件的總干縮系數(shù)明顯小于普通攪拌試件的總干縮系數(shù)。這說明在自然條件下，相對(duì)于普通攪拌，振動(dòng)攪拌技術(shù)可以提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗干縮性能。

從圖2還可以看出平均干縮系數(shù)表現(xiàn)出不太穩(wěn)定的現(xiàn)象，這可能是由于外界溫度和濕度的變化造成的。雖然在室內(nèi)自然條件下的試驗(yàn)沒有恒定的濕度和溫度，但從整體的變化來看，干縮系數(shù)隨水分的耗散有增大趨勢(shì)。

分析水泥穩(wěn)定碎石基層材料干燥收縮的原因?yàn)椋核喾€(wěn)定碎石混合料毛細(xì)管中水的彎液面存在著內(nèi)外壓力差（即毛細(xì)管張力），其大小與毛細(xì)管半徑、含水量成反比，隨著水分損失量增大，致使毛細(xì)管張力增大加速，從而收縮加??；接著，水泥穩(wěn)定碎石混合料中的吸附水開始損失，使顆粒表面水膜變薄，間距變小，分子力增大，導(dǎo)致其宏觀體積進(jìn)一步收縮，這一階段的收縮量要比毛細(xì)管作用下的收縮量大得多；而當(dāng)分子距離小到一定程度后，分子間的斥力增大，收縮量逐漸減小，分子斥力與引力達(dá)到平衡，收縮終止。水泥穩(wěn)定碎石混合料中的一些層狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)（如C－S－H、C－A－H 等）間夾有大量層間水及水化離子，隨著層間水的蒸發(fā)，晶格間距減小，也會(huì)引起整體材料收縮［17］。

振動(dòng)攪拌試件和普通攪拌試件都存在上述的干縮過程，但相較于普通攪拌試件，振動(dòng)攪拌試件的抗收縮性更好，原因?yàn)椋赫駝?dòng)攪拌使得水泥穩(wěn)定碎石混合料中的水分和水泥分布更加均勻，黏結(jié)部分也更加密實(shí)均勻且強(qiáng)度有所提高，抗裂性增強(qiáng)，相應(yīng)的干縮系數(shù)減??；混合料被攪拌均勻后會(huì)使得其中的大孔隙減小、小孔隙增多，增強(qiáng)了保水能力，減少了水分蒸發(fā)帶來的開裂，使得干縮系數(shù)相應(yīng)減小；水化產(chǎn)物均勻分布于集料孔隙間，使得混合料試件更均勻密實(shí)，提高其整體的協(xié)調(diào)變形能力，從而使整體的干縮應(yīng)變減小。

2．2 不同攪拌方式對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層材料溫縮系數(shù)的影響

采用室內(nèi)溫縮試驗(yàn)法測(cè)量靜壓法成型的100mm×100mm×400mm中梁的溫縮變形。中梁試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生90d，分2種方法進(jìn)行試驗(yàn)。第一種是將試件飽水24h后，再放入105℃的烘箱中烘10～12h至恒重，在無水條件下進(jìn)行溫縮試驗(yàn)。采用7級(jí)溫度，最高溫度選用40℃，最低溫度為－20℃，以30min降10℃的速率降溫，達(dá)到恒定溫度時(shí)，保持3h。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 干燥條件下試件溫縮試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，不同攪拌方式下試件的溫縮系數(shù)接近，但振動(dòng)攪拌試件的溫縮系數(shù)比普通攪拌的要小一些。振動(dòng)攪拌試件的溫縮系數(shù)最大值為10．694×10－6，最小值為4．833×10－6，而普通攪拌試件的溫縮系數(shù)最大值為11．248×10－6，最小值為4．862×10－6。同時(shí)，干燥條件下在－10℃～0℃時(shí)，混合料中毛細(xì)管張力大于水化反應(yīng)微顆粒的黏結(jié)力，試件的收縮量有所上升，溫縮系數(shù)的絕對(duì)值增大。

從表4還可以看出，在－10℃～10℃時(shí)試件的溫縮系數(shù)變化最明顯，其中溫度在－10℃～0℃變化時(shí)試件的溫縮系數(shù)絕對(duì)值達(dá)到最大，溫度在10℃～0℃變化時(shí)試件的溫縮系數(shù)絕對(duì)值最小。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能是：烘干后的試件在自然環(huán)境中吸收一部分水，所以在0℃時(shí)膨脹抵消部分收縮，但含水量很小，抵消不明顯。

第二種試驗(yàn)方法是：試件養(yǎng)護(hù)完成后，均勻噴灑適量的水，使其達(dá)到最佳含水量，然后最高溫度選用15℃，最低溫度為－15℃，分為7個(gè)溫度等級(jí)，30 min降5℃的速率降溫，達(dá)到恒定溫度時(shí)，保持3h。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從表5可以得知：在0℃～5℃過程中試件溫縮系數(shù)的絕對(duì)值減小，并出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象（溫縮系數(shù)出現(xiàn)正值），其主要原因在于，較多的自由水分在0℃結(jié)冰，抵抗了大部分的收縮；當(dāng)溫度繼續(xù)下降時(shí)，毛細(xì)管水的張力可能大于顆粒間的黏結(jié)力，使得混合料急劇收縮，而結(jié)冰的膨脹體積趨于恒定，這就使得試件收縮系數(shù)的絕對(duì)值恢復(fù)到以前的狀態(tài)，并不斷增大；直到溫度降到－10℃以下時(shí)，毛細(xì)孔的水結(jié)冰發(fā)生微膨脹，試件溫縮系數(shù)的絕對(duì)值又有所減小。振動(dòng)攪拌試件的溫縮系數(shù)平均值為－8．155×10－6，而普通攪拌試件的溫縮系數(shù)平均值為－11．081×10－6。

表5 最佳含水量條件下試件溫縮試驗(yàn)結(jié)果

從水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮系數(shù)對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)攪拌試件的溫度收縮系數(shù)絕對(duì)值比普通攪拌試件的更小。從反應(yīng)生成物的角度分析，振動(dòng)攪拌使水泥穩(wěn)定碎石混合料的均勻性得到很大改善，生成的水化產(chǎn)物的量更多，且水化產(chǎn)物均勻分布于石料表面和混合料孔隙內(nèi)，使得最薄弱的黏結(jié)部分有所增強(qiáng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也更密實(shí)，因此混合料整體的協(xié)調(diào)變形能力增強(qiáng)，使得整體變形減小。

3 結(jié) 語

（1）干縮量不再增加時(shí)，振動(dòng)攪拌試件的干縮總變形量相比普通攪拌試件的減少了約37．9%，且振動(dòng)攪拌試件的總干縮系數(shù)明顯小于普通攪拌試件的總干縮系數(shù)，說明在自然條件下，相對(duì)于普通攪拌，振動(dòng)攪拌技術(shù)可以提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗干縮性能。

（2）無論是干燥條件還是最佳含水量條件下，振動(dòng)攪拌技術(shù)都可以提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗溫縮性能，但在干燥條件下沒有在最佳含水量條件下的效果顯著。