攪拌工藝對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料均勻性與強(qiáng)度的影響

呂團(tuán)輝

（中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710000）

水泥穩(wěn)定碎石在絕大部分高等級(jí)公路中取得了突出的應(yīng)用效果，強(qiáng)度是衡量其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)加大水泥用量的方式，有助于提升水穩(wěn)基層強(qiáng)度，但會(huì)加大裂縫規(guī)模，降低道路的耐久性。因此，在不改變水泥用量的基礎(chǔ)上，基于何種方式改善該混合料的性能是重點(diǎn)探討話題，需通過(guò)合理的工藝措施使其具有足夠的強(qiáng)度與耐久性。

1 振動(dòng)攪拌的作用

通過(guò)振動(dòng)攪拌的方式制得混合料，其原理是攪拌裝置與激振器共同配合，伴隨攪拌機(jī)構(gòu)的持續(xù)運(yùn)行，同步發(fā)生振動(dòng)。其令物料中的微小水泥顆?？蓪?shí)現(xiàn)持續(xù)性的顫振，解決水泥聚集問(wèn)題，提升水泥顆粒的均勻性，使其與骨料更好地結(jié)合并有效包裹。

1.1 破壞水泥團(tuán)聚現(xiàn)象

通過(guò)振動(dòng)攪拌的方式，物料在得到充分?jǐn)嚢璧耐瑫r(shí)還會(huì)受到振動(dòng)影響，原本處于團(tuán)聚狀態(tài)的水泥在接受振動(dòng)能量后狀態(tài)發(fā)生變化，即持續(xù)顫振改善了物料過(guò)分黏結(jié)的問(wèn)題；且由于振幅作用的存在，原本裹覆在水泥團(tuán)粒表面的水膜也將被破壞，大量的水泥顆粒分布均勻。

1.2 凈化粗骨料表面并提升黏結(jié)強(qiáng)度

振動(dòng)能量的產(chǎn)生，使得集料表面水膜遭到破壞，骨料得到有效凈化，水泥顆粒分布更加均勻，擴(kuò)大了與骨料的接觸面積，并在其表面存在大量水泥顆粒，構(gòu)成疏松層；同時(shí)，形成大量的C-S-H凝膠，擴(kuò)大與骨料的接觸面積，各類物料能夠?qū)崿F(xiàn)全面接觸，黏結(jié)性能得以提升。

1.3 實(shí)現(xiàn)對(duì)低效區(qū)的改善

振動(dòng)軸力為振源，投入的各類物料以及彼此間的空隙則發(fā)揮出傳播介質(zhì)的作用，設(shè)備發(fā)出的振動(dòng)波會(huì)向多個(gè)方向的傳播，伴隨距離的延長(zhǎng)，振動(dòng)能量表現(xiàn)出逐步衰減的趨勢(shì)，具備靠近振源越強(qiáng)、遠(yuǎn)離振源越弱的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)攪拌筒型、攪拌機(jī)工作特性的分析得知，與攪拌筒中心間距較小的區(qū)域，該處的物料可獲得更多的振動(dòng)能量，以彌補(bǔ)該區(qū)域攪拌速度偏慢的不足；而遠(yuǎn)離攪拌中心的區(qū)域（即指的是靠近攪拌筒壁處），該處的能量發(fā)生衰減，獲得的能量較少，但由于該處的速度較高，整個(gè)攪拌區(qū)域內(nèi)的實(shí)際攪拌效果大體相當(dāng)，消除了低效區(qū)。

2 現(xiàn)有攪拌技術(shù)的不足

現(xiàn)有攪拌技術(shù)主要存在以下幾點(diǎn)不足：

（1）攪拌時(shí)間偏短，混合料的微觀勻質(zhì)性欠佳。

（2）攪拌強(qiáng)度偏弱，效率低下。以臨界轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)，實(shí)際攪拌作業(yè)時(shí)若速度超過(guò)該值，將產(chǎn)生離心力，部分物料將附著在筒壁；若攪拌速率偏快，產(chǎn)生的慣性作用將對(duì)攪拌狀態(tài)帶來(lái)影響，即部分物料拋離攪拌葉片，即出現(xiàn)了離析現(xiàn)象，不利于混合料的均勻度。

（3）伴隨速度梯度現(xiàn)象并產(chǎn)生低效區(qū)。整個(gè)攪拌區(qū)域內(nèi)，與中心相近的部分速度偏低，而與之較遠(yuǎn)部分的物料將獲得較高的轉(zhuǎn)速，存在速度梯度現(xiàn)象，部分區(qū)域的攪拌效率偏低。

3 對(duì)比方案與集料組成設(shè)計(jì)

3.1 攪拌工藝方案

以銅仁至懷化高速公路項(xiàng)目為例，根據(jù)施工要求，提出兩種設(shè)計(jì)方案，方案1為振動(dòng)攪拌，方案2為普通靜力攪拌。兩種方案中，拌制水泥穩(wěn)定碎石混合料所用設(shè)備一致，均為2臺(tái)拌缸串聯(lián)的方式，并分二次攪拌；特殊之處在于第二次攪拌中工藝方法的差別，一種是振動(dòng)攪拌，另一種為普通靜力攪拌。

3.2 集料組成設(shè)計(jì)

攪拌工藝的改變，使得拌制所得的混合料在性能上存在差異，具體體現(xiàn)在均勻性與強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)上，為消除級(jí)配對(duì)質(zhì)量的影響，以較優(yōu)級(jí)配為宜。為對(duì)比分析骨架嵌擠密實(shí)結(jié)構(gòu)在不同工藝下的特點(diǎn)，采用貝雷法CA（粗集料比）、FAC（兩次篩孔通過(guò)率比值，即第二次與第一次）及FAF（兩次篩孔通過(guò)率比值，即第三次與第二次），用于評(píng)定混合料的嵌擠密實(shí)效果。各項(xiàng)指標(biāo)均可評(píng)定混合料的嵌擠情況，但各自的側(cè)重對(duì)象有所不同，CA對(duì)應(yīng)中粗集料，F(xiàn)AC對(duì)應(yīng)細(xì)集料，F(xiàn)AF對(duì)應(yīng)最細(xì)集料。根據(jù)材料的特點(diǎn)確定指標(biāo)范圍，針對(duì)公稱最大粒徑為26.5mm的部分，各指標(biāo)的取值區(qū)間為：CA為0.70～0.85，F(xiàn)AC為0.35～0.50，F(xiàn)AF為0.35～0.50。

4 材料攪拌均勻性

4.1 試驗(yàn)方法

水泥穩(wěn)定碎石混合料的使用效果受到強(qiáng)度等方面的影響，其根本影響因素是攪拌均勻性。文章采用了篩分試驗(yàn)與EDTA滴定試驗(yàn)兩種方式，根據(jù)所得結(jié)果分析集料關(guān)鍵篩孔通過(guò)率，總結(jié)該指標(biāo)的平均值與變異系數(shù)，用于評(píng)定攪拌均勻程度。通過(guò)篩分試驗(yàn)的方式，可分析級(jí)配的波動(dòng)情況，用于評(píng)定集料分布是否具備足夠的均勻性；而水泥EDTA結(jié)果，則是衡量水泥分散均勻程度的關(guān)鍵指標(biāo)，同時(shí)在一定程度上可表征微觀均勻性。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）集料攪拌均勻性。針對(duì)兩種工藝方案，選擇具有代表性的水泥穩(wěn)定碎石混合料，要求每種工藝方案的試驗(yàn)數(shù)量均為8組，關(guān)于篩孔的選擇，共有4類，分別為19mm、13.2mm、9.5mm及4.75mm。可以得知，無(wú)論是普通攪拌方式還是振動(dòng)攪拌，兩種方案在相同篩孔條件下求得的通過(guò)率平均值僅存在微小差異，并且?guī)缀蹩梢詽M足設(shè)計(jì)要求。因此，水穩(wěn)基層集料具備級(jí)配穩(wěn)定的特點(diǎn)。整理兩種方案下得到的各項(xiàng)篩孔通過(guò)率試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)求標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)的方式可以得知，兩項(xiàng)指標(biāo)都處于較低水平。從這一角度看，使用兩臺(tái)缸串聯(lián)并實(shí)行二次攪拌的方法，可在很大程度上改善混合料的均勻性。若為振動(dòng)攪拌，整理其各篩孔通過(guò)率數(shù)值，通過(guò)求標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)的方式可以得知，兩項(xiàng)指標(biāo)均有一定的減小趨勢(shì)。以19mm篩孔條件下的通過(guò)率為例，其變異系數(shù)降低幅度達(dá)到26%，4.75mm篩孔條件下降幅則高達(dá)53%。因此，相較于普通攪拌方式而言，實(shí)施振動(dòng)攪拌有助于提升集料均勻性，且這一作用在集料粒徑偏小的情況下更為明顯[1]。

（2）水泥分散均勻性。水泥EDTA滴定試驗(yàn)，兩種方案在試驗(yàn)組數(shù)、取料方式上均保持一致。整理試驗(yàn)結(jié)果，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 水泥用量滴定試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：%

根據(jù)表1所給內(nèi)容得知，兩種工藝方法對(duì)應(yīng)的水泥用量均值僅存在微小的差別。標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)均維持相對(duì)偏低的水平，普遍介于4%～7%；相比之下，方案1具有更好的應(yīng)用效果，即標(biāo)準(zhǔn)差降低34%，變異系數(shù)降低36%。因此，二次攪拌工藝具備提升水泥均勻性的效果，結(jié)果表明整體變異水平得到了有效控制；且二次攪拌作業(yè)時(shí)采用振動(dòng)攪拌工藝，由于存在持續(xù)性的振動(dòng)，可更為有效地處理水泥結(jié)團(tuán)，混合料中水泥分散更具有均勻性。

以方案1為指導(dǎo)，分析此工藝下的水泥穩(wěn)定碎石混合料可以得知，其總體偏深色，大粒徑碎石能夠被水泥漿有效包裹，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)碎石表面存在一定程度的“長(zhǎng)毛”現(xiàn)象，表明水泥漿攪拌更加均勻。

4.3 強(qiáng)度與施工均勻性

（1）試驗(yàn)方案。水泥穩(wěn)定半剛性基層整體性能主要取決于強(qiáng)度指標(biāo)，其直接影響到基層的承載水平?，F(xiàn)階段行業(yè)規(guī)范中對(duì)該基層的強(qiáng)度提出更高要求，直接說(shuō)明提升強(qiáng)度的必要性。而均勻性則是改變強(qiáng)度狀態(tài)的重要因素，最終會(huì)作用于路面的耐久性。對(duì)此，提出兩種方案的質(zhì)量分析方法，具體如表2所示。

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析。兩種方案的養(yǎng)生方式一致，在路段中以隨機(jī)取樣的方式共獲得9組試驗(yàn)樣品，經(jīng)加工后形成標(biāo)準(zhǔn)試件，滿足高徑比為1∶1的要求。方案1中，分析其7d與28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以得知，無(wú)論是均值還是代表值都明顯優(yōu)于方案2，且在強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)兩方面也得到了有效控制。因此，若二次攪拌采取的是振動(dòng)攪拌，在該工藝下所制得的水泥穩(wěn)定碎石混合料具備更為優(yōu)良的性能，強(qiáng)度提升的同時(shí)變異系數(shù)下降，可滿足材料均勻性的要求。匯總兩種方案下的數(shù)據(jù)，可直觀地分析二次攪拌作業(yè)時(shí)因攪拌方式不同而帶來(lái)的結(jié)果差異化現(xiàn)象，具體如圖1所示。由圖1可知：從28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度來(lái)看，其在均值與代表值兩項(xiàng)指標(biāo)上都有較大幅度地提升，且明顯超過(guò)7d抗壓強(qiáng)度下的指標(biāo)；而從強(qiáng)度變異系數(shù)的角度來(lái)看，其在28d條件下的降幅明顯提升。由此可見(jiàn)，由于養(yǎng)生時(shí)間的延長(zhǎng)，若選擇的是方案1，混合料的強(qiáng)度與均勻性都有著較大幅度地提升。分析其成因，主要在于振動(dòng)攪拌作用下解決了碎石材料分布不均的問(wèn)題，原本水泥與集料團(tuán)結(jié)的問(wèn)題得到緩解，在混合料的各個(gè)部分均分布有水泥漿液，可實(shí)現(xiàn)對(duì)粗集料的充分包裹，有助于提升水泥水化均勻性[2]。在28d內(nèi)，水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度表現(xiàn)出大幅提升的趨勢(shì)，在攪拌足夠均勻的條件下，可以提升材料的強(qiáng)度，并確保施工均勻性；自28d后，該提升幅度則逐步放緩，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 攪拌工藝對(duì)比實(shí)施方案

圖1 方案對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，相較于二次普通攪拌的方式，采取振動(dòng)攪拌工藝，混合料的攪拌均勻性能得到有效提升，變異系數(shù)大幅減小，其抗壓強(qiáng)度均值與代表值都更為良好。總體上，二次攪拌時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇振動(dòng)攪拌，此舉是解決混合料均勻性不足、強(qiáng)度偏弱的關(guān)鍵。