不同拌和工藝的水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能試驗研究

鄭世倫，李 鴻，梁旭之，王云進，劉 斌，王火明

(1.貴州省遵義市公路局，貴州 遵義 563100；2.中機中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039；3.山區(qū)道路工程與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400067)

道路基層是位于路面面層下方的主要承重結(jié)構(gòu)層，既承受路面上部荷載，又向下部結(jié)構(gòu)擴散荷載。因此，道路基層應(yīng)具有足夠的力學(xué)性能來實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)功能。水泥穩(wěn)定碎石作為常用的半剛性道路基層材料，具有強度高、整體性好、水穩(wěn)定性強和耐久性好等技術(shù)特點[1-5]，主要由水泥、集料等多種材料混合而成，而拌和方式則是制備過程中不可缺少的工藝步驟。

研究認為，拌和方式對于水泥穩(wěn)定碎石混合料各項力學(xué)性能具有一定影響[4]。不同的拌和方法影響混合料攪拌的均勻性、團聚現(xiàn)象和水泥水化的充分性，從而使制備的水泥穩(wěn)定碎石產(chǎn)生了不同的性能表現(xiàn)[6-8]。水泥穩(wěn)定碎石的拌和方式主要有靜力拌和、順序拌和、振動拌和等。其中,靜力拌和方式是使混合料產(chǎn)生軸向、徑向的運動，順序拌和主要針對拌和原材料的添加順序而提出，振動拌和則是利用拌和設(shè)備改變混合料拌和機制，使混合料產(chǎn)生對流、擴散等運動來實現(xiàn)拌和的一種方式[4，9-12]。

振動拌和方式對水泥穩(wěn)定碎石性能影響的研究多側(cè)重于振動拌和對水泥穩(wěn)定碎石抗壓強度、劈裂強度等單一性能的影響方面[13-14]，對水泥穩(wěn)定碎石的穩(wěn)定性、耐久性等性能影響的研究較少，尤其是振動拌和與其他拌和方式對這些性能具體影響程度的對比分析更少[15-16]。為此，本研究擬采用室內(nèi)振動拌和設(shè)備，對比研究不同拌和方式下水泥穩(wěn)定碎石材料的力學(xué)及路用性能，并重點分析振動拌和方式的影響。

1 材料

本次研究所用材料主要為水泥、水、集料等。其中，水泥為普通硅酸鹽水泥，性能符合相關(guān)規(guī)范要求；水為自來水。

1.1 集料

本次采用重慶市銅梁區(qū)某公司生產(chǎn)的石灰?guī)r，粗集料規(guī)格為5 mm～10 mm、10 mm～20 mm、20 mm～30 mm，細集料規(guī)格為0～5 mm，粗、細集料技術(shù)指標如表1所示，各檔集料篩分結(jié)果如表2所示。其中，試驗方法主要參照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》[17]與JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》[18]。

表1 粗、細集料技術(shù)指標

表2 單檔集料篩分結(jié)果

1.2 混合料配合比

本文試驗研究中，振動拌和與靜力拌和的材料組成參數(shù)設(shè)計結(jié)果如表3、表4所示。

表3 最佳含水量與最大干密度

表4 最佳含水量與最大干密度

2 試驗方案

采用室內(nèi)振動拌和方式進行試驗，對比研究振動拌和與靜力拌和對水泥穩(wěn)定碎石混合料各項性能的影響，試驗方案設(shè)計如表5所示。其中，測試方法主要參考JTG E51—2019《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[19]，養(yǎng)生齡期、性能指標要求主要參考JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細則》[20]。

表5 試驗方案

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 無側(cè)限抗壓強度

本研究通過2種拌和方式、3個水泥劑量，各成型9個試件進行7 d齡期無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如表6和圖1所示。

從表6試驗數(shù)據(jù)看到，水泥用量相同時，振動拌和成型試件的7 d無側(cè)限抗壓強度普遍高于靜力拌和。不同水泥用量下，振動拌和大約可提高水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強度20%～30%，提升的效果較為顯著。

表6 7 d無側(cè)限抗壓強度

由圖1可知，靜力拌和需采用4.5%水泥劑量才能滿足JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細則》[20]的要求，而振動拌和只需3.5%的水泥劑量就可以滿足要求，即采用相同的水泥用量，振動拌和方式可明顯提高水泥穩(wěn)定碎石材料的7 d無側(cè)限抗壓強度，從經(jīng)濟效益角度，振動拌和方式可節(jié)省工程材料成本，更經(jīng)濟。

圖1 不同拌和方式7 d無側(cè)限抗壓強度對比

不同拌和方式下無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果的變異系數(shù)如圖2所示。由圖2可見，振動拌和3.5%、4.0%、4.5%水泥劑量試件的強度變異系數(shù)較靜力拌和方式低1%～3%，說明振動拌和制備的水泥穩(wěn)定碎石試件，其平行試驗強度的差異性更小，強度穩(wěn)定性更好。由此可見，振動攪拌可提升混合料攪拌的均勻性，使原材料在混合反應(yīng)時更分散，混合料分布更均勻。

圖2 不同拌和方式的變異系數(shù)

3.2 間接拉伸強度

本次研究測試了90 d齡期試件的間接抗拉強度，試驗結(jié)果如表7所示。其中試件所用水泥劑量為4%。

表7 間接拉伸強度試驗結(jié)果

由表7可知，相比靜力拌和，振動拌和方式試件間接抗拉強度、代表值分別提高了34.5%、39.1%。由此可見，振動拌和方式可有效提高水穩(wěn)材料的間接拉伸強度。

3.3 粘聚力與內(nèi)摩擦角

一般情況下，細集料的細料部分對粗集料的裹覆作用決定了混合料粘聚力的大小，而其內(nèi)摩阻力則主要由相鄰集料間發(fā)生的嵌擠作用所產(chǎn)生。由表5與表6中混合料間接抗拉強度與無側(cè)限抗壓強度代表值的數(shù)據(jù)結(jié)果可計算出水泥劑量為4%時各拌和方式的粘聚力和內(nèi)摩擦角的大小，如表8所示。

表8 不同拌和方式的粘聚力和內(nèi)摩擦角

若采用莫爾強度理論對水穩(wěn)材料性能分析研究，由莫爾理論可知，抗壓強度、劈裂抗拉強度與內(nèi)摩擦角、粘聚力的關(guān)系如公式(1)、(2)所示：

(1)

(2)

由表8數(shù)據(jù)可知，振動拌和相比靜力拌和制備的水穩(wěn)試件，其內(nèi)摩擦角小于靜力拌和制備的試件。將φ靜=64.6°和φ振=62.9°分別代入公式(1)、(2)中，當粘聚力c=0.509不變時，R靜=4.52 MPa，R振=4.22 MPa，r靜=0.229 MPa，r振=0.245 MPa，即振動拌和制備的試件其抗壓強度較靜力拌和的略低，振動拌和制備的試件其劈裂抗拉強度較靜力拌和的略高。將c靜=0.509 MPa、c振=0.663 MPa代入公式(1)、(2)中，當內(nèi)摩擦角φ=64.6°不變時，R靜=4.52 MPa，R振=5.88 MPa，r靜=0.229 MPa，r振=0.299 MPa，即振動拌和制備的試件其抗壓強度、劈裂抗拉強度均高出靜力拌和制備試件的30%左右。

這2個試驗結(jié)果充分說明：

1)振動拌和方式減小了水泥顆粒的團聚作用，使水泥顆粒更分散，攪拌更均勻，對集料的裹覆性更好。同時，在填充、壓實過程中，振動拌和使混合料間嵌擠結(jié)構(gòu)形成難度增大，從而導(dǎo)致其內(nèi)摩擦角有所降低。

2)粘聚力不變時，振動拌和下水穩(wěn)材料抗壓強度小幅降低，這正是混合料間嵌擠作用減弱所引起。但試驗結(jié)果顯示，最終振動拌和抗壓強度仍高于靜力拌和，主因是混合料粘聚力大幅增長。而振動拌和使水穩(wěn)材料劈裂抗拉強度增長，則與混合料間嵌擠作用減弱和粘聚力增大均有關(guān)。

3.4 彎拉強度試驗

本次研究分別測試了90 d齡期時，2種拌和方式成型9組試件的抗彎拉強度，試驗結(jié)果如表9所示。

表9 不同拌和方式的彎拉強度

整體來看，振動拌和使水穩(wěn)材料彎拉強度比靜力拌和的彎拉強度代表值提高了27.1%，強度提高顯著，但振動拌和的變異系數(shù)明顯小于靜力拌和，即振動拌和對混合料的攪拌試驗更加穩(wěn)定、可靠。彎拉強度的提升一定程度上緩解了水穩(wěn)基層的疲勞開裂，減少了瀝青面層的反射裂縫。因此，振動拌和工藝在工程中的應(yīng)用更加廣泛。

3.5 干縮性能試驗

分別測試了試件1 d～28 d的失水率、干縮量及干縮系數(shù)，試驗結(jié)果如表10所示。為了便于分析齡期與試件失水率、干縮量及干縮系數(shù)的關(guān)系，根據(jù)表10繪制曲線圖，如圖3～圖5所示。

圖5 干縮系數(shù)與齡期的關(guān)系

表10 干縮試驗結(jié)果

由圖3可知，2種拌和方式的失水率、累積失水率曲線高度重合。其中，失水率在7 d齡期內(nèi)下降較為顯著，后期下降較為緩慢。2種拌和方式制備的試件失水率在前期有一定差異，但當齡期為28 d時，兩者幾乎一致，且此時累積失水率僅相差0.1%。因此可以認為，水穩(wěn)材料的失水率基本不受這2種拌和方式的影響。

(a)失水率

由圖4可知，2種拌和方式成型的水穩(wěn)碎石試件的干縮量隨齡期的變化趨勢基本一致，呈先增大后減小的趨勢，干縮量在7 d齡期內(nèi)的變化較為明顯，之后趨于平穩(wěn)，且均在4 d達到峰值。對比2種拌和方式的累積干縮量可知，靜力拌和方式水穩(wěn)碎石試件的干縮量要明顯高于振動拌和的，且高19%。

(a)干縮量

由圖5可知，2種拌和方式下水穩(wěn)碎石試件的干縮系數(shù)在7 d齡期內(nèi)增大較為顯著，后期變化緩慢。對比2種拌和方式的干縮系數(shù)可知，當齡期較短時，2種拌和方式制備的水穩(wěn)材料干縮系數(shù)增長較快，而當齡期大于7 d后，干縮系數(shù)的變化較小，且靜力拌和方式下試件的干縮系數(shù)也明顯高于振動拌和制備試件的干縮系數(shù)。

綜上對比分析，在失水率相差不大的情況下，振動拌和工藝可明顯降低水泥穩(wěn)定碎石材料的干縮量、干縮系數(shù)，從而降低水穩(wěn)基層的早期干縮開裂幾率。

3.6 溫縮性能試驗

分別測試了在20 ℃～10 ℃、10 ℃～0 ℃、0 ℃～-10 ℃、-10 ℃～-20 ℃溫度變化區(qū)間試件的溫縮系數(shù)，試驗結(jié)果如表11和圖6所示。

從圖6可知，2種拌和方式成型的水穩(wěn)試件溫縮系數(shù)在不同溫度變化區(qū)間的變化趨勢基本相同，且均在0 ℃～10 ℃溫度區(qū)間，溫縮系數(shù)急劇增大，隨之出現(xiàn)峰值。由表11可知，振動拌和水穩(wěn)料的溫縮系數(shù)明顯小于靜力拌和的，相差約22.7%，峰值相差17.3%。這一試驗結(jié)果表明，振動拌和方式能有效改善水穩(wěn)碎石的溫縮性能，減少溫縮開裂，但從溫縮系數(shù)的峰值及溫度變化區(qū)間可知，振動拌和水穩(wěn)碎石施工時必須注意環(huán)境溫差(尤其是冬季)對施工的影響。

表11 溫縮試驗結(jié)果 ×10-6/℃

圖6 溫縮系數(shù)

綜上分析，振動拌和提升了攪拌均勻性，提高了水穩(wěn)材料抗壓強度，降低了干縮、溫縮系數(shù)等。振動攪拌過程中增加了一定的振動頻率，既減少了混合料的團聚現(xiàn)象，使原材料在混合后能更加均勻地分散，使相鄰混合料間嵌擠作用更強，又增大了水泥與水分子間接觸的頻率，使其能產(chǎn)生更好的水化效果，生成更多的水化產(chǎn)物并更穩(wěn)定地附著于集料表面，形成更密實的骨架結(jié)構(gòu)。因此，振動拌和與靜力拌和相比，幾乎能全面性地提升水穩(wěn)材料性能[13,16]。

4 結(jié)論

本研究在室內(nèi)對比研究了振動拌和與靜力拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強度、間接抗拉強度、彎拉強度、干溫縮試驗以及抗沖刷試驗等，主要得到以下結(jié)論：

1)相比靜力拌和，振動拌和提高了水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度、抗彎拉強度20%～30%、間接抗拉強度30%～40%，且在同一抗壓強度時，振動拌和較靜力拌和節(jié)約1%水泥用量，可大幅節(jié)省材料成本。

2)振動拌和可降低水泥穩(wěn)定碎石強度性能試驗變異系數(shù)1%～2%，可充分改善混合料攪拌的均勻性，使混合料力學(xué)性能更加穩(wěn)定。

3)振動拌和方式雖不能減小水穩(wěn)材料的失水率，但可以使其28 d干縮量、干縮系數(shù)下降20%，可有效防止水穩(wěn)材料干縮。

4)振動拌和與靜力拌和制備的水穩(wěn)材料雖在各溫度區(qū)間變化趨勢類似，但整體溫縮系數(shù)相差約20%，振動拌和更有利于減少水穩(wěn)材料溫縮開裂，但同時需注意環(huán)境溫差過大對施工質(zhì)量的影響。