振動(dòng)拌和水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能

毋存糧 吳靖江 尚康寧 時(shí)海霞 殷衛(wèi)永

摘 要：為明確水泥穩(wěn)定碎石基層混合料振動(dòng)拌和效果，通過力學(xué)性能試驗(yàn)與耐久性試驗(yàn)，對(duì)比分析振動(dòng)拌和與普通拌和兩種拌和方式的混合料性能。結(jié)果表明：與普通拌和方式的水泥穩(wěn)定碎石混合料相比，在7、28、60 d齡期時(shí)，振動(dòng)拌和的水泥穩(wěn)定碎石混合料力學(xué)性能均提高，平均增長(zhǎng)幅度10%;振動(dòng)拌和混合料平均干縮系數(shù)減小5%，平均溫縮系數(shù)減小2.3%，凍融循環(huán)后強(qiáng)度比提高5%;在應(yīng)力比為0.5、0.6和0.7時(shí)，振動(dòng)拌和成型混合料疲勞壽命分別約為普通拌和的1.2倍、1.4倍和1.5倍。

關(guān)鍵詞：道路工程;振動(dòng)拌和;水泥穩(wěn)定碎石基層;路用性能

中圖分類號(hào)：U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）01-0123-04

Abstract： In order to clarify the effect of vibration mixing of cement stabilized macadam base mixture， through mechanical property test and durability test， the mixture performance of vibration mixing and ordinary mixing was compared and analyzed. The results show that compared with the ordinary mixing cement stabilized macadam mixture， the mechanical properties of the vibration mixing cement stabilized macadam mixture are improved at the age of 7d， 28d and 60d， with an average increase of 10%. The average drying shrinkage coefficient of the vibration mixing mixture is reduced by 5% and the average temperature shrinkage coefficient is reduced by 2.3%. The strength ratio after freeze-thaw cycle is increased by 5%. When the stress ratio is 0.5， 0.6 and 0.7， the fatigue life of the vibration mixing mixture is about 1.2 times， 1.4 times and 1.5 times of that of the ordinary mixing mixture， respectively.

Keywords： road engineering;vibration mixing;cement stabilized macadam base;road performance

半剛性基層由于強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)、板體性好等優(yōu)點(diǎn)，成為目前我國高速公路主要的路面基層形式[1]。半剛性基層主要采用水泥穩(wěn)定碎石材料，施工過程中通常采用以強(qiáng)制攪拌方式為主的連續(xù)式強(qiáng)制攪拌機(jī)，當(dāng)這種攪拌方式的轉(zhuǎn)速較快時(shí)，離心力作用會(huì)使物料附著在筒壁上，且水泥穩(wěn)定碎石混合料中各成分由于慣性不同，被攪拌葉片以不同的速度拋離，造成混合料離析[2-3]。為克服這種普通強(qiáng)制攪拌方式的缺點(diǎn)，振動(dòng)拌和方式目前被逐步推廣應(yīng)用。振動(dòng)拌和技術(shù)通過在攪拌裝置上安裝激振器使設(shè)備拌和與振動(dòng)作用同時(shí)進(jìn)行，團(tuán)聚的細(xì)小水泥顆粒在顫振作用下分散成更小的水泥微粒，從而更均勻地分布在骨料表面。同時(shí)，振動(dòng)能量使拌和料運(yùn)動(dòng)速度和有效碰撞次數(shù)增加，粗骨料表面被細(xì)集料及水泥更緊密包裹，顯著提高水泥穩(wěn)定碎石混合料攪拌的宏觀與微觀均勻性[4-6]。

本研究依托某國道改擴(kuò)建項(xiàng)目，對(duì)比分析振動(dòng)拌和方式與普通拌和方式成型的水泥穩(wěn)定碎石混合料力學(xué)性能及耐久性，以期為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水穩(wěn)碎石混合料包含20～30 mm、10～20 mm、5～10 mm三種規(guī)格的粗集料和細(xì)集料0～5 mm石屑。粗細(xì)集料性能均滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）要求。分別在采用振動(dòng)拌和與普通拌和兩種不同拌和方式的水泥穩(wěn)定碎石拌和站取樣進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

為消除級(jí)配、水泥用量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，普通拌和與振動(dòng)拌和水泥穩(wěn)定碎石均選用《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）中C-B-3級(jí)配，兩個(gè)拌和站所用原材料及集料合成級(jí)配均相同，合成級(jí)配如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)。參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009），分別取振動(dòng)拌和與普通拌和兩種不同拌和方式的水穩(wěn)混合料，并成型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度和抗壓回彈模量對(duì)應(yīng)的試件，養(yǎng)生至7、28、60 d齡期，測(cè)試對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能，試驗(yàn)設(shè)備為MTS萬能試驗(yàn)機(jī)。

1.2.2 耐久性試驗(yàn)

1.2.2.1 干縮與溫縮試驗(yàn)。參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）T0854和T0855進(jìn)行干縮與溫縮試驗(yàn)，干縮試驗(yàn)監(jiān)測(cè)31 d，溫縮試驗(yàn)溫度梯度為35、25、15、5、-5 ℃。

1.2.2.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)。參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）T0858進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍融循環(huán)次數(shù)為5次。

1.2.2.3 疲勞性能試驗(yàn)。參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009） T0856，采用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)尺寸為400 mm×100 mm×100 mm、齡期為28 d的中梁進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。荷載控制模式為應(yīng)力控制方式，施加荷載為連續(xù)的Havesine波，荷載標(biāo)準(zhǔn)頻率為10 Hz，應(yīng)力比分別采用0.5、0.6和0.7。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 力學(xué)性能

振動(dòng)拌和與普通拌和兩種不同拌和方式的水泥穩(wěn)定碎石基層混合料力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，兩種不同拌和方式的水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)強(qiáng)度均隨齡期的增長(zhǎng)而增大;抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度從7 d到28 d齡期增長(zhǎng)幅度較大，從28 d齡期到60 d齡期增長(zhǎng)幅度較小。在7、28、60d 齡期時(shí)，振動(dòng)拌和的水泥穩(wěn)定碎石基層混合料比普通攪拌的水泥穩(wěn)定碎石混合料，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高15.2%、14.1%、10.9%，劈裂強(qiáng)度分別提高9.7%、8.5%、10.3%，抗彎拉強(qiáng)度分別提高6.5%、4.3%、6.5%，抗壓回彈模量分別提高6.0%、4.4%、4%。

振動(dòng)拌和成型的水泥穩(wěn)定碎石混合料在不同齡期的力學(xué)性能均優(yōu)于普通拌和成型的混合料，平均增長(zhǎng)幅度為10%，表明振動(dòng)拌和成型方式明顯優(yōu)于普通拌和成型方式。這主要是由于振動(dòng)作用一方面能夠打散包裹在水泥團(tuán)外表面的水膜，增大水泥顆粒在混合料中的分散性;另一方面，可提升集料的運(yùn)動(dòng)速度及集料顆粒之間的碰撞頻率，利于水泥在集料顆粒表面分散均勻，使水泥更均勻地裹覆在集料表面，從而增強(qiáng)水泥與集料之間的黏結(jié)，提升界面過渡區(qū)的強(qiáng)度，減少脆弱斷裂面，使混合料形成均勻的牢固整體。

2.2 耐久性

2.2.1 溫縮與干縮性能。水泥穩(wěn)定碎石材料雖然有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與板體性，但也容易收縮開裂引起反射裂縫。水穩(wěn)碎石基層開裂的原因主要包括干縮開裂和溫縮開裂。水泥穩(wěn)定碎石材料的收縮性能是反映其抗裂性能的重要指標(biāo)，也能反映水泥穩(wěn)定碎石基層的耐久性[7]。振動(dòng)拌和與普通拌和兩種不同拌和方式的水泥穩(wěn)定碎石基層混合料干縮試驗(yàn)和溫縮試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，振動(dòng)拌和與普通拌和兩種不同拌和方式的水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮系數(shù)隨干縮時(shí)間增加逐漸增大。7 d齡期之前干縮系數(shù)增長(zhǎng)較快，之后增長(zhǎng)緩慢。振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮系數(shù)比普通攪拌的混合料干縮系數(shù)減小約5%。兩種不同拌和方式的水泥穩(wěn)定碎石混合料溫縮系數(shù)先減小后增大，在5 ℃時(shí)達(dá)到最小值。振動(dòng)拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料試件在各溫度區(qū)間的溫縮系數(shù)均小于普通拌和成型的試件，振動(dòng)拌和試件溫縮系數(shù)平均值比對(duì)應(yīng)的普通拌和試件降低了2.3%?？梢?，采用振動(dòng)拌和技術(shù)能減小水泥穩(wěn)定碎石基層干縮和溫縮，提高抵抗收縮變形的性能。

應(yīng)用振動(dòng)拌和技術(shù)能抑制水泥穩(wěn)定碎石的干縮和溫縮，主要是由于振動(dòng)攪拌使水泥穩(wěn)定碎石混合料顆粒運(yùn)動(dòng)劇烈，增強(qiáng)了混合料的對(duì)流與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使細(xì)集料均勻地裹覆在粗集料表面，降低了由于混合料離析產(chǎn)生的裂縫，同時(shí)打散了粗集料表面的水膜，降低了水灰比，使界面結(jié)合處被C-S-H填充，形成致密的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了混合料的抗裂性能。

2.2.2 抗凍性能。振動(dòng)拌和與普通拌和兩種不同拌和方式的水泥穩(wěn)定碎石基層混合料凍融試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，振動(dòng)拌和與普通拌和兩種不同方式成型的水泥穩(wěn)定碎石混合料試件經(jīng)5次凍融循環(huán)后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均較未經(jīng)過凍融循環(huán)的試件下降。這主要是由于凍融循環(huán)時(shí)存在較多水分滯留在試件內(nèi)部孔隙中，水在低溫結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生較大的凍脹應(yīng)力，破壞了試件的整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的聯(lián)結(jié)作用力。與普通拌和成型的試件相比，振動(dòng)拌和成型的試件凍融循環(huán)后強(qiáng)度比提高了4.5%，表明振動(dòng)拌和成型的試件具有更好的抗凍融性能。這主要是由于振動(dòng)拌和能清潔集料表面粉塵，減少由于粉塵導(dǎo)致集料之間黏結(jié)力下降產(chǎn)生裂紋，且振動(dòng)作用能將水泥膠團(tuán)打散，使其均勻地分布在混合料中，細(xì)集料與水泥組成的膠漿均勻裹覆在粗集料表面，使水泥穩(wěn)定碎石混合料不易產(chǎn)生離析，更加密實(shí)均勻。

2.2.3 疲勞性能試驗(yàn)。振動(dòng)拌和與普通拌和兩種不同拌和方式的水泥穩(wěn)定碎石基層混合料疲勞試驗(yàn)每組進(jìn)行三個(gè)平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，受試件本身材料不均勻及疲勞壽命的影響，試驗(yàn)結(jié)果存在一定的離散性。采用韋伯分布（Weibull distribution）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。以疲勞壽命Ni的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，以不同保證率p的對(duì)數(shù)-ln（ln1/p）為縱坐標(biāo)，若Ni與-ln（ln1/p）之間具有較好的線性關(guān)系，則疲勞壽命服從韋伯分布。回歸圖如圖3所示，在圖3中，以疲勞壽命[Ni]的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，以不同保證率[p]的對(duì)數(shù)-ln（ln1/[p]）為縱坐標(biāo)，若[Ni]與-ln（ln1/[p]）之間具有較好的線性關(guān)系，則疲勞壽命服從韋伯分布?；貧w方程如表4所示。由表4分析可知，回歸系數(shù)均在0.9以上，滿足韋伯分布。利用韋伯分布統(tǒng)計(jì)分析疲勞壽命，如表5所示。

由表5可知，在不同應(yīng)力比下，振動(dòng)拌和混合料成型試件的疲勞壽命均高于普通拌和混合料成型的試件。在應(yīng)力比為0.5、0.6和0.7時(shí)，振動(dòng)拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞壽命分別約為普通拌和的1.3倍、1.4倍和1.9倍，表明振動(dòng)拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料耐疲勞性能明顯優(yōu)于普通拌和的混合料。

3 結(jié)論

通過上述對(duì)振動(dòng)拌和與普通拌和兩種方式成型的水穩(wěn)混合料力學(xué)性能及耐久性的研究，主要得出以下結(jié)論：

①在7、28、60 d齡期時(shí)，振動(dòng)拌和的水泥穩(wěn)定碎石基層混合料力學(xué)性能均優(yōu)于普通拌和的水泥穩(wěn)定碎石混合料，平均增長(zhǎng)幅度約10%。

②與普通攪拌的水泥穩(wěn)定碎石混合料相比，振動(dòng)拌和的水泥穩(wěn)定碎石基層混合料平均干縮系數(shù)減小5%，平均溫縮系數(shù)減小2.3%;5次凍融循環(huán)后強(qiáng)度比提高5%。

③在應(yīng)力比為0.5、0.6和0.7時(shí)，振動(dòng)拌和成型水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞壽命分別約為普通拌和的1.2倍、1.4倍和1.5倍，表明振動(dòng)拌和方式成型的水穩(wěn)混合料耐疲勞性能明顯優(yōu)于普通拌和方式成型的混合料。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘭偉偉.高速公路半剛性基層瀝青路面的耐久性影響分析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2020（9）：131-133.

[2]鄭世倫，李鴻，梁旭之，等.不同拌和工藝的水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能試驗(yàn)研究[J].公路交通技術(shù)，2020（5）：24-31.

[3]張海濤，梁爽，楊洪生.水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)攪拌技術(shù)與性能研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017（21）：303-306.

[4]張良奇，孔鮮寧，馮忠緒.水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)攪拌裝置的研制及工業(yè)試驗(yàn)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（5）：1155-1161.

[5]王冠凱，趙月平，韓永紅，等.振動(dòng)拌和骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度規(guī)律試驗(yàn)研究[J].公路，2019（4）：68-71.

[6]張海濤，梁爽，楊洪生，等.基于室內(nèi)振動(dòng)攪拌的水泥穩(wěn)定碎石性能研究[J].中國公路學(xué)報(bào)，2018（8）：58-65.

[7]張懷志，楊帆，楊野.不同類型水泥穩(wěn)定碎石溫縮系數(shù)對(duì)比試驗(yàn)[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020（2）：323-329.