基于顆粒流理論的水泥穩(wěn)定碎石混合料新型拌合技術(shù)

路來(lái)芬，徐欽升，閆翔鵬

（1.莒南縣交通運(yùn)輸局，山東 臨沂 276699；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

引言

水穩(wěn)基層因板體性好、強(qiáng)度大、耐久性強(qiáng)等性能廣泛應(yīng)用于我國(guó)公路基層建設(shè)中［1-3］，然而伴隨水穩(wěn)基層大量應(yīng)用，其自身短板也漸漸顯現(xiàn)。水泥穩(wěn)定碎石混合料是由粗集料、細(xì)集料、水泥和水按一定比例均勻拌和而成的一種混合料，組成材料自身性能是影響混合料性能的首要因素，研究發(fā)現(xiàn)［4-9］，拌合工藝的改進(jìn)可較好地改善材料性能，基于顆粒流理論［10-14］的水泥穩(wěn)定碎石混合料新型拌合工藝，先將粗集料與水泥漿攪拌，待攪拌一定時(shí)間后再將細(xì)集料加入攪拌，該技術(shù)通過(guò)改變水穩(wěn)混和料拌合過(guò)程中各檔集料顆粒加入的拌合順序，實(shí)現(xiàn)水泥漿與集料的靶向結(jié)合，改善了拌合均勻性和集料裹附程度，充分發(fā)揮材料各組分優(yōu)勢(shì)，提高混合料性能。

1 試驗(yàn)方案及混合料設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方案

相同試驗(yàn)環(huán)境下，主要通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓彈性模量及干縮試驗(yàn)，對(duì)基于兩種攪拌方式（現(xiàn)行常規(guī)拌合技術(shù)/基于顆粒流理論的新型攪拌技術(shù)）、不同水泥劑量和不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥穩(wěn)定碎石混合料性能對(duì)比分析，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案

1.2 混合料設(shè)計(jì)

1.2.1 原材料

（1）集 料。選用20 ～30 mm、10 ～20 mm、5～10 mm碎石和0～5 mm石屑四檔優(yōu)質(zhì)粗、細(xì)石料，所選集料指標(biāo)均滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/TF20—2015）要求，主要指標(biāo)見(jiàn)表2。（2）水泥。水泥選用P.O 32.5 普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)滿足《水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)規(guī)范》（DB 37/T 3577—2019）要求。（3）水。試驗(yàn)用水選用可飲用地下水，各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)均滿足《水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)規(guī)范》（DB 37/T 3577—2019）要求。

表2 粗、細(xì)集料主要技術(shù)指標(biāo)

1.2.2 級(jí)配選擇

選用骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，并按照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/TF20—2015）所推薦級(jí)配范圍值進(jìn)行設(shè)計(jì)，水泥穩(wěn)定碎石混合料合成級(jí)配見(jiàn)表3，級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

表3 優(yōu)化后水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配

圖1 優(yōu)化后水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配曲線

2 性能試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

參照試驗(yàn)規(guī)程［15］，對(duì)兩種不同攪拌工藝成型的水泥穩(wěn)定碎石混合料試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同水泥劑量水泥穩(wěn)定碎石混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖2 可知，兩種拌合技術(shù)水泥穩(wěn)定碎石混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著水泥劑量的增加不斷增大；同一水泥劑量下，基于顆粒流理論的新型拌合技術(shù)的水穩(wěn)混合料強(qiáng)度更大，約提升36.8%；且混合料變異系數(shù)更小，約降低39.2%；水泥劑量較低時(shí)，新型拌合技術(shù)的水泥穩(wěn)定碎石混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度更大，表明在相同設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)要求下，新型拌合工藝可以實(shí)現(xiàn)降低水穩(wěn)混合料的水泥劑量。

選用4.5%水泥劑量的水穩(wěn)混合料進(jìn)行不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，見(jiàn)圖3。

圖3 不同齡期水泥穩(wěn)定碎石混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖3 可知，基于兩種拌合技術(shù)的水泥混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期增加不斷增大；相同養(yǎng)護(hù)齡期下，基于顆粒流理論拌合工藝的水穩(wěn)混合料強(qiáng)度更大，表明新型拌合工藝可以提高其早期強(qiáng)度，在更短養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)滿足下一階段施工強(qiáng)度指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)縮短水穩(wěn)混合料的養(yǎng)護(hù)齡期。

2.2 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

按照試驗(yàn)規(guī)程［15］進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)（間接拉伸試驗(yàn)），對(duì)基于不同拌合工藝的不同齡期（4.5%水泥劑量）、不同水泥劑量（7 d 養(yǎng)護(hù)齡期）水穩(wěn)混合料的彎拉性能分析評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同拌合工藝水泥穩(wěn)定碎石混合料劈裂強(qiáng)度

由圖4可知，水穩(wěn)混合料劈裂強(qiáng)度與齡期正相關(guān)，與常規(guī)拌合工藝相比，基于顆粒流理論拌合工藝的水穩(wěn)混合料抗裂性能更佳，強(qiáng)度提升更快，劈裂強(qiáng)度提高約18.53%；新型拌合技術(shù)在低水泥劑量下，混合料劈裂強(qiáng)度可達(dá)到較高水準(zhǔn)，其3.0%、3.5%、4.0%、4.5%水泥劑量下的劈裂強(qiáng)度分別達(dá)到常規(guī)拌合3.5%、4.0%、4.5%、5.0%水泥劑量的強(qiáng)度水平。

2.3 抗壓回彈模量

對(duì)基于兩種拌合工藝成型的12 個(gè)水穩(wěn)混合料試件進(jìn)行抗壓回彈模量試驗(yàn)，對(duì)不同水泥劑量的水穩(wěn)混合料模量分析，試驗(yàn)結(jié)果（模量均值）見(jiàn)圖5。

圖5 不同拌合工藝水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓回彈模量

由圖5 可知，兩種拌合工藝的水穩(wěn)混合料彈性模量均隨著水泥劑量增加不斷增大，與常規(guī)拌合技術(shù)相比，基于顆粒流理論拌合工藝的水穩(wěn)混合料彈性模量更大，當(dāng)水泥劑量＜4.5%時(shí)，模量約提升35%；當(dāng)水泥劑量＞4.5%時(shí)，模量約提升10%，相同水泥劑量下呈現(xiàn)高強(qiáng)度高模量現(xiàn)象，表明基于顆粒流理論的新型拌合技術(shù)能夠在考慮材料抗裂性能方面獲得相對(duì)較大的強(qiáng)度要求。

2.4 干縮性能

成型梁式試件，對(duì)兩種拌合技術(shù)的水穩(wěn)混合料進(jìn)行干縮試驗(yàn)，對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期下混合料的干縮性能分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同拌合工藝水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮對(duì)比

由圖6 可知，水泥穩(wěn)定碎石混合料隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，其干縮量、失水率、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)均增長(zhǎng)；14 d 養(yǎng)護(hù)齡期下，基于顆粒流理論拌合工藝的水穩(wěn)混合料干縮相對(duì)較小，其干縮性能更佳，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，混合料干縮對(duì)比更佳明顯，累積干縮量約減小18.1%，累積失水率減小約4.6%，累積干縮系數(shù)減小約18.6%，表明基于顆粒流理論的新型拌合技術(shù)可以有效改善混合料的拌合均勻性及集料間的有機(jī)組合，降低了材料的干縮參數(shù)，明顯改善提高了水穩(wěn)混合料的抗開(kāi)裂性能。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）相同室內(nèi)試驗(yàn)條件下，與現(xiàn)行常規(guī)拌合技術(shù)相比，基于顆粒流理論拌合技術(shù)的水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度和模量更大。（2）基于顆粒流理論拌合技術(shù)的水泥穩(wěn)定碎石混合料拌合均勻性更好，混合料偏差/變異系數(shù)、累積干縮量、干縮系數(shù)及累積失水率更低，混合料耐久抗裂性能變現(xiàn)更佳。（3）在相同設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)下，基于新型拌合技術(shù)的水穩(wěn)混合料可以降低水泥劑量及縮短養(yǎng)護(hù)齡期。