聚合物碾壓混凝土農(nóng)村公路實(shí)驗(yàn)研究*

王 軒，張艷華

（河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院橋梁智能監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450000；河南省高速公路科普基地，河南 鄭州 450000）

1 研究背景

水泥穩(wěn)定碎石基層產(chǎn)生反射裂縫是半剛性材料常見的病害，有設(shè)計(jì)的因素影響也有施工的原因，其中施工環(huán)節(jié)較多，每一個(gè)環(huán)節(jié)都有可能帶來不確定性，其中較大的因素是穩(wěn)定碎石混合料拌和與養(yǎng)護(hù)，普通的拌和設(shè)備很難達(dá)到充分拌和均勻的理想狀態(tài)，后期養(yǎng)護(hù)過程中的溫縮和干縮也是不可忽略的重要因素[1-2]。反射裂縫處除了影響道路的正常行車外，雨水的滲入加劇了病害的發(fā)展，造成基層脫空或唧泥，直接影響路基強(qiáng)度和承載力，給行車帶來安全隱患，縮短道路的使用壽命[3]。水泥穩(wěn)定碎石施工時(shí)采用振動(dòng)攪拌技術(shù)，不僅能提升混合料的拌和均勻性，改善和易性，同時(shí)可以節(jié)省水泥，縮短拌和時(shí)間，能有效地減少由拌和質(zhì)量不均帶來的水穩(wěn)基層病害的發(fā)生[4]。比較普通攪拌雙拌缸機(jī)械和振動(dòng)攪拌機(jī)械所生產(chǎn)混合料的技術(shù)指標(biāo)，通過檢測(cè)實(shí)驗(yàn)路段表明，采用振動(dòng)攪拌技術(shù)不僅有效改善和穩(wěn)定材料微觀均勻性與結(jié)構(gòu)，提高水泥穩(wěn)定碎石混合料拌和的和易性，還能明顯減少離析現(xiàn)象的產(chǎn)生，在同樣的強(qiáng)度保證下可以減少水泥用量，減少和延緩反射裂縫產(chǎn)生，耐久性顯著提高[5]。項(xiàng)目研究依托某縣鄉(xiāng)道路施工，開展水泥混凝土聚合物碾壓路面設(shè)計(jì)與施工，對(duì)新農(nóng)村公路建設(shè)實(shí)際道路設(shè)計(jì)案例進(jìn)行分析研究，旨在對(duì)基層道路鄉(xiāng)村振興使用過程中提高農(nóng)村碾壓混凝土公路強(qiáng)度和承載力，提高公路的使用品質(zhì)，有效減少農(nóng)村道路半剛性基層出現(xiàn)的反射裂縫等常見病害，提高路面的摩擦系數(shù)和耐磨、防水、耐久等問題的困惑，同時(shí)提高農(nóng)村道路的使用率，提高農(nóng)村公路的使用品質(zhì)，助力美麗農(nóng)村建設(shè)和國(guó)家的新農(nóng)村脫貧攻堅(jiān)。項(xiàng)目通過探索研究試驗(yàn)路段，在目前農(nóng)村道路養(yǎng)護(hù)條件受限的情況下，開展農(nóng)村公路碾壓混凝土受力特點(diǎn)、配合比、施工工藝、施工技術(shù)條件、工程養(yǎng)護(hù)等指標(biāo)試驗(yàn)，通過工程實(shí)例驗(yàn)證農(nóng)村公路含有聚合物表層的碾壓混凝土路面承載能力高、可承受適量重載交通等優(yōu)勢(shì)，研究成果對(duì)建設(shè)“四好”農(nóng)村公路、美麗鄉(xiāng)村振興具有積極意義。

2 振動(dòng)攪拌作用機(jī)理分析

2.1 聚合物改性水泥混凝土存在的問題

農(nóng)村公路是公路網(wǎng)重要組成部分，是農(nóng)村發(fā)展最重要的公共基礎(chǔ)設(shè)施之一，聚合物碾壓混凝土公路設(shè)計(jì)是一種較為實(shí)用的基層道路結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)在水泥用量少，施工中含水量低，不影響農(nóng)村道路的正常通行，施工速度快，交通開放早，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)。目前河南省對(duì)農(nóng)村公路建設(shè)的重視程度還有待提高，結(jié)合農(nóng)村時(shí)間條件對(duì)適合鄉(xiāng)村道路的相關(guān)研發(fā)滯后，路面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，養(yǎng)護(hù)管理基本以日常清掃為主，其他措施較少，工程設(shè)計(jì)受造價(jià)因素制約一般多采用就地取材，交通組成以輕交通量為主，重載交通少，但交通增長(zhǎng)率較快，影響農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民的脫貧致富。采用混凝土路面設(shè)計(jì)，雖然耐久性好、強(qiáng)度高，但工程造價(jià)、施工機(jī)械化方面都無法有較明顯的提高，制約了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，改善農(nóng)村道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在碾壓混凝土?xí)r摻入一定的聚合物，采用振動(dòng)攪拌技術(shù)，提高施工的和易性，有效提高強(qiáng)度和耐久性，有一定的積極意義。振動(dòng)攪拌的聚合物混凝土是一種多相非均質(zhì)材料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，添加的聚合物種類繁多，外加擠、摻量及養(yǎng)護(hù)等因素均會(huì)造成影響，主要表現(xiàn)在聚合物價(jià)格偏高，與混凝土相比，纖維聚合物成本較高，導(dǎo)致纖維聚合物難以大面積推廣，常作修補(bǔ)、防腐內(nèi)襯等[6]；纖維高聚合物碾壓混凝土目前沒有統(tǒng)一的成型工藝，多采用經(jīng)驗(yàn)施工，高標(biāo)準(zhǔn)的施工工藝難以大規(guī)模推廣使用；纖維高聚合物對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響研究也較少，沒有進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析，很多試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析出的研究結(jié)論差異較大，同時(shí)多數(shù)學(xué)者研究認(rèn)為纖維聚合物對(duì)混凝土強(qiáng)度存在負(fù)面影響，但也有部分研究試驗(yàn)證明，摻加適量纖維聚合物對(duì)混凝土強(qiáng)度是有利的，可以提高抗壓強(qiáng)度[7]。

2.2 連續(xù)攪拌設(shè)備的工作流程

使用水泥穩(wěn)定攪拌設(shè)備，將水泥、集料、水以及外加劑等原材料，按施工配合比設(shè)計(jì)的比例混合，經(jīng)過一系列的物理攪拌過程，形成一定含水量要求的符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的混合料，通過運(yùn)輸攤鋪和碾壓形成一定強(qiáng)度的路面基層。目前工程使用的混合料攪拌設(shè)備有多種規(guī)格型號(hào)，雖然結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在差異，但總體原理基本一致，只是不同設(shè)備功能和結(jié)構(gòu)組成略有不同。

工程實(shí)踐中，設(shè)備攪拌施工的工作流程是：原材料分類設(shè)置，不同檔次不同規(guī)格的礦料分別對(duì)應(yīng)不同的機(jī)組料倉(cāng)，采用裝載機(jī)裝入各料倉(cāng)中，調(diào)整運(yùn)輸料的皮帶速度，設(shè)定好參數(shù)，按照配合比設(shè)計(jì)，由集料皮帶輸送機(jī)輸送到攪拌機(jī)中，各集料的配比設(shè)計(jì)采用施工配合比；水泥或石灰等黏結(jié)料由結(jié)合料儲(chǔ)存配給系統(tǒng)，設(shè)定連續(xù)計(jì)量參數(shù)，連續(xù)計(jì)量并輸送到攪拌機(jī)中；施工拌和用水，采用流量計(jì)計(jì)量，將準(zhǔn)確計(jì)量的水泵送到攪拌機(jī)中；通過主機(jī)攪拌，將各種材料均勻拌和，按照一定的攪拌時(shí)間拌制，最后形成色澤均勻的成品混合料；攪拌結(jié)束后，用成品料皮帶輸送到儲(chǔ)料斗中，然后運(yùn)輸至工地?cái)備伜湍雺撼尚汀?/p>

拌和時(shí)因集料種類不同，需設(shè)置不同的倉(cāng)位分別對(duì)應(yīng)，無論采用獨(dú)立計(jì)量還是累計(jì)計(jì)量均應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，將準(zhǔn)確計(jì)量的集料運(yùn)輸至攪拌主機(jī)進(jìn)行攪拌；粉料配料系統(tǒng)是存儲(chǔ)計(jì)量粉料（如水泥、粉煤灰等）的裝置，采用儲(chǔ)存、計(jì)量、輸送一體化設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)連續(xù)稱量減法秤，通過連續(xù)地?cái)嚢鑼⒓?、粉料、液態(tài)原材料、添加劑等充分拌和。

2.3 現(xiàn)有攪拌技術(shù)可以改進(jìn)之處

續(xù)式雙臥軸攪拌機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式分為垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)，2 種類型的運(yùn)動(dòng)方式混合作業(yè)，混合料垂直運(yùn)動(dòng)的翻拌方式，與常見的間歇式攪拌機(jī)作用原理近似，利用重力作用，傳動(dòng)軸葉片滾動(dòng)帶動(dòng)混合料上升下落來進(jìn)行攪拌。水平運(yùn)動(dòng)作業(yè)的翻拌，用2 根軸上的葉片同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變混合料的運(yùn)動(dòng)軌跡，推動(dòng)混合料在水平方向沿同一方向運(yùn)動(dòng)，使拌缸的混合料向統(tǒng)一方向運(yùn)動(dòng)到輸送設(shè)備上運(yùn)輸。

自落式與強(qiáng)制式攪拌機(jī)械是工程上普遍采用的機(jī)械，強(qiáng)制攪拌技術(shù)多用于拌制穩(wěn)定土，實(shí)踐表明，連續(xù)式強(qiáng)制攪拌機(jī)械使用功能明顯不足。

攪拌時(shí)間相對(duì)較短，均勻性不足，水泥穩(wěn)定碎石微觀勻質(zhì)性差。如水泥穩(wěn)定碎石采用雙臥軸連續(xù)攪拌施工，普通連續(xù)式攪拌機(jī)工作過程中，攪拌時(shí)間基本設(shè)定在10 s 以內(nèi)，時(shí)間較短是微觀均勻性差的主要原因，水泥等粘合料沒有完全散水化，水分與細(xì)粉料沒有完全結(jié)合，結(jié)構(gòu)中水泥水化不充分，水化后的水泥等粉料與粗骨料不能充分?jǐn)嚢?，水泥有團(tuán)聚現(xiàn)象，結(jié)果是造成水泥浪費(fèi)，水化不徹底，混合料孔隙率高，凝結(jié)硬化過程受到影響，直接影響穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度。

機(jī)械攪拌線速度不高是造成效率低的主要原因。采用雙臥軸連續(xù)攪拌水泥混合料，提高攪拌的勻質(zhì)性，提升混合料拌和質(zhì)量與效率，就需要加大轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，但是提高轉(zhuǎn)速會(huì)帶來較大的離心力，高速旋轉(zhuǎn)的混合料容易造成混合料的離析出現(xiàn)，勻質(zhì)性反而會(huì)下降，攪拌葉片高速轉(zhuǎn)動(dòng)不僅離心力大易離析，同時(shí)容易產(chǎn)生骨料二次破碎和分層，葉片容易磨損，能耗增大不經(jīng)濟(jì)。

靜力攪拌和強(qiáng)制攪拌都存在速度轉(zhuǎn)動(dòng)的梯度差異和攪拌低能效區(qū)。采用常見的雙臥軸連續(xù)攪拌施工，圓形的攪拌臂及其葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，中心部分的線速度慢，圓筒遠(yuǎn)端靠近拌筒壁的地方線速度快，這種速度梯度造成速度由中心向遠(yuǎn)端遞減，混合料在不同速度的轉(zhuǎn)動(dòng)下形成不同速度攪拌區(qū)，拌筒中心部位速度慢，混合料充分?jǐn)嚢璧臋C(jī)會(huì)減少，形成攪拌低效區(qū)。

3 水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)攪拌效果分析

3.1 振動(dòng)攪拌能有效改善混合料水泥團(tuán)現(xiàn)象

穩(wěn)定碎石較多采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，碎石為骨料形成支撐，摩擦系數(shù)較大，骨料間的嵌擠作用是強(qiáng)度主要來源，骨料間的空隙則由細(xì)集料和水泥漿填充?；旌狭现兴嗨Y(jié)過程中隨著齡期時(shí)間的推移，強(qiáng)度逐漸形成，最終形成致密的結(jié)構(gòu)，所以骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的水泥結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，混合料水泥攪拌的均勻程度和水化程度是混合料強(qiáng)度的決定性因素。

實(shí)踐證明，普通靜力攪拌影響混合料均勻性的較多，一般情況下仍有10%～30%的水泥顆粒沒有分散開，容易造成水泥團(tuán)結(jié)，影響水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度，即使經(jīng)過充分?jǐn)嚢枰埠茈y達(dá)到完全分散。采用振動(dòng)攪拌技術(shù)，拌和時(shí)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，一定的振幅和頻率振動(dòng)增加水泥顆粒的運(yùn)動(dòng)次數(shù)，充分參與循環(huán)對(duì)流，在攪拌中增大剪切作用，有效緩解水泥的團(tuán)結(jié)現(xiàn)象，減少水泥聚團(tuán)顆粒，增加振動(dòng)能量，破壞了水泥膠結(jié)物的黏性連接，促使水泥顆粒均勻分布，提高水化程度，改善混合料的勻質(zhì)性，提高水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度。

3.2 振動(dòng)攪拌凈化粗骨料增強(qiáng)粘結(jié)強(qiáng)度

水泥穩(wěn)定碎石施工，混合料中水泥漿硬化膠結(jié)后，包裹在骨料表面，將砂石等骨料膠結(jié)成整體凝結(jié)硬化，從力學(xué)強(qiáng)度角度分析，粗骨料的強(qiáng)度要高于水泥石的強(qiáng)度，骨料表面與水泥石的粘結(jié)力是最小的，在水泥與骨料的界面處形成界面過渡區(qū)，界面過渡區(qū)則是混合料強(qiáng)度最薄弱的區(qū)域。

采用普通的靜力機(jī)械混合料攪拌時(shí)，粗集料表面或多或少會(huì)粘附部分灰塵，在拌和過程中吸附水分子，比較容易產(chǎn)生水膜，水膜界面會(huì)影響水泥顆粒與骨料的緊密粘結(jié)，造成粘結(jié)力降低，同時(shí)水泥水化產(chǎn)生晶體結(jié)構(gòu)粘附在骨料表面，部分會(huì)產(chǎn)生疏松，降低了水泥與骨料的粘結(jié)。使用振動(dòng)攪拌，攪拌軸振動(dòng)產(chǎn)生的波動(dòng)能量消除集料表面的水膜，加強(qiáng)水泥顆粒與骨料表面的緊密結(jié)合，增加混合料的均勻性，有效地凈化粗骨料的接觸面，提高混合料的粘結(jié)性能。

將普通機(jī)械拌和和振動(dòng)機(jī)械拌和的混合料粗集料進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室放大后觀察粗集料表面，采用普通機(jī)械拌和，水化產(chǎn)物和粗細(xì)骨料接觸界面的過渡相結(jié)構(gòu)疏松，孔洞及縫隙明顯存在，而采用振動(dòng)機(jī)械攪拌的混合料則相對(duì)密實(shí)均質(zhì)，結(jié)構(gòu)緊密，縫隙和裂紋不明顯，粘結(jié)效果明顯高于普通攪拌后的混合料。繼續(xù)放大2000 倍發(fā)現(xiàn)，采用振動(dòng)攪拌的混合料，水化形成的硅酸鈣凝膠顆粒結(jié)構(gòu)粗大密實(shí)聯(lián)系，單個(gè)顆粒不明顯，普通攪拌的水化硅酸鈣凝膠顆細(xì)小松散，散落于骨料界面。實(shí)踐證明：采用振動(dòng)攪拌的混合料骨料與水化物粘結(jié)更緊密，均勻性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯提高。

3.3 振動(dòng)攪拌可以有效改善攪拌低效區(qū)拌和效果

采用普通靜力攪拌技術(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸靠近軸心部分線速度低，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸圓周拌筒壁處線速度快，拌軸圓周遠(yuǎn)端物料相互攪拌碰撞的速度頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于拌軸中心處的物料，造成攪拌均勻性較差。采用振動(dòng)攪拌技術(shù)，高速旋轉(zhuǎn)的振動(dòng)軸產(chǎn)生振動(dòng)波，以振動(dòng)軸為振源中心，混合料通過傳播介質(zhì)，自波源振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)波依次沿著各個(gè)方向傳播，靠近振源振動(dòng)能量越強(qiáng)，料吸收的振動(dòng)能量越充足，拌和越均勻效果越好，遠(yuǎn)離振源振動(dòng)能量越弱，振動(dòng)能量會(huì)逐漸衰減，吸收振動(dòng)能量偏少，這種振動(dòng)能量梯度的產(chǎn)生，與速度梯度可以形成優(yōu)劣互補(bǔ)，有效改善振動(dòng)軸心處低效區(qū)混合料拌和效果。

振動(dòng)攪拌使混合料逐漸從筒壁處推向攪拌軸附近，往復(fù)循環(huán)，形成循環(huán)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，吸收振動(dòng)能量后被攪拌葉片轉(zhuǎn)動(dòng)推移到筒壁遠(yuǎn)端進(jìn)行頻率交換擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，在攪拌的同時(shí)加以振動(dòng)作用，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)能量梯度與攪拌線速度梯度的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，能有效地克服普通靜力攪拌產(chǎn)生低效區(qū)的缺陷，改善混合料均勻性及拌和效果。

4 工程應(yīng)用

本項(xiàng)目五龍路（開元大道至富士路）路面工程，起點(diǎn)與開元大道交叉，向東經(jīng)過弘農(nóng)北路、解放北路、河濱西路后，經(jīng)大橋跨越弘農(nóng)澗河，繼續(xù)向東經(jīng)河濱東路、物華路，終點(diǎn)止于富士路平面交叉處。項(xiàng)目起點(diǎn)為 K0+116，項(xiàng)目終點(diǎn)為樁號(hào) K2+455，里程2.339 km，設(shè)計(jì)40 km/h。交通量大且主要以重載貨車為主，五龍路車輛碾壓且每天灑水降塵致使出現(xiàn)不同程度損壞，對(duì)此段路面進(jìn)行修復(fù)。招標(biāo)范圍：路面、標(biāo)線、公交站硬化（不含候車亭）、人行道更換等。道路現(xiàn)狀為開元大道-河濱路兩側(cè)人行道6 m＋行車道18 m=30 m，瀝青混凝土路面?；彝聊嘟Y(jié)卵石結(jié)構(gòu)約20 cm 厚，K0+350～K1+275 基層水泥碎石，18 cm 厚處病害嚴(yán)重。

道路水泥穩(wěn)定基層，混凝土是干硬性混凝土，振動(dòng)壓實(shí)壓密形成，抗壓等級(jí)低于C15，水泥用量小于200 kg/m3，具有承載力高、抵抗沉降力強(qiáng)、收縮小、施工快、成本低特點(diǎn)，實(shí)地調(diào)研，就地取材，料源、規(guī)格、品種不同分批檢測(cè)和存儲(chǔ)，場(chǎng)地硬化處理，排水良好。采用振動(dòng)攪拌技術(shù)設(shè)備生產(chǎn)水泥穩(wěn)定碎石，采用萬里交通德通DT600ZBT 型高性能穩(wěn)定土振動(dòng)攪拌站，保持原材料、配合比和碾壓工藝等不變，配合比設(shè)計(jì)水泥劑量為4.0%，各集料實(shí)際比例為19～31.5 mm 碎石∶9.5～19 mm 碎石∶4.75～9.5 mm 碎石∶0～4.75 mm 石屑=200∶440∶130∶230。進(jìn)行了混合料室內(nèi)試件成型試件無側(cè)線抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)攪拌比雙拌缸普通攪拌強(qiáng)度提高15%，變異系數(shù)降低22%，施工效果顯著提高。采用不同壓實(shí)度進(jìn)行研究表明，壓實(shí)度越高性能越好，0.96～0.98時(shí)穩(wěn)定嵌擠結(jié)構(gòu)，兩種指標(biāo)劈裂、抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)最快；在抗裂性能測(cè)試中，當(dāng)摻量聚合物纖維0.1%時(shí)，有利于增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度，過多反而下降；適量摻量利于保證抗折和劈裂強(qiáng)度。摻量0.2%時(shí)26 mm長(zhǎng)度強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，利于拉壓比，摻量0.1%～0.2%時(shí)纖維26 mm效果最明顯。

5 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)有水泥穩(wěn)定碎石攪拌設(shè)備進(jìn)行比較，分析了現(xiàn)有普通靜力攪拌技術(shù)存在的短板與不足和采用振動(dòng)攪拌技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，研究了基于振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)混合料的性能影響及作用機(jī)理。實(shí)踐證明，振動(dòng)攪拌技術(shù)有效改善攪拌低效區(qū)的強(qiáng)度，減少離析，能有效改善水泥穩(wěn)定碎石水泥團(tuán)現(xiàn)象，提高混合料的勻質(zhì)性，凈化粗骨料表面，增強(qiáng)粘結(jié)強(qiáng)度，在滿足強(qiáng)度指標(biāo)的條件下，減少水泥劑量，同樣能達(dá)到靜力攪拌的施工效果。