振動(dòng)攪拌對水泥穩(wěn)定碎石路用性能的影響及效益分析

作者簡介：

劉憲林（1996—），碩士，主要從事高速公路施工管理工作。

文章依托試驗(yàn)路工程應(yīng)用，研究振動(dòng)攪拌技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能的影響，并進(jìn)行效益分析。結(jié)果表明：振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料的拌和效果、攤鋪效果、碾壓效果、芯樣效果及強(qiáng)度指標(biāo)均明顯優(yōu)于普通攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料；相較于普通攪拌工藝，振動(dòng)攪拌工藝可節(jié)約水泥劑量約0.5%；相比設(shè)備費(fèi)用增長以及生產(chǎn)效率略微降低，振動(dòng)攪拌技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著，工程推廣應(yīng)用價(jià)值很大。

振動(dòng)攪拌；水泥穩(wěn)定碎石；路用性能；效益分析

中圖分類號：U416.04 A 12 035 4

0 引言

我國至少90%以上的高等級公路采用水泥穩(wěn)定碎石基層，因水泥穩(wěn)定碎石基層具有整體性好、強(qiáng)度高、承載力強(qiáng)、對原材料要求相對較低和工程造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，在公路建設(shè)中扮演了重要角色。然而，由于水泥穩(wěn)定碎石基層拌和不均勻等問題，極易導(dǎo)致基層強(qiáng)度和耐久性不足，會(huì)影響道路的使用壽命［1-5］。近年來，振動(dòng)攪拌工藝逐漸在各地推廣應(yīng)用，其在普通攪拌機(jī)器上加入激振器，通過傳動(dòng)裝置傳遞到振動(dòng)軸，在對水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行強(qiáng)制攪拌的同時(shí)加以振動(dòng)作用，使水泥穩(wěn)定碎石混合料拌和更加均勻，水泥水化物可充分彌散，在不降低水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的前提之下，降低水泥用量。同時(shí)，由于改進(jìn)了拌和工藝，需對級配進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，從而提高了水泥穩(wěn)定碎石的路用性能［6-10］。馮西寧等［11-12］等通過試驗(yàn)對比振動(dòng)攪拌技術(shù)與普通攪拌技術(shù)，表明振動(dòng)攪拌可降低水泥用量、提高強(qiáng)度、減少施工離析和基層開裂。趙悟等［13］通過微觀試驗(yàn)研究振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石均勻性，表明振動(dòng)攪拌可有效分散水泥顆粒材料，提高其拌和均勻性。郭子強(qiáng)等［14-15］研究認(rèn)為振動(dòng)攪拌工藝能夠較大程度地提高水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度，減少開裂現(xiàn)象，應(yīng)用價(jià)值較大。

綜上所述，目前的研究主要集中于振動(dòng)攪拌技術(shù)對水穩(wěn)碎石某一具體性能的影響，本文對振動(dòng)攪拌工藝與普通攪拌工藝的實(shí)際路用性能進(jìn)行全方位對比，并進(jìn)行效益分析，得出振動(dòng)攪拌工藝在水泥穩(wěn)定碎石基層中的工程推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)路方案及原材料

1.1 試驗(yàn)路方案

試驗(yàn)路位于廣西大新至憑祥高速公路，在試驗(yàn)路鋪筑不同水泥劑量和不同拌和工藝下的水泥穩(wěn)定碎石混合料對比其路用性能。本項(xiàng)目常規(guī)拌和方式下水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)水泥劑量為4.5%。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果，現(xiàn)場試驗(yàn)路采用振動(dòng)拌和方案，設(shè)計(jì)3.5%、4.0%和4.5%三個(gè)水泥劑量與常規(guī)拌和方式進(jìn)行對比，各水泥劑量試驗(yàn)段均鋪筑300 m，且水泥穩(wěn)定碎石混合料的運(yùn)輸、攤鋪、碾壓工藝均按現(xiàn)有施工工藝執(zhí)行。具體鋪筑對比方案如表1所示。

1.2 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 原材料技術(shù)性能

水泥：采用P.C32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥，按照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG F20-2015）規(guī)定，所用水泥初凝時(shí)間＞3 h，終凝時(shí)間＞6 h且＜10 h，3 d膠砂強(qiáng)度應(yīng)＞10.0 MPa，28 h膠砂強(qiáng)度＞32.5 MPa。其相關(guān)指標(biāo)經(jīng)試驗(yàn)均符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）的要求，其技術(shù)性能檢測結(jié)果如下頁表2所示。

集料：粗集料選用棱角性好、破碎面多、壓碎值小、針片狀含量小的碎石或礫石；細(xì)集料選擇雜質(zhì)少、清潔干燥、無風(fēng)化且具有適當(dāng)級配的顆粒。本項(xiàng)目采用自產(chǎn)料場生產(chǎn)的集料，共5檔規(guī)格：0～4 mm石屑、4～6 mm、6～11 mm、11～24 mm、24～32 mm碎石。各項(xiàng)指標(biāo)均符合《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG F20-2015）中對路面基層用料的要求，具體技術(shù)指標(biāo)如表3、表4所示。

振動(dòng)攪拌對水泥穩(wěn)定碎石路用性能的影響及效益分析/劉憲林，陳飛宏

1.2.2 級配范圍及強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）及施工圖設(shè)計(jì)文件，水泥穩(wěn)定碎石基層的推薦級配范圍如表5所示。

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）及施工圖設(shè)計(jì)文件，水泥穩(wěn)定碎石基層要求達(dá)到的壓實(shí)度及強(qiáng)度指標(biāo)如表6所示。

1.2.3 材料組成設(shè)計(jì)

根據(jù)粗、細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)及篩分結(jié)果，參考《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）中級配設(shè)計(jì)方法，確定水穩(wěn)碎石材料的配合比為1#∶2#∶3#∶4#∶5#=15%∶28%∶18%∶13%∶26%，具體設(shè)計(jì)結(jié)果見表7和圖1。

2 路用性能影響分析

2.1 拌和效果

采用振動(dòng)拌和工藝的水穩(wěn)混合料，粗、中、細(xì)集料摻配比例適宜，整體均勻性好，中、細(xì)集料均勻分散于粗料之間，結(jié)團(tuán)比例較小，且粗集料表面有充足的細(xì)料包裹，拌和效果優(yōu)良，有利于水泥水化及混合料整體強(qiáng)度的提升；普通拌和方式水穩(wěn)混合料，粗、中、細(xì)集料摻配比例也適宜，但整體均勻性較差，中、細(xì)料都各自較為集中分布，且粗料上表面很少或沒有包裹細(xì)料，拌和時(shí)離析，混合料拌和效果差。

2.2 攤鋪效果

對比普通拌和的水穩(wěn)混合料，振動(dòng)拌和水穩(wěn)混合料攤鋪后的表面紋理較為粗糙，細(xì)料更多地裹附于粗料表面，粘聚性較強(qiáng)，且振動(dòng)拌和條件下水穩(wěn)混合料的保水性較好，有利于后續(xù)混合料的碾壓成型。

2.3 碾壓效果

振動(dòng)拌和水穩(wěn)混合料碾壓后的表面平整度較好，無明顯的輪跡和微裂縫，粗細(xì)集料分布均勻，沒有明顯的離析帶；而普通拌和水穩(wěn)料碾壓后表面存在一定量的微裂隙，甚至局部出現(xiàn)離析，導(dǎo)致表面細(xì)料偏多。由壓實(shí)度數(shù)據(jù)可以看出，振動(dòng)拌和水穩(wěn)料的壓實(shí)度普遍高于普通拌和水穩(wěn)料。

通過表8可以看出，普通拌和的芯樣完整密實(shí)率為58%，而振動(dòng)拌和的芯樣完整密實(shí)率為75%。振動(dòng)拌和與普通拌和均存在部分分層和多孔現(xiàn)象，這可能和當(dāng)時(shí)的施工環(huán)境和施工水平有關(guān)。如施工時(shí)氣溫較高，層間水泥漿中水分的散失成為層間分層的主要原因。另外，可能有局部碾壓不到位的情況，同時(shí)壓路機(jī)的碾壓速度、激振力和碾壓遍數(shù)等均會(huì)影響芯樣的密實(shí)程度，并造成多孔現(xiàn)象?？傮w而言，振動(dòng)拌和芯樣的完整密實(shí)率好于普通拌和芯樣。

2.4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

經(jīng)過對兩種不同拌和條件下基層試驗(yàn)段鉆取的芯樣進(jìn)行篩選，選取13個(gè)表面密實(shí)、集料粗細(xì)較均勻的芯樣，切割、磨平后，對其進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試。測試結(jié)果如表9所示。

由表9可知，采用振動(dòng)拌和技術(shù)，水泥劑量為3.5%、4.0%、4.5%時(shí)的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值分別為5.3 MPa、6.4 MPa、7.1 MPa，代表值分別為4.6 MPa、5.6 MPa、6.3 MPa。普通拌和4.5%水泥劑量的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值為6.2 MPa，代表值為5.1 MPa。

同為4.0%的水泥劑量，振動(dòng)拌和比普通拌和強(qiáng)度均值提高了16.4%，代表值提高了16.7%；同為4.5%的水泥劑量，振動(dòng)拌和比普通拌和強(qiáng)度均值提高了14.5%，代表值提高了23.5%。可見，水泥劑量相同時(shí)，振動(dòng)拌和技術(shù)可顯著提高水泥穩(wěn)定碎石材料的強(qiáng)度。

2.5 施工變異性

兩種拌和工藝的施工變異性對比如表10所示。

通過表10可以看出，振動(dòng)拌和水穩(wěn)料施工變異系數(shù)要明顯低于普通拌和，4.0%水泥劑量的變異系數(shù)從9.11%降低為7.41%，降低幅度為18.7%；4.5%水泥劑量的變異系數(shù)從11.55%降低為7.48%，降低幅度為35.2%?？梢姡捎谜駝?dòng)拌和工藝，施工變異性改善較為明顯，且水泥摻量越大，改善越明顯。

3 效益分析

3.1 節(jié)約水泥效益分析

由表11、表12可以看出，采用振動(dòng)拌和技術(shù)降低了水泥設(shè)計(jì)用量0.5%，直接節(jié)省水泥約2 700 t，經(jīng)濟(jì)效益約為108萬元。通過表13可以看出，采用振動(dòng)拌和技術(shù)生產(chǎn)的混合料約為54萬t，采用普通拌和技術(shù)生產(chǎn)的約為82.6萬t。從表中可以看到，間接節(jié)省水泥約6 323 t，節(jié)省水泥費(fèi)用約252.92萬元。綜合上述直接與間接經(jīng)濟(jì)效益分析可以看到，振動(dòng)拌和技術(shù)的應(yīng)用，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益108萬元，間接經(jīng)濟(jì)效益252.92萬元，總經(jīng)濟(jì)效益達(dá)360.92萬元。

3.2 設(shè)備費(fèi)用分析

振動(dòng)拌和與普通拌和的設(shè)備費(fèi)用、折舊情況以及使用壽命對比如表14所示。

通過表14可以看出，振動(dòng)拌缸600T的市場價(jià)大約為41萬元，普通拌缸600T的市場價(jià)約為16萬元。按照35%的折舊率計(jì)算，振動(dòng)拌缸每個(gè)項(xiàng)目的折舊費(fèi)用約為14.35萬元，普通拌缸的折舊費(fèi)用約為5.6萬元。就單個(gè)項(xiàng)目來看，采用振動(dòng)拌缸，設(shè)備折舊增加的成本約為8.75萬元。

因此，相較于振動(dòng)拌和技術(shù)在水泥穩(wěn)定碎石材料各項(xiàng)性能以及減少的水泥用量等方面所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)備增加的成本可以忽略不計(jì)。

3.3 生產(chǎn)效率分析

四種不同拌和工藝的拌和參數(shù)對比如表15所示。

通過表15可以看出，振動(dòng)拌和工藝的拌和時(shí)間略長于普通拌和，一次振動(dòng)拌和時(shí)間大約為10～12 s，一次普通拌和時(shí)間大約為8～10 s；二次普通拌和時(shí)間為16～20 s，而二次振動(dòng)拌和（普通拌和+振動(dòng)拌和）時(shí)間為18～22 s。由此可以看出，振動(dòng)拌和比普通拌和的時(shí)間平均增加了2 s左右。

此外，振動(dòng)拌缸的攪拌葉片與水平軸的傾斜角為45°，而普通拌缸為60°；同種型號的（比如600型）振動(dòng)拌缸比普通拌缸長度略長。不管是攪拌葉片傾斜角的適度減小還是拌缸的加長，都會(huì)造成拌和時(shí)間的略微延長與生產(chǎn)效率的略微降低，但卻提升了混合料的拌和效果和使用性能。

4 結(jié)語

本文通過試驗(yàn)路鋪筑，從應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益等方面對振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行了全方位分析，主要結(jié)論如下：

（1）從施工外觀效果來看，無論是拌和、攤鋪、碾壓還是芯樣結(jié)構(gòu)的均勻性和密實(shí)性，振動(dòng)拌和均好于普通拌和。

（2）同樣在4.0%的水泥劑量水平，相比普通拌和，振動(dòng)拌和水穩(wěn)基層的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值提高了16.4%，代表值提高了16.7%；同為4.5%的水泥劑量，振動(dòng)拌和比普通拌和強(qiáng)度均值提高了14.5%，代表值提高了23.5%。

（3）振動(dòng)拌和采用4.0%的水泥劑量，其7 d強(qiáng)度的代表值比普通拌和4.5%水泥劑量的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值還高出10%左右，可節(jié)省水泥設(shè)計(jì)劑量約0.5%。

（4）振動(dòng)拌和技術(shù)可大幅降低強(qiáng)度變異系數(shù)，且水泥用量越大，施工變異性改善越明顯。

（5）相比設(shè)備費(fèi)用增長以及生產(chǎn)效率略微降低，振動(dòng)攪拌技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有工程推廣應(yīng)用價(jià)值。

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收稿日期：2022-10-16