振动搅拌技术在水泥稳定碎石中的应用研究

江仲明

（安徽公路桥梁工程有限公司，安徽 合肥 230001）

0 引言

伴随半刚性基层沥青路面应用越来越广泛，所表现出来的缺点也越来越明显。当前，国内在公路施工中尤为注重水泥稳定碎石基层，特别是针对其易裂性特征研究最为深入。因此本文介绍了振动搅拌技术在水泥稳定碎石中的应用，分析了其影响机理，希望研究内容可以帮助水泥稳定碎石基层施工解决易裂性的问题。

1 振动搅拌技术介绍

1.1 振动搅拌技术发展历程

1972年，苏联技术人员首次在实验室中使用了下置式振动搅拌试验机，大大提升了混凝土质量与稳定性[1]。冯忠绪教授在 1992年正式开启了世界震动搅拌技术的应用新时代。西安德通在2012年研发成功了世界首台混凝土振动搅拌机，而水泥稳定碎石振动搅拌机是在其基础上偶然研发出来的，并在国内各级道路基层施工中开始应用。这种技术一方面能够有效减少水泥用量，实现施工成本的降低；另一方面还能够有效降低半刚性基层裂缝，从而大大提升路面基层的耐用性[2]。

1.2 振动搅拌技术原理

在搅拌水泥稳定碎石混合料的基础上，再配合振动作用，可以让混合料粒出现对流并扩散，从而就保证粒径比较小的材料分布的均匀性与弥散性。当水泥浆以及细集料颗粒在粗骨料表面上呈现出均匀分布状态以后，一方面可以避免粗骨料出现露白的情况，另一方面还可以实现混合料的均匀分布[3]。

振动搅拌技术的原理就是将激振器引入到普通搅拌机之中，利用传动装置来发挥振动轴的振动作用，从而就可以在强制搅拌水泥稳定碎石混合料的过程中，让混合料颗粒受到振动作用。这种状态下，在振动作用的影响下混合料颗粒会明显提升运动速度，从而彼此间的碰撞频率与碰撞强度都会大大提升，而因为受到这种作用力，水泥浆和细集料都会在粗骨料表面呈现出均匀的分布状态。从而就会在提速水泥水化反应的同时，让水泥稳定碎石改变自身内部微观结构[4]。

相比于普通搅拌机来说，振动搅拌机在搅拌频率上有明显提升，并且还可以释放出1500次+/min的振动弹力波，所以振动搅拌机对混合料形成的撞击能量会超出10倍的静力搅拌机所形成的撞击能量。振动搅拌会导致细集料全部呈现出弥散状分布，水泥得到充分水化，水泥水化产物就会牢牢粘结在骨料表面上，从而就可以保证混合料抗裂性、耐用性等性能得到有效提升。

1.3 振动搅拌技术优势

1.3.1 保证微观结构的均匀性与致密性

水泥稳定碎石中，水泥颗粒直径、粉煤灰颗粒直径、水滴最小直径分别是3-80微米、45微米左右和20微米左右。必须要保证混合料中所有直径微小的颗粒性材料呈现出均匀分布的状态，才可以保证微观结构的均匀性。从搅拌机理角度来说，以往搅拌技术存在非常大缺陷，根本没有办法实现微观结构的均匀性。利用扫描电镜在相同配比的基础上来对比经两种搅拌机搅拌的水稳材料，在2000倍放大的条件下会发现两种水稳材料存在明显区别[5]。通过传统搅拌机搅拌好的水稳材料，骨料表面会附着很多微小松散的CSH凝结颗粒，但是粘结性较弱，并且会出现明显的粗细骨料与水化产物的分界线，且过渡相结构松散。相比之下，通过振动搅拌机搅拌好的水稳材料，水泥水化会更加充分，粗细骨料与水化产物完美地融合在一起，微小颗粒材料呈现出均匀分布状态，微观结构具有良好的均匀性与致密性。

1.3.2 避免出现材料严重离析的情况

在摊铺水泥稳定碎石材料的时候，经常会出现离析情况，通过振动搅拌能够有效避免出现材料严重离析的情况。在振动搅拌的过程中，粒径在37.5mm以上的水稳材料会在摊铺层形成非常均匀的分布，并不会产生骨料溜肩的离析问题。同时，基层表面在碾压过后。粗骨料呈现出非常均匀的状态，路面整体非常严密结实[6]。

1.3.3 切实提升材料和易性

通常情况下，搅拌混合料在摊铺和碾压的时候会出现压实难的问题，而且基层底部压实不足。而通过振动搅拌，能够让水颗粒与细集料颗粒呈现明显的均匀弥散状态，在这种情况下，混合料就会比较容易压实，同时还会出现上下均匀的完整芯样。

2 振动搅拌技术对水泥稳定碎石性能影响

2.1 水泥稳定碎石结构成分分析

搅拌水泥稳定碎石的时候，混合料水泥和水会出现强烈的化学反应，并且溶液中会出现氢氧化钙（Ca(OH)2），溶液各种类型的离子会在短时间内达到饱和。水泥水化初期的时候，溶液中主要会出现钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）[7]。经过几个小时的反应，逐渐开始出现 Ca(OH)2与硅酸钙水化物。经过几天的反应，钙矾石会慢慢分解成单硫型硫铝酸盐水化物，而如果铝含量过高或者硫酸盐不足的时候就会出现铝酸钙水化物。硅酸钙、铝酸钙水化物作为主要的水泥稳定碎石粘结成分，会慢慢硬化并形成水泥石。并且，骨料与水泥石两者间会出现明显的界面过渡层，其在组成成分类似于水化水泥浆体，然而微观结构与性能却大大区别于水泥石本体，需要将其视作一个单独的相。所以，水泥稳定碎石强度的主要影响因素有三种：骨料、水泥石与界面过渡层。

2.2 强度影响研究

对于很多结构材料而言，强度破坏在一定程度上就意味着出现裂缝。然而对水泥稳定碎石材料来说，受到外力影响之前就已经存在细小裂缝，所以，水泥稳定碎石强度会和导致破坏的应力存在联系，可以将其视为水泥稳定碎石可以接受的最大应力。水泥稳定碎石结构中最为薄弱的一点是界面过渡层强度，因此，水泥稳定碎石强度的最大决定因素就是界面过渡层强度，所以，强化界面过渡层强度为提升水泥稳定碎石强度的关键点。

振动搅拌可以提升水泥稳定碎石强度的主要原因，体现在以下几个方面：

（1）通过振动搅拌可以让水泥稳定碎石受到振动作用的影响，让骨料附近与界面过渡区出现水膜破裂的情况，这样水膜表面积就会大大增加，而震颤作用同样会让团聚的水泥颗粒呈现出明显的均匀分布状态，这样参与水化反应的水泥量就会大大提升，从而水泥水化产物生成量数量就会有明显提升[8]；

（2）受到振动作用的影响，骨料底部大水囊就会出现破裂情况，使水泥石与界面过渡区两者的水灰比大大降低，水化硅酸钙晶体在微观结构上会更加紧密且细小，降低大孔隙数量；

（3）受到振动作用的影响，水泥石与界面过渡区就会出现大气孔破裂，并形成不会影响到水泥稳定碎石强度的微小气泡，避免由于气孔出现而导致水泥稳定碎石强度降低；

（4）受到振动作用的影响，骨料表面存在的泥水就会得以有效清除，从而就会有利于骨料与水泥浆体进行化学反应，让过渡区孔隙内部的水泥浆体可以顺利地与骨料间形成充足的化学反应，生成铝酸盐水化物，降低过渡区中Ca(OH)2的浓度，这样就可以有效提升过渡区的强度，从而就会提升水泥稳定碎石强度[9]。

2.3 抗裂性影响研究

水泥稳定碎石容易出现基层裂缝的主要原因有四种：一是存在大剂量水泥含量；二是混合料混合不充分；三是细集料表面积过大；四是环境温度出现变化。通过振动搅拌，可以有效降低水泥稳定碎石基层的裂缝数，主要原因是振动作用可以在同等强度基础上降低水泥用量，让水泥石弹性模量与收缩系数得到有效降低，相应地就会降低用水量，然混合料含水量大大下降，避免因为水分降低而导致出现干缩现象。振动搅拌可以让骨料表面灰尘得到清除，让骨料和水泥浆充分混合，避免骨料表面出现露白情况，并且避免骨料表面出现裂缝。振动作用还可以让团聚水泥颗粒重新恢复成均匀分布状态，确保全部水泥颗粒都可以充分参与到水化反应之中，让水泥产物尚未硬化以前留存出充足的空间自由生长，避免尚未完全水化的水泥因为继续水化而出现压应力，并且压应力过于集中而出现裂纹。并且受到振动作用的影响会提升颗粒间的碰撞强度与频率，让全部成分都呈现出均匀的分布状态，避免因为离析情况而导致出现裂缝[9]。

3 实例分析

3.1 工程概况

所选工程为滁淮高速定远至长丰段路面02标工程，路面全长为32.799km，所使用的设计标准为双向四车道高速公路，预计速度为 120Km/h。主线路基宽度为27m，路面宽度为23.5m，采取水泥稳定碎石基层沥青混凝土为路面结构。本次共设置了三个试验段，长度均为400m，水泥剂量设定为4.5%，级配类型均为强嵌挤骨架密实，试验段SY01采取传统搅拌方式进行搅拌，试验段SY02采取振动搅拌方式进行搅拌，试验段SY03采取双拌缸拌和进行搅拌。所使用的水泥类型为P.C 32.5级复合硅酸盐水泥，SY01最大干密度设定为 2.433g·cm-3、最佳含水量设定为4.3%、水剂含量设定为4.0%；SY02最大干密度设定为2.414g·cm-3、最佳含水量设定为4.2%、水剂含量设定为3.5%；SY03最大干密度设定为2.414g·cm-3、最佳含水量设定为4.2%、水剂含量设定为3.5%[10]。

3.2 施工质量控制要点分析

3.2.1 混合料拌制

（1）保证工程原材料质量，堆放时需要隔仓堆，且要设置规格标志；

（2）需要保证混合料搅拌充分，为避免出现窜料情况需要设置≥1m的料斗间隔板，水泥罐数量应至少在两个以上；

（3）每日开始拌和混合料之前，需要按照当天天气变化和摊铺运输距离对含水量进行及时调整，保证现场摊铺碾压含水率始终维持在最佳含水率±2%的范围内，明确当天施工配合比。由于水泥稳定碎石材料会受到含水量影响较大，如果不对其进行严格控制，必然会造成碾压不紧密，后期就会容易出现裂缝；

（4）对所有料仓生产计量数据进行实时监测，如果发现实际掺量和设计值之间出现明显偏差（超出10%），那么就必须要停机检查，直至调整到正常状态以后，才可以继续生产。

3.2.2 混合料运输

（1）供料车运输不能出现间断，避免施工过程中出现供料不足或者长时间排队造成水分蒸发；

（2）装料方法应选取挪动自卸车的方式，并将装料次数分成三次，避免粗细集料出现离析的情况。

3.2.3 基层摊铺

（1）摊铺机距离控制在10m以内；

（2）摊铺速度应该控制在1.5～2.0m/min，摊铺过程中不能出现停歇情况；

（3）保证摊铺厚度等同于摊铺系数；

（4）振动器振动频率控制在30Hz以上，夯锤冲击频率控制在20Hz以上。

3.2.4 基层碾压

（1）初压、复压和终压必须要保持紧密的衔接，确保最短时间内完成碾压作业；

（2）注重基层两侧压实工作，可采取加宽碾压方式。

3.3 试验段检测

三个试验段在养生7d以后，对SY01试验段和SY02试验段展开强度检测，检测结果如下：SY01无侧限抗压平均强度值为7.76MPa，SY02无侧限抗压平均强度值为7.85MPa；SY01取芯劈裂平均强度值为0.68MPa，SY02取芯劈裂平均强度值为0.64MPa。4.0%水泥剂量的SY02无侧限抗压平均强度值要比4.5%水泥剂量的SY01无侧限抗压平均强度值高出1.2%。而且SY02取芯劈裂平均强度值为也仅仅略低0.04MPa。因此，通过振动搅拌能够有效提升水泥稳定碎石抗裂性。

而从含水率、灰剂量、集料筛分、无侧限抗压强度等指标对 SY02试验段和SY03试验段进行对比分析，从含水率来说SY03试验段要略低于SY02试验段，而灰剂量、无侧限抗压强度等SY03试验段要略高于SY02试验段。经验证，采用振动搅拌方式相比于双拌缸拌和方式在水泥剂量减少上要明显占据优势，但是从搅拌均匀性上会略差一些。

3.4 效益分析

经过上方试验段测试可知即使水泥剂量减小的情况下，同配比条件下，通过振动搅拌技术也可以保证混合料，还是能够满足传统搅拌方式下混合料基层施工标准。以 DT600ZBT型机为例，分析其经济效益，经计算得出水泥稳定碎石生产量为一顿的时候，水泥含量分别降低 0.5%、1.0%与 1.5%，对应节约成本分别是1.694元、3.444元和5.194元，由此可见具有明显的经济效益。应用到本次案例中进行计算。本次20cm基层工作量的面积总量是1073282.18m2，36cm基层工作量的面积总量是 972769.18m2，所需水泥稳定碎石总量共计为 1300000t左右，按照0.5%水泥减少量计算，共减少水泥用量为6500t，总计节约成本为2275000元[11]。

4 结语

在本文的研究中，分析了振动搅拌技术的发展历程、应用原理与技术优势，然后探讨了振动搅拌技术对水泥稳定碎石性能影响，此方面得出如下结论：

（1）水泥稳定碎石结构成分主要分为三种，分别是骨料、水泥石与界面过渡层；

（2）振动搅拌机可以通过振动搅拌作用来扩大水膜表面积、降低大孔隙数量和清除骨膜表面的泥水来实现水泥稳定碎石强度的有效提升；

（3）振动搅拌机可以通过振动作用可以在同等强度基础上降低水泥用量与用水量，降低混合料含水量，避免因为水分降低而出现干缩现象，从而提升水泥稳定碎石的抗裂性。

之后本文通过实例分析，探讨了施工质量控制要点与检测结果，经验证通过振动作用可明显提升水泥稳定碎石强度，且经济效益非常明显。