振动搅拌对水泥稳定碎石基层均匀性的影响分析

李浩

摘要：文章依托广西某高速公路水泥稳定碎石基层实体工程，对比了振动搅拌与非振动搅拌状态下的水稳基层混合料的均匀性，并测试分析了水稳基层强度指标。结果表明：相比于非振动搅拌的水稳混合料，采用振动搅拌的水稳混合料均匀性变异系数和标准差更低，水泥分布和粗集料裹附更为均匀，水化反应更加充分，采用振动搅拌的水稳混合料颗粒合成级配更为稳定，振动拌和芯样相比非振动拌和芯样其强度提升近20%。

关键词：水泥稳定碎石基层;振动搅拌;骨架密实;7d无侧限抗压强度

0 引言

水泥穩定碎石半刚性基层应用广泛，水泥稳定碎石混合料的拌和状态能够严重影响施工质量。目前水泥稳定碎石基层混合料主要采用自落式搅拌和强制式搅拌[1]，自落式搅拌的搅拌强度受混合料自身重力影响，强度不高，生产率低，限制了拌和效果。强制式拌和的搅拌强度较大，但在过大离心力作用下会造成混合料离析，从而引发均匀性变差。正是由于这些因素的影响，在拌和过程中常造成水泥浆在碎石表面处宏观与微观的分布不均匀，从而引发基层强度不足和开裂[2]。

为了改善水泥稳定碎石基层抗裂性能，常在拌和阶段采用振动搅拌技术，以此期望提升基层强度和抗裂性能[3]。目前振动搅拌技术在水泥混凝土路面建设、水泥稳定碎石半刚性基层建设方面有着广泛应用，因其在拌和过程中能释放1500次/min的振动弹力波[4]，促使水泥充分弥散，采用振动搅拌往往能显著提升水泥混凝土搅拌质量和搅拌效率。冯忠绪[5]对水泥稳定碎石振动拌和技术进行建模并分析了振动搅拌装置的拌和原理;施洲辉[6]通过研究发现运用振动拌和技术可提升水泥稳定碎石强度。而关于振动搅拌技术对水泥稳定碎石基层均匀性影响的分析尚不够深入，在实际生产过程中因振动拌和对水稳基层混合料各项指标的具体提升能力仍有待分析。因此，探究实际生产施工过程中振动搅拌对水泥稳定碎石混合料及基层均匀性的影响尤为必要。

为了进一步确定振动搅拌对水泥稳定碎石拌和效果的具体提升作用，本文依托广西梧州至柳州高速公路某合同段，采用振动搅拌技术拌和水泥稳定碎石混合料，通过对比不同水泥剂量下、不同拌和时间下的水稳料、试件、现场芯样，分析振动搅拌对水泥稳定碎石基层均匀性的影响。

1 试验仪器

1.1 主要仪器

振动拌和设备采用德通振动搅拌单缸DT600ZBT型，拌缸长度约5m，振动状态下额定功率为230kW，非振动状态下额定功率为215kW。压力成型机为TYT-2000B型压力机。

1.2 原材料质量

水泥稳定碎石基层集料选用粒径为20～30mm、10～20mm、5～10mm、0～5mm的石灰岩碎石。四档集料密度、吸水率、针片状含量、粗集料压碎值、细集料砂当量等指标均满足设计要求。水泥为华润牌复合硅酸盐32.5R水泥，初凝时间>3h，终凝时间6～10h。水泥稳定碎石混合料合成级配如表1所示。

1.3 表征与测检方法

均匀性检测按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51-2009）中T0809-2009的规定对水泥剂量进行滴定，通过测试水泥剂量数据的变异性系数及标准差结果，对拌和过程中水泥裹附碎石效果进行均匀性评价。

强度检测可按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51-2009）中T0805-1994的方法进行，强度试件的制备按照其T0843-2009的方法制备。试件尺寸为φ150mm×150mm。

2.1 不同水泥剂量下的均匀性分析

通过振动拌和设备拌和水泥稳定碎石混合料，水泥掺量分别为3.7%、3.9%、4.1%、4.3%和4.5%，采用均匀性检测方法，其变异系数及标准差结果如图1所示。

由图1可知，在相同水泥剂量下，采用振动搅拌的水泥稳定碎石混合料中水泥含量的变异程度不大，相比于正常拌和的混合料，其水泥剂量的变异系数最多降低约60%。说明采用振动搅拌对水泥稳定碎石混合料进行处理，能够有效地提升水稳料的拌和稳定性，使水泥更为稳定均匀地裹附在碎石表面。随着水泥剂量的增加，其在水泥稳定碎石混合料中的变异程度有所降低，采用振动搅拌的水稳料下降趋势则更为明显。

2.2 不同拌和时间下的均匀性分析

采用振动拌和设备拌和水泥稳定碎石混合料，调节拌和时间，对生产速率为400t/h、450t/h、500t/h的水稳料取样并进行均匀性检测，得到的变异系数及标准差结果如图2所示。

由图2可知，振动拌和状态下水稳料水泥剂量的变异程度普遍较低，成品的稳定性相对较好。随着拌和时间缩短，混合料生产拌和速率不断增大，振动拌和状态下水稳料水泥剂量的变异程度不断上升，但仍小于非振动拌和状态下水稳料水泥剂量的变异程度。

[HS（4][STFZ]3[STBZ] 振动搅拌技术对水稳基层性能的影响分析

3.1 振动拌和对颗粒级配的影响

对水泥稳定碎石混合料进行取样筛分，得到振动拌和状态下与非振动拌和状态下的合成级配，合成级配结果如表2所示。

对比振动拌和状态下与非振动拌和状态下的合成级配结果，可以发现，振动搅拌状态下水泥稳定碎石基层混合料筛分数据跟目标合成级配值波动较小，而非振动状态下波动较大，说明振动拌和状态和非振动拌和状态相比，混合料成品级配更加稳定。

通过对采用振动拌和的水泥稳定碎石混合料进行摊铺碾压，基层效果如图3所示。

由图3可知，振动搅拌大粒径（最大粒径为26.5mm）的水泥稳定碎石混合料在碾压过后的基层表面粗骨料分布均匀，整体平整密实。基于振动搅拌技术摊铺碾压后的水稳基层在宏观上也很少出现粗骨料表面干燥露白现象，抗裂性能也良好。这主要是由于采用振动搅拌技术能使粗细集料表面的杂质和灰尘脱落，使骨料与水泥浆充分混合，提升骨料与水泥之间的粘聚力，避免了混合料表面出现干燥露白。同时，采用振动搅拌也能够使大颗粒状的水泥浆迅速地分散成小颗粒，促进水泥浆细微颗粒充分水化。水泥浆水化产物在基层板结硬化前有充足的空间，避免了后期水化的水泥浆在已水化完毕硬化的水泥石上继续水化，使其产生较大压应力引起应力集中导致形成裂纹。采用振动搅拌的水泥稳定碎石混合料，因受到同一频率和程度的激振力作用，使水泥石和骨料界面过渡层的结构密实，减少了结合位置的大孔隙，极大程度上降低了离析，防止了裂缝从骨料表面产生，减少了表面裂缝和微裂纹。

3.2 振动拌和对芯样骨架的影响

对水泥稳定碎石基层进行钻芯取样，得到振动搅拌和非振动搅拌的水稳芯样，其骨架结构如图4、图5所示。

通过芯样对比，可以发现采用振动搅拌的水稳基层芯样，其粗集料在芯样的顶部、中部和底部均有分布，没有出现粗集料竖向离析现象;芯样整体碾压密实，底部也未出现断根松散现象。而未采用振动搅拌技术的水稳基层芯样，整体结构虽然也相对密实，但骨料分布并不紧密，底部也出现少量骨料脱落。这主要是由于采用振动搅拌更为有效地清除了骨料表面的泥土，清除了骨料和水泥浆发生水化反应的反应杂质，使得界面过渡区中存有足够空隙，使水泥浆体能顺利与骨料发生水化反应并有效生成硅酸钙水化物。同时，振动搅拌过程中产生的激荡力作用使骨料周围和界面过渡区的水膜破裂，增大了骨料与水化反应的比表面积，振动搅拌的激荡力作用使大颗粒的水泥浆迅速处于分散状态，使水泥浆中参与水化反应的数量迅速增大，提升了水泥水化产物的产生。因此振动搅拌使得水泥水化较为充分，水泥水化产物与细集料能够将粗集料均匀包裹，大大减小骨料之间的摩擦阻力，压实功更容易向下传递，使得振动搅拌比非振动搅拌的芯样完整度和骨架密实度更为良好。

3.3 振动拌和对基层强度的影响

对水泥稳定碎石混合料进行取样并制备强度试件，水泥剂量分别为3.7%、3.9%、4.1%、4.3%、4.5%，随后进行7d无侧限抗压强度试验检测，同时对养生7d的水稳基层进行鉆芯取样，并进行无侧限抗压强度试验检测，测试结果如图6所示。

由图6可知，在相同水泥剂量的条件下，振动搅拌水稳基层室内试件与现场芯样的无侧限抗压强度要比非振动状态下要高出约20%。也就是说，在到达相同强度时，振动拌和的水泥稳定碎石基层混合料比非振动状态下要节约0.2%水泥剂量。随着水泥剂量的不断升高，室内试件与现场芯样的无侧限抗压强度也不断升高。在如图6所示的水泥剂量范围中，振动搅拌的室内试件与现场芯样强度始终高于非振动搅拌，现场芯样强度也随水泥用量的增大而增大，振动搅拌的现场芯样强度也比非振动的高出约20%。

采用振动拌和设备拌和水泥稳定碎石混合料，调节拌和时间，对生产效率为400t/h、450t/h、500t/h的水稳料取样并制备强度试件，随后进行7d无侧限抗压强度试验检测。试验结果如图7所示。

由图7可知，随着拌和时间减少，提升生产效率，振动搅拌状态下与非振动搅拌状态下的试件强度均降低。但在相同的拌和时间与生产速率情况下，振动搅拌状态下的试件强度比非振动搅拌状态下的试件强度高出约6%。也就是说，在保证水稳基层达到设计强度值时，采用振动搅拌能够提高生产速率约50t/h，进一步提升产量，保证工程进度。

4 结语

本文结合广西梧州至柳州高速公路某合同段实体工程，对采用振动拌和与常规拌和工艺的水泥稳定碎石混合料均匀性进行了对比，并采用均匀性检测和强度检测，从宏观角度分析了采用振动搅拌与非振动拌和的水泥稳定碎石混合料均匀性的差异，振动拌和对水稳基层合成级配的波动情况以及振动拌和后水稳基层芯样骨架情况及强度，得到以下结论：

（1）经过振动拌和的水泥稳定碎石混合料，其均匀性试验所得变异系数及标准差比非振动拌和的低。采用振动搅拌的水稳料宏观均匀性更好。

（2）经过振动拌和的水泥稳定碎石混合料合成级配更为稳定，更贴近设计值，芯样骨架结构也更为密实。

（3）经过振动拌和的水泥稳定碎石基层芯样强度高，制备试件及现场取芯的7d无侧限抗压强度均高于非振动拌和芯样，强度提升了近20%。

参考文献：

[1]姚文平.路面水稳基层施工中振动搅拌技术的应用探讨[J].工程技术（全文版），2017，20（4）：144-145.

[2]冯建生，冯忠绪，王 博.振动搅拌对不同配合比混凝土性能的影响[J].广西大学学报（自然科学版），2015，40（3）：636-642.

[3]张振兴，张良奇.振动搅拌技术在路面水稳基层施工中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2016，33（6）：31-36.

[4]刁 龙.振动搅拌技术在水稳碎石基层施工中的应用效果研究[J].北方交通，2017（3）：98-100.

[5]冯忠绪，王新亚，冯建生.水泥稳定碎石基层耐久抗裂振动搅拌技术与工程应用（上）[J].工程机械，2016，47（5）：1-7.

[6]施洲辉，甘先永，罗增杰.振动搅拌技术对水泥稳定碎石强度性能的影响[J].公路与汽运，2016（3）：109-112.