水泥稳定碎石振动搅拌技术应用分析

高翔

（四川省交通建设集团有限责任公司，四川 成都 610000）

0 引言

在对水泥混凝土、水泥稳定碎石、沥青混凝土等建筑材料进行搅拌制备时，由于存在拌和不均等问题，水泥稳定碎石基层在早期经常会出现严重的收缩裂缝问题，并且在行车荷载的反复作用下，沥青面层也出现反射裂缝。水稳碎石基层的收缩性能与水泥剂量、用水量、级配等因素息息相关，拌和不均则无法使各类材料充分弥散，粗细集料无法均匀包裹，水与集料的不充分接触则无法实现水泥的充分水化，致使水稳碎石实际使用级配达不到标准，不得不添加水泥剂量，也就弱化了混合料的抗裂能力，无法很好地抑制裂缝的出现。搅拌过后的水稳碎石混合料不均匀，不仅是指宏观层面的不均匀，还表现在微观层面水泥颗粒集聚形成水泥团，未能充分均匀地弥散，导致稳定土的强度、耐久性遭受负面影响。所以，需要采取合理方式将水稳碎石中的水泥颗粒充分弥散。本文以水稳碎石振动搅拌技术在久马高速公路的应用为基础，对该项技术展开分析，为同行工作开展提供参考。

1 振动搅拌技术概述

搅拌是水泥混凝土、水泥稳定碎石、沥青混凝土等建筑材料最基本的制备方法，也是各种建筑材料生产中关键的一道工序，直接影响着工程建设的质量和建筑物的寿命。搅拌的目的是通过混合料各物料间的相互碰撞、对流和扩散，使物料颗粒特别是水泥等细微颗粒的弥散分布，达到混合料宏观及微观的匀质。由于被搅拌物料的多相性和粒径的差异性，传统搅拌混合料的微观均匀性仍有较大提升的空间。

振动搅拌是宏观对流运动和微观扩散运动的完美结合，是在普通搅拌机所具有的宏观对流运动的基础上，创新性地采用振动和搅拌一体化技术（见图1～图2所示），使振动搅拌机具有独特的高频微观扩散运动。前者使物料在宏观上“拌匀”，后者让物料各组分在微观上“拌透”，振动搅拌实现了短时间内宏观和微观的同步，极大提升了搅拌质量和效率。

图1 振动搅拌机

图2 振动搅拌拌缸

传统搅拌多采用双卧轴搅拌机设备，这种搅拌技术1888年起源于德国，设备主要结构形式为刮刀式或螺带式。采用振动搅拌技术的优势如下：

（1）振动搅拌技术使水泥与水充分弥散与水化，同强度下节约水泥15%左右。以水稳层3.4%水泥剂量为例，达到同样质量要求，采用振动搅拌，每吨水稳混合料至少节省6kg水泥，按0.65元/kg计算，100万t水稳混合料就可节约390万元，经济效益显著；

（2）达到同样质量要求，相同配合比时，振动搅拌节省搅拌时间20%以上，产能提升明显，节约资源、能源；

（3）振动搅拌不易抱轴，节省大量劳动力成本，降低搅拌轴清理安全隐患；

（4）离差系数可降低30%，工程质量一致性好，易控制；

（5）强制搅拌与振动作用相结合，混合料的微观均匀性好，改变了水泥稳定碎石的固液气三相结构，使水泥石与骨料间的连接牢固，微观结构得到改善，同配比下混合料强度提高10%以上，抗裂性能及耐久性能显著提高；

（6）水稳混合料更均匀，变异系数小，保障混合料摊铺中不离析，工程质量更稳定，施工好组织；

（7）从源头上解决水稳基层裂缝的难题，减少后期反射裂缝，延长路面的使用寿命，降低养护周期与成本，同时可树立品质工程标杆，为施工企业创造良好企业形象；

（8）节省水泥可降低碳排放，符合节能环保绿色施工要求，社会效益明显。

2 水泥稳定碎石振动搅拌技术在久马高速公路的应用

久马高速公路起点为青海省久治县（川青界）的甲尔多乡扎隆，北接G0615线青海段，途经德格互通、阿坝互通、查理寺互通、龙日坝互通、中壤口互通、刷经寺互通、王家寨枢纽互通，终点为马尔康市王家寨，是四川首条高原生态环保示范高速公路，也是四川首条高海拔高原高速公路，连接新疆、青海、四川三地，是川西北部首条高速公路出川大通道，线路总长约224km。其中，在久马高速公路阿坝段的水稳碎石底基层、基层施工中，采用一台普通双拌缸水稳碎石搅拌设备和一台新型水稳碎石振动搅拌设备（见图3 和图4 所示），对水稳碎石混合料进行拌和[1-2]。

图3 普通双拌缸搅拌设备

图4 振动搅拌设备

2.1 拌和均匀性分析

对同种级配的水稳碎石混合料在普通搅拌和振动搅拌的拌和方式下产生的集料分布情况展开分析，如图5、图6所示。

图5 水分布对比

图6 细集料分布对比

从图5的对比中能够看出，采用普通搅拌设备拌和的混合料色泽非常暗淡，水分分布不均，而采用振动搅拌设备拌和的混合料表面水分充分浸入。从图6的对比分析能够看出，采用普通搅拌设备拌和的混合料，细集料并未将粗集料完全包裹住，而采用振动搅拌设备拌和的混合料粗细集料充分接触，粗集料完全被细集料包裹。对这一情况的形成原因进行分析，主要体现在如下几点：

（1）普通拌和时，仅仅在拌缸入口处设置了加水装置，完全依靠拌缸叶片轴向搅拌，很难让水分与所有集料充分接触，造成混合料含水量不均匀，进而容易导致混合料形成过湿或泛白两种极端情况；

（2）采用振动搅拌是低速搅拌+高频振动的复合，能够充分打散水泥团，水泥颗粒充分弥散，保证水泥在混合料中的均匀分布，水化反应更充分，水泥更容易包裹在粗集料的表面，促使与之接触的细集料都能黏附上去；

（3）采用振动搅拌时，物料会在搅拌叶片的作用力下呈现出左右螺旋式的运动轨迹，并且还会在圆周方向进行抛撒、剪切运动，同时沿着轴向朝着出料口移动，移动过程中伴有高频振动，能够让混合料始终处在震颤状态中，粉料与水的弥散更加充分，也能加速水泥的水化反应。粗集料、细集料、水化物三者的不断碰撞，促使粗骨料被细集料、水化物完全包裹，不但保证了拌和质量，也能有效缩短混合料的拌和时间，大大提高拌和作业的质量与效率。

2.2 矿料级配分析

对普通搅拌和振动搅拌拌和方式下的混合料进行筛分，计算出拌和过程中水稳碎石混合料的矿料级配标准差（其中普通搅拌30组数据，振动搅拌35组数据），两种拌和方式的变异性对比见表1所示，无侧限抗压强度对比见表2所示，芯样对比见图7所示。

表1 不同拌和方式下矿料级配的变异性

表2 不同拌和方式下无侧限抗压强度

图7 芯样对比

从表1中可以看出：筛孔尺寸越小则变异系数越大。相较于普通搅拌而言，振动搅拌矿料级配的变异性更小。其中0.6mm筛孔处的变异性系数要比其他筛孔更大。原因在于筛孔尺寸越小，水稳碎石混合料的通过率也随之减小，振动搅拌能够让水稳碎石混合料的细集料均匀分配给所有粗集料，也就确保了拌和的均匀性，变异性大大降低。

从表2和图7可以看出：普通搅拌芯样不密实，有夹渣，孔洞多，松散，而振动搅拌芯样均匀完整密实，骨料分布均匀，无明显孔洞。在同一水泥剂量下，振动搅拌混合料较普通搅拌混合料无侧限抗压强度高0.4～1.0MPa；在达到设计要求强度4.0MPa时，普通拌和与振动拌和所对应的水泥剂量分别为3.9%和3.6%，水泥消耗量降低8%。原因在于振动搅拌设备的拌缸是在普通双卧轴强制式拌和的基础上，在拌和轴装置上添加偏心块，并配置2 个15kW电机驱动激振装置，将激振装置与拌和轴连接，使振动趋势能传导给拌和轴，实现一边拌和一边振动，高频振动作用使水泥水化更充分，实现宏观和微观同步，在保证和易性的同时，粘聚性更佳，搅拌质量明显提升；水泥水化物和细集料将粗骨料均匀包裹，大粒径的粗骨料表面相当于均匀涂抹了一层“润滑剂”，骨料在移动时，其间的摩阻力降低，压实功更容易向下传递，碾压更加密实，基层整体性显著提升。同时，在满足设计强度前提下，适当降低水泥剂量，减少水泥水化热影响，可有效减少基层裂缝。

2.3 水泥稳定碎石层开裂的控制措施

久马高速平均海拔在3000m 以上，沿线年均气温1.4℃，昼夜温差可达28.4℃，一天可见四季。受雨、雪、冰、雾、风等恶劣气候交错影响严重，气候条件恶劣，如何有效减少水稳层开裂是质量控制关键点。在该项目的水稳拌合站取样筛分中发现，由于原材料不稳定，不同时间基层级配中4.75mm通过率相差达到6%；在现场同一横断面取样筛分发现，基层级配中4.75mm 通过率相差达到12%；芯样外观还表明水稳基层顶部与底部也存在离析现象。由于原材料和设备问题，导致水稳基层级配变化太大，质量控制难度大。室内试验密度偏低，不能很好地指导现场压实，现场压实度和强度均未能达到最理想状态，影响基层强度成型，导致基层抗拉强度偏低，在强度薄弱断面处引起开裂。可见，虽然振动搅拌技术较普通搅拌技术具有显著优势，但是还需要其他施工控制措施的配合，才能保证水稳碎石层的稳定性和可靠性。

2.3.1 加强原材料和级配控制

（1）要求各单位加强对路基改善层的级配控制和施工控制，重点对碎石的级配波动、含水量、最大干密度、压实度、高程及厚度进行严格控制。

（2）由于久马高速原材料料源多样、卵砾石粒径偏小、破碎面较少，各档集料的单级配波动大，还需加强碎石加工源头质量控制。控制加工用于基层集料的卵砾石的粒径不小于8cm，集料破碎面、各档集料单级配、粉尘含量、针片状含量、塑性指数应达到设计和基层施工技术细则的要求。

（3）加强水泥稳定碎石级配控制，施工过程中，材料品质或规格发生变化、水泥品种发生变化，应重新进行材料组成设计。在正式拌制混合料之前，应先调试所用的设备，使混合料的级配组成和含水量达到配合比的规定要求，原材料的颗粒组成发生变化时，应重新调试设备，确保级配稳定。

（4）由于现场压实功与室内击实功存在较大差异，加之原材料品质不稳定，重型击实试验测得的最大干密度偏小，由此确定的最佳含水率存在误差。还需结合室内数据进一步分析最大干密度偏小的原因，要求现场钻取芯样后及时测量密度及强度，与室内成型试件的密度及强度进行比较，修正室内重型击实试验和静压成型试验，确定最大干密度和最佳含水率，以此控制混合料含水率、水泥剂量和现场压实度。

2.3.2 加强混合料生产工艺的质量控制和成品养护

（1）水泥稳定碎石混合料拌和时，控制室人员要严格按配合比确定的各料斗流量进行配料，并根据当天天气和运距情况，及时调整含水量。碎石料斗旁辅以专人，避免出料口堵塞情况发生，确保下料准确，拌和均匀，没有粗细颗粒离析现象。

（2）在运输过程中，保持车厢干净，覆盖篷布，混合料尽快运送到铺筑现场，防止水分过分损失。

（3）摊铺采用性能良好的摊铺机，项目还采用“水稳拌和站一体化管控系统“”3D摊铺激光引导系统”等技术，提高拌和质量和摊铺精度。

（4）在水稳层养生时，项目还采用节水保湿养生膜+保温棉絮+防渗土工布三层覆盖方式进行养生，有效降低水稳层养生期间的温差影响。

3 结束语

综上所述，高速公路半刚性基础容易出现收缩裂缝与耐久性差的问题，很大一部分原因源自水稳碎石混合料搅拌不均匀，水与水泥等粉料拌和不均而出现水泥团，拌和的水稳碎石无法达到固、液、气三相完全均匀的结构状态。而振动搅拌技术的应用，能够促使水泥与水的充分弥散，在确保水稳碎石强度不降低的基础上，减少水泥用量，降低裂缝发生率。同时，通过本文对久马高速公路项目中水稳碎石基底出现开裂情况的分析，发现振动能促进粉料与水的弥散，加速水与水泥的水化反应，促使粗细骨料与水泥的水化物能紧密包裹，从而形成拌和质量良好的混合料，用于高速公路施工中，能有效减少裂缝的产生和提高耐久度。