王進(jìn)勇，陳 飛，張東長(zhǎng)，王全磊，王火明

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 道路與巖土工程院，重慶 400067； 2.山區(qū)道路工程與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067； 3.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石是中國(guó)高等級(jí)公路基層常用的半剛性材料。強(qiáng)度是水泥穩(wěn)定碎石最重要的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)其使用耐久性有重要影響[1-2]。顯然，增加水泥用量可直接提高水穩(wěn)基層的強(qiáng)度，但同時(shí)開(kāi)裂也將增多，對(duì)耐久性極為不利。因此，在不增加水泥用量的前提下，如何提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度及使用耐久性，成為近年來(lái)業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。王峰[3]、李洪波[4]、謝海彬[5]等提出，設(shè)計(jì)骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)可提高混合料強(qiáng)度；劉九正[6]提出采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)并通過(guò)振動(dòng)壓實(shí)法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，可提高水穩(wěn)基層的強(qiáng)度與密實(shí)度；司馬靜[7]、楊江麗[8]、孫紅偉[9]等提出，優(yōu)化施工與養(yǎng)生工藝、嚴(yán)格控制施工質(zhì)量有利于提高水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。上述研究和應(yīng)用在一定程度上對(duì)提高水泥穩(wěn)定混合料性能起到了積極作用，但并未涉及攪拌工藝對(duì)材料性能的改善效果。

實(shí)際上，攪拌工藝對(duì)水泥、水以及集料等的分散和裹附效果有重要影響，從根本上影響著水穩(wěn)混合料的力學(xué)性能與路用性能[10]。王旭東等[11]提出采用二次攪拌工藝，并通過(guò)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間來(lái)改善水穩(wěn)混合料的拌合物理性能(分散均勻性和裹附效果)，以有效地提高水穩(wěn)混合料的強(qiáng)度和耐久性。近兩年出現(xiàn)了水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)攪拌新技術(shù)，其目的也是通過(guò)提升材料攪拌均勻性更大程度激發(fā)材料的潛能，從而提升其強(qiáng)度[12-13]。鑒于此，本文結(jié)合二次普通攪拌與振動(dòng)攪拌工藝，依托科研和工程應(yīng)用項(xiàng)目，研究改進(jìn)型二次攪拌工藝對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料攪拌效果與強(qiáng)度的影響，為推廣應(yīng)用提供支撐，也是對(duì)水泥穩(wěn)定半剛性基層領(lǐng)域研究成果的有益補(bǔ)充。

1 振動(dòng)攪拌技術(shù)原理

振動(dòng)攪拌是在傳統(tǒng)普通靜力攪拌的基礎(chǔ)上增加了振動(dòng)工藝，即由葉片的強(qiáng)制攪拌和拌缸下臥軸連續(xù)振動(dòng)發(fā)揮雙重作用[14]。振動(dòng)攪拌工藝對(duì)水泥穩(wěn)定碎石材料性能改善的原理可從兩方面來(lái)講。

其一，下臥軸的振動(dòng)作用，可連續(xù)釋放一種高頻次(1 500 次·min-1)的彈力波[15-16]，彈力波實(shí)時(shí)向各個(gè)方向傳遞振動(dòng)能量，可使水泥穩(wěn)定碎石材料長(zhǎng)期處于振顫狀態(tài)，尤其對(duì)水泥顆粒、水分子以及細(xì)集料影響明顯，可有效破壞水泥與水泥砂漿的結(jié)團(tuán)，使水泥穩(wěn)定碎石材料在宏觀和微觀上分布更加均勻，如圖1所示。

其二，由于振動(dòng)作用產(chǎn)生的能量波的高頻次持續(xù)擴(kuò)散，可使水泥穩(wěn)定碎石材料顆粒之間的撞擊能量達(dá)到普通靜力攪拌的10倍以上[17]，明顯增大材料顆粒的運(yùn)動(dòng)速度、有效碰撞次數(shù)、接觸頻率及接觸面積，從而加速水泥水化，彌補(bǔ)傳統(tǒng)攪拌的盲區(qū)，提高攪拌效率。

圖1 振動(dòng)攪拌有效消除水泥漿結(jié)團(tuán)

2 對(duì)比方案與集料組成設(shè)計(jì)

2.1 攪拌工藝對(duì)比方案

結(jié)合研究目的并依托施工現(xiàn)場(chǎng)攪拌站建設(shè)情況設(shè)計(jì)對(duì)比方案。本次水泥穩(wěn)定碎石基層材料攪拌工藝均設(shè)計(jì)為2臺(tái)拌缸串聯(lián)的二次攪拌方式，不同之處體現(xiàn)在第二次攪拌是否采用振動(dòng)攪拌，具體對(duì)比方案如表1所示。

表1 攪拌工藝對(duì)比方案

2.2 集料組成設(shè)計(jì)

為了更清楚地對(duì)比不同攪拌工藝下水泥穩(wěn)定碎石混合料的均勻性，避免級(jí)配造成的不良影響，采用較優(yōu)級(jí)配。采用骨架嵌擠密實(shí)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)貝雷法CA(粗集料比)、FAC(第二控制篩孔通過(guò)率與第一控制篩孔通過(guò)率的比值)以及FAF(第三控制篩孔通過(guò)率與第二控制篩孔通過(guò)率的比值)3個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)級(jí)配骨架嵌擠密實(shí)效果。CA評(píng)價(jià)集料中粗集料部分的嵌擠情況；FAC評(píng)價(jià)細(xì)集料中粗料部分與細(xì)料部分的嵌擠填充情況；FAF評(píng)價(jià)合成級(jí)配中最細(xì)一級(jí)集料的嵌擠填充情況。根據(jù)有關(guān)研究成果[18]，對(duì)于公稱(chēng)最大粒徑為26.5 mm的級(jí)配，CA取0.70～0.85，F(xiàn)AC為0.35～0.50，F(xiàn)AF為0.35～0.50。

水泥采用P·C32.5R型號(hào)，用量為4.5%；集料公稱(chēng)最大粒徑為26.5 mm；級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示，級(jí)配檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，設(shè)計(jì)級(jí)配試件斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示?？梢钥吹剑O(shè)計(jì)的級(jí)配骨架嵌擠密實(shí)效果較好。

表2 設(shè)計(jì)級(jí)配主要篩孔通過(guò)率

表3 級(jí)配檢驗(yàn)結(jié)果

3 材料攪拌均勻性

3.1 試驗(yàn)方法

攪拌均勻性對(duì)水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層的強(qiáng)度以及抗裂、抗沖刷、使用耐久性能有重要影響。本文基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用篩分試驗(yàn)與水泥EDTA滴定試驗(yàn)，以集料關(guān)鍵篩孔通過(guò)率與水泥劑量試驗(yàn)結(jié)果的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及變異系數(shù)作為數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)量分析攪拌均勻性。篩分試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果直接體現(xiàn)施工級(jí)配的波動(dòng)，間接反映集料分布的宏觀均勻性；水泥EDTA滴定試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可反映水穩(wěn)混合料中水泥分散的均勻性，一定程度上表征微觀均勻性[19]。

圖2 試件斷面集料結(jié)構(gòu)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 集料攪拌均勻性

根據(jù)設(shè)計(jì)的2種攪拌工藝方案，在攤鋪機(jī)后分別取水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行水洗篩分試驗(yàn)，每種工藝進(jìn)行8組平行試驗(yàn)，取料間隔為15 min。分別統(tǒng)計(jì)19、13.2、9.5 mm以及4.75 mm篩孔的通過(guò)率以及通過(guò)率平均值、標(biāo)準(zhǔn)差SD及變異系數(shù)CV，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 篩分試驗(yàn)關(guān)鍵篩孔通過(guò)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表4可以看到，方案1(第二次攪拌采用振動(dòng)攪拌)與方案2(普通攪拌)相同篩孔的通過(guò)率平均值非常接近，且均接近設(shè)計(jì)通過(guò)率。這說(shuō)明水穩(wěn)基層集料質(zhì)量控制比較可靠，可保證施工級(jí)配總體穩(wěn)定，也為對(duì)比試驗(yàn)提供了良好基礎(chǔ)。

總體來(lái)看，2種方案的4個(gè)關(guān)鍵篩孔通過(guò)率的標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)均處于比較低的水平，變異系數(shù)基本處于2%～7%的范圍。這表明采用2臺(tái)拌缸串聯(lián)的二次攪拌工藝確實(shí)改善了水泥穩(wěn)定碎石混合料的攪拌均勻性。

相比普通攪拌(方案2)，采用振動(dòng)攪拌工藝(方案1)后，各關(guān)鍵篩孔通過(guò)率的標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)均有不同幅度的減小，比如19 mm與13.2 mm篩孔的通過(guò)率變異系數(shù)分別減小了26%與13%，9.5 mm與4.75 mm篩孔分別減小了50%與53%。結(jié)果表明，采用振動(dòng)攪拌工藝可進(jìn)一步提升集料分布的均勻性，且集料粒徑越小，改善效果越明顯；同時(shí)也間接反映出，由于黏結(jié)結(jié)團(tuán)等原因，水泥穩(wěn)定碎石混合料攪拌的非均勻性在粒徑較細(xì)的集料中表現(xiàn)得更明顯。

3.2.2 水泥分散均勻性

水泥EDTA滴定試驗(yàn)時(shí)，平行試驗(yàn)組數(shù)、取料位置和時(shí)間間隔與集料篩分試驗(yàn)相同。2種攪拌工藝方案的水泥用量滴定試驗(yàn)結(jié)果以及水泥用量平均值、標(biāo)準(zhǔn)差SD、變異系數(shù)CV的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

由表5水泥滴定試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，2種工藝的水泥用量滴定結(jié)果均值比較接近。在標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)整體處于較低水平(4%～7%)的情況下，采用方案1工藝(第二次攪拌采用振動(dòng)攪拌)進(jìn)一步降低了標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)，其中標(biāo)準(zhǔn)差降低了34%，變異系數(shù)降低了36%。此結(jié)果說(shuō)明，雖然采用二次攪拌工藝的水泥穩(wěn)定碎石混合料中水泥的分散比較均勻，整體變異水平也較低，但如果第二次攪拌采用振動(dòng)攪拌工藝，通過(guò)持續(xù)振動(dòng)作用，可更大程度地消除水泥漿體的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使水泥用量變異水平更低，水泥分散更加均勻。

表5 水泥用量滴定試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

觀察采用方案1生產(chǎn)的水泥穩(wěn)定碎石混合料，發(fā)現(xiàn)混合料整體顏色較深，水泥本身的顏色體現(xiàn)得更加充分，且大粒徑碎石表面水泥漿裹附得很好，碎石表面有“長(zhǎng)毛”的現(xiàn)象，如圖3所示。此為水泥漿攪拌分散更加均勻的外在表現(xiàn)。

圖3 振動(dòng)攪拌混合料水泥漿裹附均勻

4 強(qiáng)度與施工均勻性

4.1 試驗(yàn)方案

強(qiáng)度是水泥穩(wěn)定半剛性基層最關(guān)鍵的性能指標(biāo)，直接影響基層的承載力，《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中對(duì)水泥穩(wěn)定半剛性基層強(qiáng)度的要求較以前也有所提高，說(shuō)明了提升強(qiáng)度的重要性。施工均勻性則對(duì)強(qiáng)度的變異水平有較大影響，進(jìn)而影響路面結(jié)構(gòu)的使用耐久性[20]。本次設(shè)計(jì)的研究對(duì)比方案與實(shí)施方案如表6所示，方案1與方案2采用相同碾壓與養(yǎng)生工藝。

表6 攪拌工藝對(duì)比實(shí)施方案

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

養(yǎng)生后，在實(shí)施2種攪拌工藝方案的路段分別隨機(jī)鉆取9組芯樣，并切割成高徑比1∶1的標(biāo)準(zhǔn)試件，如圖4所示。測(cè)試統(tǒng)計(jì)芯樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值、標(biāo)準(zhǔn)差SD、變異系數(shù)CV與95%保證率下的強(qiáng)度代表值。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

圖4 切割前后芯樣

表7 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表7試驗(yàn)結(jié)果可知，方案1(第二次攪拌采用振動(dòng)攪拌)的7 d與28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值與代表值均大于方案2，9組芯樣的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)均小于方案2。此結(jié)果表明，第二次攪拌采用振動(dòng)攪拌工藝可顯著提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度并降低強(qiáng)度變異水平，改善施工均勻性。因此，在施工生產(chǎn)中，建議在第二次攪拌采用振動(dòng)攪拌工藝。

分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，方案1相比方案2，7、28 d強(qiáng)度均值與代表值提高幅度、變異系數(shù)降低幅度不同，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。數(shù)據(jù)顯示，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值與代表值的提高幅度均大于7 d抗壓強(qiáng)度的提高幅度，28 d強(qiáng)度變異系數(shù)降低幅度也大于7 d的降低幅度。這說(shuō)明，隨著養(yǎng)生時(shí)間的延長(zhǎng)，采用方案1對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度的提升與施工均勻性的改善效果更充分。

圖5 方案1與方案2對(duì)比

究其原因，方案1的振動(dòng)攪拌方式改善了水泥穩(wěn)定碎石材料的攪拌均勻性，尤其在很大程度上消除了水泥與細(xì)集料的黏結(jié)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使水泥漿的分散以及對(duì)粗集料的裹附更加充分，水泥的水化作用更加均勻。在水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度增長(zhǎng)較快的28 d內(nèi)，由于材料的攪拌均勻性引起的強(qiáng)度與施工均勻性提升幅度會(huì)有所增大，但在28 d以后提升幅度就變得比較穩(wěn)定了。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)比研究了二次普通攪拌工藝與第二次攪拌采用振動(dòng)攪拌的工藝對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料攪拌均勻性、強(qiáng)度及施工均勻性的影響，得到以下結(jié)論。

(1)采用二次攪拌工藝生產(chǎn)的水穩(wěn)混合料集料關(guān)鍵篩孔通過(guò)率與水泥用量滴定試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)均較??；但第二次采用振動(dòng)攪拌工藝后，其標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)進(jìn)一步減小，體現(xiàn)出了更好的攪拌均勻性。

(2)相比二次普通攪拌，二次振動(dòng)攪拌工藝7 d與28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值與代表值明顯提高，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)明顯降低。

(3)在施工生產(chǎn)中，建議有條件的施工單位采用二次振動(dòng)攪拌工藝。