振动搅拌技术在高速公路水稳混合料中的应用

文 广东冠粤路桥有限公司 索颖浩

引言

“强基薄面”一直是我国在高速公路建设中奉行的准则。随着我国高速公路建设技术的快速发展，半刚性基层施工技术在高速公路建设中得到了广泛的应用，应用率高达90%以上。但是，施工过后，半刚性基层裂缝、结团等问题逐渐显露出来。在水泥稳定碎石基层施工中，水泥用量过大会导致后期基层材料产生干缩开裂，导致路面产生大量反射裂缝；水泥用量过少则会引起半刚性基层承载能力下降。如何在提高水泥稳定碎石基层承载能力的同时增加基层的耐久性，成为了道路行业内专家研究的热点与难点。为验证振动搅拌技术应用效果，本文首先对振动搅拌机理进行简要概述，并依托工程实际对水稳基层材料进行质量控制，最后对振动搅拌试验段与普通搅拌试验段进行钻芯取样并比较芯样的无侧限抗压强度与劈裂强度。

工程概况

本项目依托于汕（头）湛（江）高速公路清远至云浮段LM1合同段，全长47.37公里，双向四车道，设计速度为100km/h，其中整体式路基宽度为26m，路面宽度为13m，主线基层结构为：底基层（20cm水泥稳定级配碎石）+基层（36cm水泥稳定级配碎石）。试验段分两段各500m进行施工，L1段（K33+720～K34+220左幅下基层）采用振动搅拌，L2段（K34+220～K34+720左幅下基层）采用普通搅拌，水泥稳定级配碎石基层配比情况为20-30mm：10-20mm：5-10mm：0-5mm=21：38：11：30，水泥剂量5.5%，搅拌含水率比最佳含水率提高0.5%，即5.5%控制。

振动搅拌机理

振动搅拌即在普通拌和的同时加以振动，利用搅拌装置与激振器同时工作的原理进行拌和。宏观上，振动搅拌能够将微小颗粒通过振动的方式进行破碎分散，同时使得骨料表面均匀分布细小水泥颗粒。微观上，振动搅拌产生的弹力波能够增加水稳混合料的有效触碰次数，使得水化反应更加迅速，水化产物均匀分布于骨料表面。

水泥在水化过程中常常由于水膜包裹细小水泥颗粒形成水泥团，其表面力对搅拌产生阻碍作用。研究发现，在普通搅拌充分的作用下依旧有20%左右的水泥团不能被消散开，但在振动搅拌的振动能量下能够破坏水泥团表面水膜，使得水化反应更加充分，因此在水化产物等量的情况下，振动搅拌相比普通搅拌能够节约更多的水泥。

普通搅拌下水稳混合料均匀性较差，这是由于普通搅拌下圆心搅拌转速较低，而筒壁附近转速较高，从而形成了转速差，导致距离搅拌轴中心物料的碰撞次数远远小于靠近筒壁处的物料。而振动搅拌在振动能量下产生振动波，以振动轴为振源向外散发横波与纵波。在传播过程中，距离振源越近，振动能量越大，并随着振动距离逐渐衰减。在两者共同作用下，物料形成循环对流运动，振动能量梯度与普通搅拌转速梯度形成互补，使得搅拌效果更佳。

原材料与机械配置

本施工试验段采用水泥剂量为5.5%的P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其产自云浮中材享达水泥厂，测试结果如表1所示。

表1 水泥检测结果

本施工试验段选用的粗集料按照从材料的力学性能（压碎值）、针片状含量等指标进行筛选，最终选用产自四会坚坑采石场的碎石，共分为5-10mm、10-20mm、20-30mm三大档，其物理指标见表2所示。

表2 粗集料物理指标

本施工试验段选用的细集料从杂质含量、洁净度、风化程度等指标进行筛选，最终选用产自坚坑采石场0-5mm石屑，其物理指标见表3所示。

表3 细集料物理指标

施工质量控制

（1）混合料拌和

本施工项目选用的原材料在堆放过程中进行隔仓堆放并对每个仓库做好标记，细集料置于专门防雨棚中。混合料拌和前需要对混合料进行含水率测定（2h/次），防止由于环境气温、运距等因素造成含水量损失，时刻保证现场摊铺混合料含水率为最佳含水率。混合料拌和采用振动搅拌技术，拌合过程中应对各料仓流量进行检测。振动搅拌主机采用许昌德通800吨稳定土振动搅拌机（DT800ZBT），其额定生产功率为800t/h，其尺寸为7010×3315×3000mm，搅拌输入功率110kw，振动输入功率30kw。振动搅拌机外观如图1所示。

图1 振动搅拌机

（2）混合料运输

水泥稳定碎石混合料在运输过程中应保持多辆运输车进行运输，以防止施工供料不足的情况发生，且能够有效减小含水量缺失的情况。混合料在装车时，应注意采用三段式前、后、中的装料方式，以减少混合料中粗细集料的离析；运输过程中注意防止水分流失，应在混合料表面覆盖一层遮阳布。

（3）基层摊铺

基层摊铺过程中采用两台摊铺机进行前后梯队作业，以防止摊铺过程中纵向接缝；摊铺机行进速度建议控制在2m/min且匀速行驶；螺旋布料器中应布满混合料，防止摊铺过程中产生离析现象；摊铺过程中应控制振动器与夯锤冲击频率，一般将振动器振动频率设置在30Hz以上，夯锤冲击频率控制在20Hz以上，以提高混合料初始压实度。

（4）基层碾压

基层压实前应做基层两侧钢模支护处理，防止压实过程中产生离析现象。水泥稳定碎石基层应经过初压、复压和终压三阶段压实。初压过程中使用22t振动压路机压实，采用前进静压、后退振动的压实工艺，碾压2遍以上，并保持碾压速度为1.5km/h；复压过程中使用26t重型振动压路机与30t胶轮压路机组合压实，采取先弱振后强振再揉搓压实工艺，碾压4遍以上，并保持碾压速度为2.0km/h；终压过程中使用双钢轮压路机压实，控制碾压速度在1.5～1.7km/h，碾压遍数依据表面微裂缝程度及有无明显轮迹而定，以减少干缩、温缩造成的裂缝。

应用效果

为验证振动搅拌技术在高速公路水稳混合料中的应用效果，在两段试验段的基层上进行钻芯取样，分别测试了芯样的无侧限抗压强度与劈裂强度，并与普通搅拌水稳基层材料的芯样进行比较（保持摊铺与压实工艺相同）。

无侧限抗压强度

待基层养生后7天，对振动搅拌试验段K33+720～K34+220（L1）与普通搅拌施工段K34+220～K34+720（L2）进行随机钻芯，分别选取6个试件进行无侧限抗压强度试验，试验结果如表4所示。

表4 芯样无侧限抗压强度

采用振动搅拌的水稳基层芯样无侧限抗压强度平均值为10.75MPa，而采用普通搅拌芯样抗压强度平均值为9.66MPa。显然，振动搅拌水稳基层材料具有较高抗压强度，其抗压强度比普通搅拌水稳基层材料高出11.3%。

劈裂强度

对振动搅拌试验段（L1）与普通搅拌施工段（L2）进行随机钻芯，分别选取3个试件进行劈裂强度试验，试验结果如表5所示。采用振动搅拌的水稳基层芯样劈裂强度平均值为0.51MPa，而采用普通搅拌芯样劈裂强度平均值为0.44MPa，振动搅拌水稳基层材料具有更高的劈裂强度，这与抗压强度结果相一致。振动搅拌水稳基层材料劈裂强度比普通搅拌水稳基层材料高出15.9%。

表5 芯样劈裂强度

结语

振动搅拌技术的应用能够在提高水稳基层承载力的前提下，提高基层耐久性，即在保证相同的基层强度下，振动搅拌技术可以减少基层中水泥的用量，这与振动搅拌机理相符合。结合工程实际可知，振动搅拌水稳基层芯样与普通搅拌芯样相比具有更高的无侧限抗压强度与劈裂强度，其分别提高了11.3%和15.9%，能够大幅度延长基层使用寿命。