搅拌工艺对水稳碎石均匀性与强度的影响

2019-11-05王进勇张东长王全磊王火明

筑路机械与施工机械化 2019年10期

王进勇，陈飞，张东长，王全磊，王火明

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司道路与岩土工程院，重庆 400067； 2.山区道路工程与防灾减灾技术国家地方联合工程实验室，重庆 400067； 3.长安大学公路学院，陕西西安 710064)

0 引言

水泥稳定碎石是中国高等级公路基层常用的半刚性材料。强度是水泥稳定碎石最重要的技术指标，对其使用耐久性有重要影响[1-2]。显然，增加水泥用量可直接提高水稳基层的强度，但同时开裂也将增多，对耐久性极为不利。因此，在不增加水泥用量的前提下，如何提高水泥稳定碎石混合料的强度及使用耐久性，成为近年来业内的研究热点。王峰[3]、李洪波[4]、谢海彬[5]等提出，设计骨架密实型水泥稳定碎石结构可提高混合料强度；刘九正[6]提出采用骨架密实结构并通过振动压实法进行配合比设计，可提高水稳基层的强度与密实度；司马静[7]、杨江丽[8]、孙红伟[9]等提出，优化施工与养生工艺、严格控制施工质量有利于提高水泥稳定碎石基层的强度和稳定性。上述研究和应用在一定程度上对提高水泥稳定混合料性能起到了积极作用，但并未涉及搅拌工艺对材料性能的改善效果。

实际上，搅拌工艺对水泥、水以及集料等的分散和裹附效果有重要影响，从根本上影响着水稳混合料的力学性能与路用性能[10]。王旭东等[11]提出采用二次搅拌工艺，并通过延长搅拌时间来改善水稳混合料的拌合物理性能(分散均匀性和裹附效果)，以有效地提高水稳混合料的强度和耐久性。近两年出现了水泥稳定碎石振动搅拌新技术，其目的也是通过提升材料搅拌均匀性更大程度激发材料的潜能，从而提升其强度[12-13]。鉴于此，本文结合二次普通搅拌与振动搅拌工艺，依托科研和工程应用项目，研究改进型二次搅拌工艺对水泥稳定碎石混合料搅拌效果与强度的影响，为推广应用提供支撑，也是对水泥稳定半刚性基层领域研究成果的有益补充。

1 振动搅拌技术原理

振动搅拌是在传统普通静力搅拌的基础上增加了振动工艺，即由叶片的强制搅拌和拌缸下卧轴连续振动发挥双重作用[14]。振动搅拌工艺对水泥稳定碎石材料性能改善的原理可从两方面来讲。

其一，下卧轴的振动作用，可连续释放一种高频次(1 500 次·min-1)的弹力波[15-16]，弹力波实时向各个方向传递振动能量，可使水泥稳定碎石材料长期处于振颤状态，尤其对水泥颗粒、水分子以及细集料影响明显，可有效破坏水泥与水泥砂浆的结团，使水泥稳定碎石材料在宏观和微观上分布更加均匀，如图1所示。

其二，由于振动作用产生的能量波的高频次持续扩散，可使水泥稳定碎石材料颗粒之间的撞击能量达到普通静力搅拌的10倍以上[17]，明显增大材料颗粒的运动速度、有效碰撞次数、接触频率及接触面积，从而加速水泥水化，弥补传统搅拌的盲区，提高搅拌效率。

图1 振动搅拌有效消除水泥浆结团

2 对比方案与集料组成设计

2.1 搅拌工艺对比方案

结合研究目的并依托施工现场搅拌站建设情况设计对比方案。本次水泥稳定碎石基层材料搅拌工艺均设计为2台拌缸串联的二次搅拌方式，不同之处体现在第二次搅拌是否采用振动搅拌，具体对比方案如表1所示。

表1 搅拌工艺对比方案

2.2 集料组成设计

为了更清楚地对比不同搅拌工艺下水泥稳定碎石混合料的均匀性，避免级配造成的不良影响，采用较优级配。采用骨架嵌挤密实结构，并通过贝雷法CA(粗集料比)、FAC(第二控制筛孔通过率与第一控制筛孔通过率的比值)以及FAF(第三控制筛孔通过率与第二控制筛孔通过率的比值)3个参数评价设计级配骨架嵌挤密实效果。CA评价集料中粗集料部分的嵌挤情况；FAC评价细集料中粗料部分与细料部分的嵌挤填充情况；FAF评价合成级配中最细一级集料的嵌挤填充情况。根据有关研究成果[18]，对于公称最大粒径为26.5 mm的级配，CA取0.70～0.85，FAC为0.35～0.50，FAF为0.35～0.50。

水泥采用P·C32.5R型号，用量为4.5%；集料公称最大粒径为26.5 mm；级配设计结果如表2所示，级配检验结果如表3所示，设计级配试件断面结构如图2所示。可以看到，设计的级配骨架嵌挤密实效果较好。

表2 设计级配主要筛孔通过率

表3 级配检验结果

3 材料搅拌均匀性

3.1 试验方法

搅拌均匀性对水泥稳定碎石半刚性基层的强度以及抗裂、抗冲刷、使用耐久性能有重要影响。本文基于试验数据，采用筛分试验与水泥EDTA滴定试验，以集料关键筛孔通过率与水泥剂量试验结果的平均值、标准差以及变异系数作为数学统计量分析搅拌均匀性。筛分试验统计结果直接体现施工级配的波动，间接反映集料分布的宏观均匀性；水泥EDTA滴定试验统计结果可反映水稳混合料中水泥分散的均匀性，一定程度上表征微观均匀性[19]。

图2 试件断面集料结构

3.2 试验结果分析

3.2.1 集料搅拌均匀性

根据设计的2种搅拌工艺方案，在摊铺机后分别取水泥稳定碎石混合料进行水洗筛分试验，每种工艺进行8组平行试验，取料间隔为15 min。分别统计19、13.2、9.5 mm以及4.75 mm筛孔的通过率以及通过率平均值、标准差SD及变异系数CV，试验结果如表4所示。

表4 筛分试验关键筛孔通过率统计结果

从表4可以看到，方案1(第二次搅拌采用振动搅拌)与方案2(普通搅拌)相同筛孔的通过率平均值非常接近，且均接近设计通过率。这说明水稳基层集料质量控制比较可靠，可保证施工级配总体稳定，也为对比试验提供了良好基础。

总体来看，2种方案的4个关键筛孔通过率的标准差与变异系数均处于比较低的水平，变异系数基本处于2%～7%的范围。这表明采用2台拌缸串联的二次搅拌工艺确实改善了水泥稳定碎石混合料的搅拌均匀性。

相比普通搅拌(方案2)，采用振动搅拌工艺(方案1)后，各关键筛孔通过率的标准差与变异系数均有不同幅度的减小，比如19 mm与13.2 mm筛孔的通过率变异系数分别减小了26%与13%，9.5 mm与4.75 mm筛孔分别减小了50%与53%。结果表明，采用振动搅拌工艺可进一步提升集料分布的均匀性，且集料粒径越小，改善效果越明显；同时也间接反映出，由于黏结结团等原因，水泥稳定碎石混合料搅拌的非均匀性在粒径较细的集料中表现得更明显。

3.2.2 水泥分散均匀性

水泥EDTA滴定试验时，平行试验组数、取料位置和时间间隔与集料筛分试验相同。2种搅拌工艺方案的水泥用量滴定试验结果以及水泥用量平均值、标准差SD、变异系数CV的统计结果如表5所示。

由表5水泥滴定试验统计结果可知，2种工艺的水泥用量滴定结果均值比较接近。在标准差与变异系数整体处于较低水平(4%～7%)的情况下，采用方案1工艺(第二次搅拌采用振动搅拌)进一步降低了标准差与变异系数，其中标准差降低了34%，变异系数降低了36%。此结果说明，虽然采用二次搅拌工艺的水泥稳定碎石混合料中水泥的分散比较均匀，整体变异水平也较低，但如果第二次搅拌采用振动搅拌工艺，通过持续振动作用，可更大程度地消除水泥浆体的结团现象，使水泥用量变异水平更低，水泥分散更加均匀。

表5 水泥用量滴定试验统计结果

观察采用方案1生产的水泥稳定碎石混合料，发现混合料整体颜色较深，水泥本身的颜色体现得更加充分，且大粒径碎石表面水泥浆裹附得很好，碎石表面有“长毛”的现象，如图3所示。此为水泥浆搅拌分散更加均匀的外在表现。

图3 振动搅拌混合料水泥浆裹附均匀

4 强度与施工均匀性

4.1 试验方案

强度是水泥稳定半刚性基层最关键的性能指标，直接影响基层的承载力，《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)中对水泥稳定半刚性基层强度的要求较以前也有所提高，说明了提升强度的重要性。施工均匀性则对强度的变异水平有较大影响，进而影响路面结构的使用耐久性[20]。本次设计的研究对比方案与实施方案如表6所示，方案1与方案2采用相同碾压与养生工艺。

表6 搅拌工艺对比实施方案

4.2 试验结果分析

养生后，在实施2种搅拌工艺方案的路段分别随机钻取9组芯样，并切割成高径比1∶1的标准试件，如图4所示。测试统计芯样的无侧限抗压强度均值、标准差SD、变异系数CV与95%保证率下的强度代表值。试验结果如表7所示。

图4 切割前后芯样

表7 无侧限抗压强度试验统计结果

从表7试验结果可知，方案1(第二次搅拌采用振动搅拌)的7 d与28 d无侧限抗压强度均值与代表值均大于方案2，9组芯样的强度标准差与变异系数均小于方案2。此结果表明，第二次搅拌采用振动搅拌工艺可显著提高水泥稳定碎石混合料的强度并降低强度变异水平，改善施工均匀性。因此，在施工生产中，建议在第二次搅拌采用振动搅拌工艺。

分析数据发现，方案1相比方案2，7、28 d强度均值与代表值提高幅度、变异系数降低幅度不同，对比结果如图5所示。数据显示，28 d无侧限抗压强度均值与代表值的提高幅度均大于7 d抗压强度的提高幅度，28 d强度变异系数降低幅度也大于7 d的降低幅度。这说明，随着养生时间的延长，采用方案1对水泥稳定碎石基层强度的提升与施工均匀性的改善效果更充分。

图5 方案1与方案2对比

究其原因，方案1的振动搅拌方式改善了水泥稳定碎石材料的搅拌均匀性，尤其在很大程度上消除了水泥与细集料的黏结结团现象，使水泥浆的分散以及对粗集料的裹附更加充分，水泥的水化作用更加均匀。在水泥稳定碎石强度增长较快的28 d内，由于材料的搅拌均匀性引起的强度与施工均匀性提升幅度会有所增大，但在28 d以后提升幅度就变得比较稳定了。