水泥稳定碎石振动搅拌试验研究

穆炜罡

(中交二公局东萌工程公司，陕西 西安 710119)

0 引 言

中国的大多数高速公路是典型的半刚性路面，由于具有振动小、噪声低等优点成为交通运输的重要方式[1-3]。在这种半刚性路面中，水泥稳定碎石的搅拌生产对其性能有着重要的影响，搅拌方式及方法的改进是提高水泥稳定碎石性能的重要途径[4-5]。传统的搅拌容易导致水泥水化反应不充分、水泥浆和集料分布不均匀等现象[6-8]。基于此，振动搅拌技术被提出，大量的学者对其理论、结构设计和工程应用进行了研究，结果表明该技术可明显改善水泥稳定碎石的力学性能[9-11]。

本文采用振动搅拌和普通搅拌2种搅拌方式，在同等条件下进行对比试验，研究振动搅拌对水泥稳定碎石性能的影响，为振动搅拌技术的工程应用提供理论基础。

1 试验材料及试验过程

试验所用水泥为曲赛牌散装PO32.5级水泥，其标准和规格符合规范《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)的要求。集料分为 0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～30 mm四挡，最大粒径为26.5 mm ，集料性能指标均满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG F 20—2015)对水泥稳定碎石基层用料的要求，拌合用水为普通生活用水。

水泥稳定碎石级配采用骨架密实型结构级配，根据逐级填充理论，通过插捣法确定水泥稳定碎石混合料的配合比，即19～26.5 mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75 mm、0.075～2.36 mm集料的比例为16.9∶27.6∶13.5∶12.4∶29.6。采用击实的试验方法，要求压实度达到98%，水泥用量采用工程中广泛应用的4.5%。利用振动击实法得出混合料的最大干密度与最佳含水量，图1为击实曲线，最大干密度为2.466 g·cm-3，最佳含水量为5.8%。

图1 4.5%水泥含量下干密度与含水量关系

为了对比振动搅拌和普通搅拌2种不同搅拌方式下水泥稳定碎石基层材料的性能，在实验室中将水泥稳定碎石配比确定后，使用德通DT60型双卧轴振动搅拌试验机制备水泥稳定碎石。振动关闭时则为普通搅拌，拌料时间为20 s，1次加料可制作10～12个试件。遵照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)击实成型水泥稳定碎石样本；并参照《公路路面基层施工技术细则》(JTG F 20—2015)中的要求进行养生和各性能参数的测试。

2 试验结果及分析

2.1 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度是指试件在无侧向压力的情况下抵抗轴向压力的极限强度，是评估基层性能的一项重要指标。本文选取7 d和28 d无侧限抗压强度来对2种搅拌方式下水泥稳定碎石的强度性能进行评估，表1为强度对比的试验数据。图2为普通搅拌和振动搅拌下的平均无侧限抗压强度。由表1和图2可知，振动搅拌相比普通搅拌，7 d无侧限抗压强度由4.97 MPa提高到5.51 MPa，提高了10.1%；28 d无侧限抗压强度由5.99 MPa提高到6.64 MPa，提高了10.9%。试验结果表明，振动搅拌水泥稳定碎石能够显著提高基层材料在不同养生阶段的无侧限抗压强度，进而提高最终成型路面的抗压强度，对延长路面的寿命具有积极作用。

表1 2种搅拌方式下7 d和28 d无侧限抗压强度试验对比

图2 不同搅拌方式下无侧限抗压强度试验对比

2.2 抗冲蚀性能

在4.5%水泥剂量下，分别取振动搅拌和普通搅拌的样本，采用一定流量的水进行冲刷性能测试，表2为试验结果。从表2中能够看出，普通搅拌水泥稳定碎石在冲刷后材料平均损失率为0.98%，振动搅拌水泥稳定碎石在冲刷后材料的平均损失率为0.71%，相对降低了38.1%，抗冲刷性能显著提高。试验结果表明，振动搅拌后的水泥稳定碎石在成型基层路面后具有明显的抗冲蚀能力。这种抗冲蚀能力间接地反映出振动搅拌可使水泥稳定碎石颗粒之间的黏聚力更强，这也与无侧限抗压强度的提高具有一致性。该结论可以用抗压强度公式式(1)来验证。从式(1)中可知，抗压强度与黏聚力之间具有正比关系，振动搅拌对水泥稳定碎石的各项性能具有全面的改善效果。

(1)

式中：R为抗压强度(MPa)；φ为内摩擦角(°)；c为黏聚力(MPa)。

表2 抗冲蚀试验对比

为了更进一步验证2种搅拌方式下水泥稳定碎石的抗冲蚀性能，将冲蚀后的样本表面进行对比，如图3所示。对比2张图片能够发现：普通搅拌水泥稳定碎石在冲蚀后表面的碎石裸露清晰，部分包裹碎石的粉料已经被完全冲刷掉，甚至出现坑洼现象；而振动搅拌试件冲刷后表面则保留较好，只有某些部位出现小的坑洼，未见碎石裸露。该结果从侧面印证了使用振动搅拌生产的水泥稳定碎石颗粒之间的黏聚力更强，说明振动搅拌后水泥稳定碎石内部结构更加致密，颗粒之间的互相作用力更强。

图3 两种搅拌方式冲蚀试验后的水泥稳定碎石表面对比

上述试验结果表明，振动搅拌能极大地提高水泥稳定碎石的7 d和28 d无侧限抗压强度，包括全周期的无侧限抗压强度，同时改善水泥稳定碎石的抗冲蚀性能和成型后路面中水泥的均匀性，对路面性能具有明显的改善作用。之所以能产生上述结果，主要是因为振动搅拌和普通搅拌的机理存在本质区别，振动搅拌是在搅拌的基础上同时加入振动，振动能量的传递使得水泥稳定碎石拌合料中的水泥颗粒处于颤振状态，能破坏水泥团粒表面的水膜，使得水泥浆体与细集料组成的黏结料更好地裹附在粗集料表面，从而优化微观结构，最终提升了宏观性能。

3 结 语

本文通过对振动搅拌和普通搅拌2种搅拌方式进行对比试验，研究了水泥稳定碎石的7 d和28 d无侧限抗压强度、抗冲蚀等性能，得到如下结论。

(1)振动搅拌下7 d无侧限抗压强度为5.51 MPa，普通搅拌下为4.97 MPa, 振动搅拌比普通搅拌提高了10.1%；振动搅拌下28 d无侧限抗压强度为6.64 MPa，普通搅拌下为5.99 MPa，强度提高了10.9%；

(2)振动搅拌水泥稳定碎石冲蚀材料的平均损失率为0.71%，普通搅拌的平均损失率为0.98%，表明振动搅拌具有更好的抗冲蚀能力。