振动拌和水泥稳定碎石基层路用性能

毋存粮 吴靖江 尚康宁 时海霞 殷卫永

摘 要：为明确水泥稳定碎石基层混合料振动拌和效果，通过力学性能试验与耐久性试验，对比分析振动拌和与普通拌和两种拌和方式的混合料性能。结果表明：与普通拌和方式的水泥稳定碎石混合料相比，在7、28、60 d齡期时，振动拌和的水泥稳定碎石混合料力学性能均提高，平均增长幅度10%;振动拌和混合料平均干缩系数减小5%，平均温缩系数减小2.3%，冻融循环后强度比提高5%;在应力比为0.5、0.6和0.7时，振动拌和成型混合料疲劳寿命分别约为普通拌和的1.2倍、1.4倍和1.5倍。

关键词：道路工程;振动拌和;水泥稳定碎石基层;路用性能

中图分类号：U414文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）01-0123-04

Abstract： In order to clarify the effect of vibration mixing of cement stabilized macadam base mixture， through mechanical property test and durability test， the mixture performance of vibration mixing and ordinary mixing was compared and analyzed. The results show that compared with the ordinary mixing cement stabilized macadam mixture， the mechanical properties of the vibration mixing cement stabilized macadam mixture are improved at the age of 7d， 28d and 60d， with an average increase of 10%. The average drying shrinkage coefficient of the vibration mixing mixture is reduced by 5% and the average temperature shrinkage coefficient is reduced by 2.3%. The strength ratio after freeze-thaw cycle is increased by 5%. When the stress ratio is 0.5， 0.6 and 0.7， the fatigue life of the vibration mixing mixture is about 1.2 times， 1.4 times and 1.5 times of that of the ordinary mixing mixture， respectively.

Keywords： road engineering;vibration mixing;cement stabilized macadam base;road performance

半刚性基层由于强度高、承载能力强、板体性好等优点，成为目前我国高速公路主要的路面基层形式[1]。半刚性基层主要采用水泥稳定碎石材料，施工过程中通常采用以强制搅拌方式为主的连续式强制搅拌机，当这种搅拌方式的转速较快时，离心力作用会使物料附着在筒壁上，且水泥稳定碎石混合料中各成分由于惯性不同，被搅拌叶片以不同的速度抛离，造成混合料离析[2-3]。为克服这种普通强制搅拌方式的缺点，振动拌和方式目前被逐步推广应用。振动拌和技术通过在搅拌装置上安装激振器使设备拌和与振动作用同时进行，团聚的细小水泥颗粒在颤振作用下分散成更小的水泥微粒，从而更均匀地分布在骨料表面。同时，振动能量使拌和料运动速度和有效碰撞次数增加，粗骨料表面被细集料及水泥更紧密包裹，显著提高水泥稳定碎石混合料搅拌的宏观与微观均匀性[4-6]。

本研究依托某国道改扩建项目，对比分析振动拌和方式与普通拌和方式成型的水泥稳定碎石混合料力学性能及耐久性，以期为相关工程应用提供参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水稳碎石混合料包含20～30 mm、10～20 mm、5～10 mm三种规格的粗集料和细集料0～5 mm石屑。粗细集料性能均满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）要求。分别在采用振动拌和与普通拌和两种不同拌和方式的水泥稳定碎石拌和站取样进行相关试验。

为消除级配、水泥用量对试验结果的影响，普通拌和与振动拌和水泥稳定碎石均选用《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）中C-B-3级配，两个拌和站所用原材料及集料合成级配均相同，合成级配如表1所示。

1.2 试验方法

1.2.1 力学性能试验。参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009），分别取振动拌和与普通拌和两种不同拌和方式的水稳混合料，并成型无侧限抗压强度、劈裂强度、抗弯拉强度和抗压回弹模量对应的试件，养生至7、28、60 d龄期，测试对应的力学性能，试验设备为MTS万能试验机。

1.2.2 耐久性试验

1.2.2.1 干缩与温缩试验。参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）T0854和T0855进行干缩与温缩试验，干缩试验监测31 d，温缩试验温度梯度为35、25、15、5、-5 ℃。

1.2.2.2 冻融循环试验。参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）T0858进行冻融循环试验，冻融循环次数为5次。

1.2.2.3 疲劳性能试验。参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009） T0856，采用MTS万能试验机对尺寸为400 mm×100 mm×100 mm、龄期为28 d的中梁进行四点弯曲疲劳试驗。荷载控制模式为应力控制方式，施加荷载为连续的Havesine波，荷载标准频率为10 Hz，应力比分别采用0.5、0.6和0.7。

2 试验结果分析

2.1 力学性能

振动拌和与普通拌和两种不同拌和方式的水泥稳定碎石基层混合料力学强度试验结果如图1所示。

由图1可知，两种不同拌和方式的水泥稳定碎石混合料的力学强度均随龄期的增长而增大;抗压强度、劈裂强度和抗弯拉强度从7 d到28 d龄期增长幅度较大，从28 d龄期到60 d龄期增长幅度较小。在7、28、60d 龄期时，振动拌和的水泥稳定碎石基层混合料比普通搅拌的水泥稳定碎石混合料，无侧限抗压强度分别提高15.2%、14.1%、10.9%，劈裂强度分别提高9.7%、8.5%、10.3%，抗弯拉强度分别提高6.5%、4.3%、6.5%，抗压回弹模量分别提高6.0%、4.4%、4%。

振动拌和成型的水泥稳定碎石混合料在不同龄期的力学性能均优于普通拌和成型的混合料，平均增长幅度为10%，表明振动拌和成型方式明显优于普通拌和成型方式。这主要是由于振动作用一方面能够打散包裹在水泥团外表面的水膜，增大水泥颗粒在混合料中的分散性;另一方面，可提升集料的运动速度及集料颗粒之间的碰撞频率，利于水泥在集料颗粒表面分散均匀，使水泥更均匀地裹覆在集料表面，从而增强水泥与集料之间的黏结，提升界面过渡区的强度，减少脆弱断裂面，使混合料形成均匀的牢固整体。

2.2 耐久性

2.2.1 温缩与干缩性能。水泥稳定碎石材料虽然有良好的结构强度与板体性，但也容易收缩开裂引起反射裂缝。水稳碎石基层开裂的原因主要包括干缩开裂和温缩开裂。水泥稳定碎石材料的收缩性能是反映其抗裂性能的重要指标，也能反映水泥稳定碎石基层的耐久性[7]。振动拌和与普通拌和两种不同拌和方式的水泥稳定碎石基层混合料干缩试验和温缩试验结果如图2所示。

由图2可知，振动拌和与普通拌和两种不同拌和方式的水泥稳定碎石混合料干缩系数随干缩时间增加逐渐增大。7 d龄期之前干缩系数增长较快，之后增长缓慢。振动搅拌水泥稳定碎石混合料干缩系数比普通搅拌的混合料干缩系数减小约5%。两种不同拌和方式的水泥稳定碎石混合料温缩系数先减小后增大，在5 ℃时达到最小值。振动拌和水泥稳定碎石混合料试件在各温度区间的温缩系数均小于普通拌和成型的试件，振动拌和试件温缩系数平均值比对应的普通拌和试件降低了2.3%。可见，采用振动拌和技术能减小水泥稳定碎石基层干缩和温缩，提高抵抗收缩变形的性能。

应用振动拌和技术能抑制水泥稳定碎石的干缩和温缩，主要是由于振动搅拌使水泥稳定碎石混合料颗粒运动剧烈，增强了混合料的对流与扩散运动，使细集料均匀地裹覆在粗集料表面，降低了由于混合料离析产生的裂缝，同时打散了粗集料表面的水膜，降低了水灰比，使界面结合处被C-S-H填充，形成致密的结构，增强了混合料的抗裂性能。

2.2.2 抗冻性能。振动拌和与普通拌和两种不同拌和方式的水泥稳定碎石基层混合料冻融试验结果如表2所示。

由表2可知，振动拌和与普通拌和两种不同方式成型的水泥稳定碎石混合料试件经5次冻融循环后，无侧限抗压强度均较未经过冻融循环的试件下降。这主要是由于冻融循环时存在较多水分滞留在试件内部孔隙中，水在低温结冰时产生较大的冻胀应力，破坏了试件的整体结构和内部的联结作用力。与普通拌和成型的试件相比，振动拌和成型的试件冻融循环后强度比提高了4.5%，表明振动拌和成型的试件具有更好的抗冻融性能。这主要是由于振动拌和能清洁集料表面粉尘，减少由于粉尘导致集料之间黏结力下降产生裂纹，且振动作用能将水泥胶团打散，使其均匀地分布在混合料中，细集料与水泥组成的胶浆均匀裹覆在粗集料表面，使水泥稳定碎石混合料不易产生离析，更加密实均匀。

2.2.3 疲劳性能试验。振动拌和与普通拌和两种不同拌和方式的水泥稳定碎石基层混合料疲劳试验每组进行三个平行试验，试验结果如表3所示，受试件本身材料不均匀及疲劳寿命的影响，试验结果存在一定的离散性。采用韦伯分布（Weibull distribution）对试验结果进行检验。以疲劳寿命Ni的对数为横坐标，以不同保证率p的对数-ln（ln1/p）为纵坐标，若Ni与-ln（ln1/p）之间具有较好的线性关系，则疲劳寿命服从韦伯分布。回归图如图3所示，在图3中，以疲劳寿命[Ni]的对数为横坐标，以不同保证率[p]的对数-ln（ln1/[p]）为纵坐标，若[Ni]与-ln（ln1/[p]）之间具有较好的线性关系，则疲劳寿命服从韦伯分布。回归方程如表4所示。由表4分析可知，回归系数均在0.9以上，满足韦伯分布。利用韦伯分布统计分析疲劳寿命，如表5所示。

由表5可知，在不同应力比下，振动拌和混合料成型试件的疲劳寿命均高于普通拌和混合料成型的试件。在应力比为0.5、0.6和0.7时，振动拌和水泥稳定碎石混合料疲劳寿命分别约为普通拌和的1.3倍、1.4倍和1.9倍，表明振动拌和水泥稳定碎石混合料耐疲劳性能明显优于普通拌和的混合料。

3 结论

通过上述对振动拌和与普通拌和两种方式成型的水稳混合料力学性能及耐久性的研究，主要得出以下结论：

①在7、28、60 d龄期时，振动拌和的水泥稳定碎石基层混合料力学性能均优于普通拌和的水泥稳定碎石混合料，平均增长幅度约10%。

②与普通搅拌的水泥稳定碎石混合料相比，振动拌和的水泥稳定碎石基层混合料平均干缩系数减小5%，平均温缩系数减小2.3%;5次冻融循环后强度比提高5%。

③在应力比为0.5、0.6和0.7时，振动拌和成型水泥稳定碎石混合料疲劳寿命分别约为普通拌和的1.2倍、1.4倍和1.5倍，表明振动拌和方式成型的水稳混合料耐疲劳性能明显优于普通拌和方式成型的混合料。

参考文献：

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[2]郑世伦，李鸿，梁旭之，等.不同拌和工艺的水泥稳定碎石基层路用性能试验研究[J].公路交通技术，2020（5）：24-31.

[3]张海涛，梁爽，杨洪生.水泥稳定碎石振动搅拌技术与性能研究[J].科学技术与工程，2017（21）：303-306.

[4]张良奇，孔鲜宁，冯忠绪.水泥稳定碎石振动搅拌装置的研制及工业试验[J].广西大学学报（自然科学版），2015（5）：1155-1161.

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[6]张海涛，梁爽，杨洪生，等.基于室内振动搅拌的水泥稳定碎石性能研究[J].中国公路学报，2018（8）：58-65.

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