振动搅拌水泥稳定碎石材料关键参数及性能试验研究

蔡长松，徐钦升，吴立强，郑如岩，闫翔鹏

（1.滨州市公路事业发展中心，山东 滨州 256600；2.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；3.山东省滨州公路工程有限公司，山东 滨州 256600）

引言

在我国公路建设中，水泥稳定碎石混合料拌和方式普遍采用传统强制性拌和。在当前重载、超载交通环境下，基于振动搅拌工艺的水泥稳定碎石混合料可以明显改善传统拌和方式所存在混合料强度偏低、拌和不均匀等问题，且振动搅拌技术在保证基层强度的前提下，可以明显提升混合料的耐久抗裂性能，有效改善半刚性基层的干、温开裂及其他早期结构病害。目前，对振动搅拌技术的水泥稳定碎石混合料的性能研究较多[1-9]，但对于振动参数、搅拌参数的研究较少。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 碎石集料

选用0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、 19～31.5 mm四档优质碎石集料，且粗、细碎石集料的性能满足《水泥稳定碎石基层施工技术规范》（DB 37/T 3577—2019）要求。

1.1.2 水泥

水泥选用普通硅酸盐水泥（P.O 42.5），主要技术指标均满足《水泥稳定碎石基层施工技术规范》（DB 37/T 3577—2019）要求。

1.1.3 水

试验用水为可饮用地下水，其各项试验指标均满足《水泥稳定碎石基层施工技术规范》（DB 37/T 3577—2019）要求。

1.2 级配

根据四档碎石集料的筛分试验数据及水泥稳定碎石混合料击实试验确定的最佳含水量和最大干密度试验数据，设计确定的水泥稳定碎石混合料配合比结果，见表1。

表1 水泥稳定碎石混合料级配/%

1.3 试验方案

通过正交试验分析振动频率和振幅、搅拌总时间、湿拌时间对水泥稳定碎石混合料性能的影响，确定其最佳振动、搅拌组合方式。根据室内设备和实际应用情况，试验方案见表2。

表2 正交试验具体方案

2 数据分析

2.1 关键参数确定

根据试验方案对基于不同振动搅拌组合方式的水泥稳定碎石进行无侧限抗压强度试验，试验数据处理结果见图1～图6。

图1 振动频率-无侧限抗压强度对应关系

图6 湿拌时间-离散系数对应关系

由图1、图2分析可知，振动频率与水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度呈正相关，振动频率选 定20 Hz、30 Hz时 的差 别 较小，当 振 动频率由30 Hz提升到40 Hz时，水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度约增大21.4%；振动频率选定 20 Hz时，水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度的离散系数最大，而振动频率30 Hz、40 Hz时其离散系数相近，且离散系数值较小，综合分析选定40 Hz为最佳振动频率。

图2 振动频率-离散系数对应关系

由图3、图4可知，与振动频率相比，搅拌总时间对于振动搅拌水泥稳定碎石混合料强度影响规律不明显；选定搅拌总时间30 s的混合料无侧限抗压强度最小，而搅拌总时间选定40 s时，混合料拌和更加均匀，水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度最大，且抗压强度的离散系数最低，混合料抗压强度增大26.1%，表明搅拌总时间40 s为水泥稳定碎石混合料拌和最佳搅拌时间。

图3 搅拌总时间-无侧限抗压强度对应关系

图4 搅拌总时间-离散系数对应关系

由图5、图6可知，湿拌时间对于振动搅拌型水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度和离散系数影响具有较好的规律性，其无侧限抗压强度递增变化，离散系数递减变化；湿拌时间占比由50%提升至66.7%时，混合料无侧限抗压强度增大约8.9%，湿拌时间占比由66.7%提升至完全湿拌时，其抗压强度增大25.1%，表明干拌对水泥稳定碎石混合料的拌和作用效果较小，湿拌对其拌和效果影响更大，对于振动搅拌型水泥稳定碎石混合料采用全部湿拌方式性能更佳。

图5 湿拌时间-无侧限抗压强度对应关系

由图7可知，振动搅拌技术关键控制参数对水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度的影响湿拌时间最大，次之为搅拌总时间，而振动频率对混合料无侧限抗压强度的极差最小，表明在振动搅拌技术关键参数指标中，湿拌时间对于水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度影响最大，搅拌总时间对混合料强度的影响仅次于湿拌时间，而振动频率因在振动搅拌技术主要起强化、辅助分散改善水泥稳定碎石混合料性质的作用，故振动频率对其影响效果相对较小。

图7 振动搅拌各参数对混合料无侧限抗压强度影响

2.2 振动搅拌对混合料性能影响

2.2.1 无侧限抗压强度

根据已制定试验方案，按照规程进行水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度试验，试验结果见图8。

图8 不同成型方式水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度及离散系数

由图8可知：（1）水泥用量对水泥稳定碎石混合料的影响呈正相关，随着水泥用量增加，两种拌和方式的混合料无侧限抗压强度均变大。（2）相同水泥用量条件下，基于振动搅拌技术的水泥稳定碎石材料抗压强度更大，且离散系数偏小，水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度提升约8%，离散系数降低约3%，表明振动搅拌技术可以较好地改善水泥稳定碎石材料拌和均匀性，减少拌和离析，提高其强度均质性。（3）在强度要求指标相同的前提下，采用振动搅拌技术可以减少水泥稳定碎石混合料的水泥用量，节约资源，同时水泥剂量减少，混合料的抗裂型能也会相应提升。

2.2.2 抗裂性能

通过测量梁式试件28 d养护龄期的干缩量、失水率、干缩应变及干缩系数四个指标对水泥稳定碎石材料的抗裂性能分析，将试验数据分析处理，结果见图9～图12。

图9 混合料干缩量变化

图12 干缩系数变化

图10 混合料累计失水率变化

图11 干缩应变变化

由图9～图12分析可知，常规拌和技术与振动搅拌技术水泥稳定碎石混合料的干缩变化趋势相同；与常规拌和技术相比，在相同养护龄期下基于振动搅拌技术的混合料，其干缩量、失水率、干缩应变及干缩系数更小，其中累计干缩量减小13.7%，累计失水率减小5.8%，干缩应变减小23.1%，干缩系数减小15.1%，表明振动搅拌有效促进了水泥稳定碎石混合料的有机组合，明显改善了混合料的干缩特性，提高了混合料的抗裂性能。

3 结语

（1）对室内设备在不同振动频率及搅拌时间下成型的水泥稳定碎石混合料试件进行无侧限抗压强度试验分析，采用振动频率40 Hz、搅拌总时间40 s且100%湿拌组合时，混合料无侧限抗压强度最大，且离散系数最小。（2）与传统常规拌和技术相比，相同试验环境下，基于振动搅拌技术的水泥稳定碎石混合料拌和更加均匀，混合料无侧限抗压强度更大、抗裂性能更好。（3）同一强度指标下，振动搅拌技术可以减少水泥稳定碎石混合料水泥剂量。