水泥稳定碎石振动搅拌技术应用研究＊

王 轩，李海勋

（1.河南交通职业技术学院桥梁智能监测与安全预警河南省工程实验室，河南 郑州450000；2.河南省高速公路科普基地，河南 郑州450000；3.河南省灵宝市农村公路管理所，河南 三门峡472500）

1 研究背景

路面反射裂缝是半刚性基层公路建设与养护难题，稳定基层设计和施工中容易出现配合比设计和混合料搅拌不均匀因素的影响，在施工中容易出现离析现象，直接影响半刚性基层的强度和稳定性，后期在行车过程中受温度和湿度等原因诱发的基层干缩和温缩开裂，发展为反射裂缝，雨水的渗入加剧了病害的发展，影响道路的正常行车，缩短道路的使用寿命并危害交通安全。因此研究应用振动搅拌技术，提升道路水泥稳定性基层质量，改善由拌和质量不均带来的各类水稳基层病害，是一种有效的方法。通过对传统搅拌技术和振动搅拌技术对比试验，发现采用振动搅拌技术的稳定基层有明显的优势。实践表明：振动搅拌技术能够通过特定的振动频率增加拌和能量，改善搅拌过程，有效改善稳定材料微观均匀性与结构，显著减少拌和过程中离析现象的产生，提高水稳基层的强度与耐久性，减少和延缓反射裂缝的生成[1-2]。

2 稳定基层振动搅拌技术作用分析

2.1 有效减少半刚性稳定基层的反射裂缝

采用水泥稳定碎石作为道路基层半刚性材料是工程常见的设计方案，在配比设计中，水泥用量通常控制在5%～30%，目前国内外广泛使用的双卧轴连续式搅拌机的施工有效拌和时间一般在6～8s，搅拌时间较短，搅拌速度偏低且容易造成混合料搅拌不均匀，影响混合料的和易性及后期的强度，出现离析、水泥结团现象，粉料和部分细料不能充分地均匀弥散和包裹粗骨料，粗骨料表面干燥露白，黏结力下降，在装卸、运输、摊铺过程中容易出现离析分层现象，直接影响稳定基层结构的强度和耐久性，在凝结硬化过程中受湿度和温度影响，容易出现反射裂缝等质量隐患[3]。工程中为了保证基层达到设计强度和承载力要求，水泥用量普遍取设计值或施工规范范围的上限，这样水泥用量偏大导致基层成型后容易出现裂缝，如果水泥剂量取规范中要求值的下限，水泥剂量偏小，就很难保障基层强度，影响承载能力。半刚性稳定基层一旦出现反射裂缝，雨水的渗入导致基层水分积聚，导致路面发生唧泥、脱空等损坏，影响路面正常行车。

2.2 新规范对半刚性基层性能与搅拌设备要求提高

在半刚性基层施工过程中，混合料搅拌不均匀导致粗骨料表面干燥露白，引起宏观不均匀离析现象，水泥等粉料和细料出现结团现象，属于微观不均匀，导致细料不能充分弥散和包裹粗骨料，无法形成均匀的固、液、气三相匀质微观结构，无法达到设计的要求[4]。因此，2015年交通版行业规范JTG/TF20—2015《公路路面基层施工技术细则》对搅拌均匀性提出了更为严格要求：高速公路基层稳定混合料拌和时，宜采用2次拌和的生产工艺，也可以采用间隙式拌和生产工艺。主要原因是现在工程施工中大多数混合料拌和设备的拌缸长度不大于5m，大部分混合料在施工中拌和时间不超过10s，混合料拌和的均匀性很难保证，与旧规范对比，稳定土的强度要求明显提升，对比分析如表1、表2所示。

表1 旧规范的水泥稳定碎石的抗压强度标准

表2 新细则的水泥稳定材料的7d龄期无侧限抗压强度标准

另外，与旧规范对比，新规范细则稳定土的压实度指标也提升了1%～2%，因此对稳定土性能与搅拌设备提出了更高的要求[5-6]。

2.3 工程施工搅拌减排增效的新需求

施工企业要求提高效益、节省成本，同时达到节能减排的要求，在这种背景下，工程施工围绕改进工艺和减低成本同时展开，在压缩成本、提高效率方面各搅拌站在规划、设计和建设期间，积极开展技术研发，进行环保达标、提质增效、技能减排、设备升级改造。根据工程施工季节性强的规律，每年4—10月是工程施工的黄金季节，冬季则是施工的淡季，施工旺季稳定土搅拌站产能往往满负荷运转也难以保障工程进度要求，采用增加新设备提高产能不经济，也可能造成设备闲置时间长，所以企业往往采用最经济实用的方法，在现有设备基础上进行升级改造，提高产品质量和生产效率。在这样提质增效的背景下，采用振动拌和技术、缩短混合料拌和时间或提高拌和能力保证工程质量是一种相对有效的途径。

采用振动搅拌技术，优化施工工艺。以双卧轴连续搅拌稳定碎石施工为例，设备正常工作时，拌筒中转动的搅拌臂及叶片存在速度梯度，设备圆形中心部分靠近圆筒轴的速度低，外侧靠近拌筒壁处比中心处的速度高，速度梯度的差异造成了拌筒内不同圆环带的均匀性存在规律性的差异。搅拌的低效率区域位于拌筒中心部位，搅拌速度较低，采用振动搅拌技术作业，由于搅拌臂、搅拌叶片与搅拌轴等附加振动能量，振动力作用在周围的混合料上，消除了搅拌低效区，搅拌轴上黏附的细粉料结团明显减少，同时振动使搅拌结构与水泥稳定碎石之间的摩擦力减小，搅拌机构的磨损减小，延长了搅拌结构等易损件的使用寿命。

增加二级搅拌机，保证拌和质量。为了增加有效搅拌时间，一般采用增长搅拌筒的有效长度，但对搅拌结构装置有更高的要求，搅拌轴较长对设备来说制造使用会造成一定的困难，成本相应也会增加。不少施工采用两级搅拌的方法来增加搅拌时间，将混合料通过一级搅拌机后进入二级搅拌机，相当于2次同样的搅拌，这样水泥能够充分水化，提高混合料的均匀性，虽然采取二级搅拌设备能够在保证生产率的同时，使混合料搅拌更均匀，保证水泥稳定土的强度，但是增加了功率的消耗，同时对施工场地的布局要求也更高，整体布局对于二级搅拌的应用还是有一定的局限性。采用振动搅拌技术，将强制搅拌与振动相结合，促进了混合料微观上扩散的速度，从而提高混合料的匀质性。但是水泥稳定土混合料，水泥用量只在5%左右，水的含量也很小，搅拌最终表现出来的是松散的颗粒状态，而且在水泥混凝土的搅拌过程中一般为间歇式设备，水泥稳定土一般为连续式，虽然搅拌主机目前多为强制式双卧轴搅拌机，有一些搅拌理论及结构设计应用经验可以借鉴，但是在连续式搅拌机中添加振动的方式及效果还需要进一步研究分析。

3 工程项目简介

某地外环高速公路位路线全长22.6km，为了研究采用振动搅拌技术对水泥稳定碎石性能的影响，分别采用振动搅拌技术设备生产和普通双拌缸设备生产水泥稳定碎石性2组对比试验，进行2种不同情况下水泥稳定碎石性能研究，对比分析2种搅拌方式下水泥稳定碎石性能。

3.1 混合料搅拌设备

对比试验为是双卧轴振动搅拌机与普通搅拌双拌缸，振动搅拌设备的搅拌和振动分别由各自的驱动电机驱动，因此在搅拌的过程中实现振动，不会影响设备的可靠性及稳定性。2种搅拌设备的主要参数如表3所示。

表3 搅拌机性能参数对比

3.2 试验方案

本试验拟采用万里交科德通DT600ZBT型高性能稳定土振动搅拌站，在原材料、配合比和碾压工艺等保持一致的条件下，与传统静力拌和方式的800型双拌缸在混合料7d无侧限抗压强度和反射裂缝2个方面进行对比。

3.3 配合比

3.3.1 设计要求

水泥稳定碎石基层压实度不小于98%，7d浸水无侧限抗压强度标准值不小于4.0MPa，水泥剂量根据强度要求确定，建议剂量5.0%～6.0%；水泥稳定碎石底基层压实度不小于97%，7d浸水无侧限抗压强度标准值不小于3.0MPa，水泥剂量根据强度要求确定，建议剂量3.0%～4.0%。

3.3.2 原材料

水泥采用P.O42.5水泥，集料由采石场提供，分19～31.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、0～4.75mm四种规格，选用普通饮用水。

3.3.3 配合比

依据JTG/E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行原材料和混合料试验，确定生产配合比供料比例为19～31.5mm碎石∶9.5～19mm碎石∶4.75～9.5mm碎石∶0～4.75mm石屑=28%∶36%∶11%∶25%；下基层目标配合比水泥剂量为4.3%，最大干密度为2.198g/cm3，最佳含水率为6.4%；中基层目标配合比水泥剂量为4.8%，最大干密度为2.199g/cm3，最佳含水率为6.6%。

4 试验结果分析

4.1 试验段铺筑情况

在试验段进行了振动拌和水泥稳定碎石与普通搅拌双拌缸下基层试验段的铺筑。水泥剂量为4.0%，各集料实际比例为19～31.5mm碎石∶9.5～19mm碎石∶4.75～9.5mm碎石∶0～4.75mm石屑=200∶440∶130∶230。

4.2 无侧限抗压强度

根据细则要求对2种混合料进行室内试件成型，并对2组试验成型试件进行无侧线抗压强度试验对比，结果如表4和表5所示。

表4 振动拌和水泥稳定碎石下基层7d无侧限抗压强度结果

表5 双拌缸普通拌和水泥稳定碎石下基层7d无侧限抗压强度

从表中可以看出，在4%水泥剂量下，双拌缸普通拌和时水泥稳定碎石强度代表值为4.0MPa，变异系数为6.9%，满足规范中高速公路、一级公路对基层强度的要求，而对4%水泥剂量的水泥稳定碎石采用振动搅拌时，水泥稳定碎石强度代表值为3.0MPa，变异系数为5.4%。2组试验数据相比，振动搅拌比双拌缸普通搅拌强度提高15%，变异系数降低22%，具有良好的经济价值。

4.3 裂缝观测方案

在基层铺筑前，对下基层试验段的裂缝情况进行一次全面调查，并与普通静力搅拌下基层路段进行对比。沥青路面铺筑后，建立定期对比观测计划，采用目测和探地雷达相结合的方案对试验路段和对比路段的反射裂缝进行观测和记录，观测时间建议定为1个月、3个月、6个月、12个月和24个月。

5 结论

将振动搅拌技术应用于水泥稳定碎石混合料的搅拌过程中，通过试验对比和工程应用实验检测对比分析，研究了基于振动搅拌技术对水泥稳定碎石混合料的性能影响结果及其作用机理。

实践证明：采用振动搅拌技术能有效改善水泥稳定碎石水泥团现象，有效改善搅拌低效区的强度，减少离析，能使水泥颗粒分散得更加均匀，改善了混合料的匀质性，对粗骨料表面的净化及增强黏结强度有明显的效果，有效保障稳定碎石的强度。同配比水泥稳定混合料在振动搅拌技术下，有效地提高了水泥稳定碎石各项性能指标；在保障强度的条件下，减少水泥剂量，同样能达到传统搅拌下混合料的施工质量，同时提升了设备的稳定性、减少了设备损耗、降低了人工成本。