不同水泥配比下的水泥稳定碎石振动搅拌性能评价

不同水泥配比下的水泥稳定碎石振动搅拌性能评价

王银魁

富蕴天山水泥有限责任公司 , 新疆 836100

摘要：水泥稳定碎石由水泥、碎石和水经搅拌设备拌和而成，其性能（如抗压抗弯强度、均匀性、开裂等）的优劣与拌和过程有着直接关系。许多学者和工程人员也对此给予验证。从卧式搅拌机叶片形状设计和安装位置入手，仿真并试验搅拌效果，能强化搅拌材料的强度。采用二次搅拌来延长搅拌时间提高颗粒的分散性，对改进水泥稳定碎石的强度和耐久性有积极作用。近几年，振动搅拌技术的出现为水泥稳定碎石克服性能弊端提供新方法，研究振动对水泥稳定碎石搅拌过程和性能的影响，对比试验结果表明，在配比中水泥含量为5%时，水泥稳定碎石振动搅拌下干缩系数比普通搅拌下平均降低18.7%。以高速公路为工程背景进行试验研究，振动搅拌下混合料更均匀，测得集料级配变异系数更小，对水泥稳定碎石的耐久性和强度有极大的提升。研究振动搅拌水泥稳定碎石在高速公路的工程应用，结果表明水泥稳定碎石基层的强度大幅度提高，能大幅度减少半刚性基层裂纹。通过试验对比，研究振动搅拌和静力搅拌对水泥稳定碎石强度的影响，结果表明振动搅拌下2种强度多次测量的标准差和变异系数均很小。

关键词：道路工程；振动搅拌；力学性能；水泥稳定碎石；黏聚力

针对传统搅拌工艺下水泥稳定碎石微观均匀性不足、易开裂等问题，通过对不同水泥含量下水泥稳定碎石在振动搅拌和普通搅拌2种搅拌方式下的性能进行对比试验。试验结果表明：在3.0%、3.5%、4.0%和4.5%等4种水泥用量下，与普通搅拌相比，振动搅拌时,水泥稳定碎石的平均含水量偏差降低34.7%，7d无侧限抗压强度和劈裂强度分别提高14.4%和23.2%，对应的平均变异系数分别降低25.4%和23.1%。说明振动搅拌通过强化搅拌过程对水泥稳定碎石力学性能提高具有明显效果，可在保证强度的前提下降低水泥用量，改善半刚性基层的抗开裂性能，具有重要的工程应用价值。水泥稳定碎石在半刚性沥青路面中被广泛应用，一直以来，水泥稳定碎石的强度不足、易开裂和耐久性差等成为高速公路的直接病害和间接隐患病害，提高水泥稳定碎石的质量成为高速路面性能改进的长期目标。因此，基于振动搅拌技术在水泥稳定碎石应用中的效果，本文系统地研究不同水泥剂量下，振动搅拌对水泥稳定碎石性能的影响规律，包括含水量偏差率、抗压强度和劈裂强度等性能指标，为振动搅拌技术的工程应用提供有益借鉴。

1振动搅拌技术机理

振动搅拌通过普通搅拌施加机械振动，使得搅拌下混合料的水泥颗粒处于振颤状态，从而破坏黏聚的水泥团单元体，使水泥颗粒得以快速、均匀分布。同时，振动搅拌使混合料的运动速度增大，增加有效碰撞次数，使水泥水化加速充分。其水化所产生的气相成分将比普通静力搅拌的气相成分更多，分布更均匀。此外，振动作用还可净化集料表面，增加水泥和集料间的界面黏结力。

2试验材料及试验过程

本文试验根据JTG/TF20—2015《公路路面基层施工技术规范》、JTGE51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规范》和JTGE42—2005《公路工程集料试验规程》等规范和标准展开。水泥采用32.5R型，分别按用量为3.0%、3.5%、4.0%和4.5%含量进行试验；集料公称最大粒径为26.5mm。在确定拌和料配比下，分别试验水泥掺入量3.0%、3.5%、4.0%和4.5%4种情况水稳碎石性能。取7d养生龄期为评价指标，分别测试2种工艺下无侧限抗压强度、劈裂强度和变异系数。水泥稳定碎石的制备用德通DT60型双卧轴振动搅拌试验机。振动关时则为普通搅拌，拌料时间20s，一次加料可制作10~15个试件，满足试验需求。

3试验结果及讨论

1. 含水量变化。在某一配比水泥稳定碎石确定后，其含水量也同时确定。正常情况下，搅拌后混合料的含水量和理论含水量存在差距，这种偏差与混合料离析呈正相关性。水泥稳定碎石在不同水泥剂量（3.0%、3.5%、4.0%和4.5%）下，与普通搅拌相比，水泥用量分别为3.0%、3.5%、4.0%和4.5%时，振动搅拌下拌和料测量含水量都高于普通搅拌；振动搅拌下含水量偏差平均降低34.7%。试验结果表明，振动搅拌水泥稳定碎石结构更致密，失水速度更缓慢，具有失水率低、混合料离析率低、搅拌更为均匀和不易开裂。

2. 力学性能。振动搅拌和普通搅拌下水泥稳定碎石的抗压强度统计。无论何种搅拌方式，抗压强度都随水泥含量的增加而提高；在4种水泥含量下，振动搅拌的水泥稳定碎石的抗压强度都高于普通搅拌，7d无侧限抗压强度平均提高14.4%，对应的强度变异系数降低25.4%。这一结果与振动搅拌的机理相吻合，说明振动搅拌混合料颗粒分散更均匀、联结更紧密。振动搅拌的各项数值优于普通搅拌，如劈裂强度平均提高23.2%，强度的变异系数却降低23.1%。抗压强度和劈裂强度是水泥稳定碎石力学性能评价的指标，二者大幅提高表明振动搅拌对混合料的搅拌效果改进明显，振动搅拌使物料分散均匀，包括水泥颗粒的分散、其他集料的分散，同时加快水化速率，缩短物化反应时间，保证物料充分参与，提升路面的力学性能。另外，从水泥节约角度看，水泥含量3.0%时振动搅拌下7d抗压强度为3.67MPa，与水泥含量3.5%时普通搅拌下7d抗压强度为3.69MPa，二者数值相当，表明同样的强度下，振动搅拌可节约水泥用量14%左右，具有极大的经济效益。

4工程应用实例对比验证

为验证本文室内试验效果，选取工程实例进行分析。基层为水泥稳定碎石，结构分为底基层和基层组合。其中，路面设计为底基层20cm厚度的水稳碎石，基层为36cm厚度的水稳碎石。选用4类粒径的碎石A（30~20mm）、B（20~10mm）、C（10~5mm）和D（5~0mm），碎石级配为A∶B∶C∶D=21∶38∶11∶30，其中水泥含量5.5%，含水率5.5%。为使路用的水泥稳定碎石更具有耐久性，选用振动搅拌和普通静力搅拌做水稳碎石性能对比。对2种工艺下的水泥稳定碎石分别做500m的标准路面试验段。工程应用结果表明：振动搅拌水稳基层芯样与普通搅拌芯样相比具有更高的7d无侧限抗压强度与劈裂强度，其分别提高11.3%和15.9%。与本试验结果平均增加11.7%和16.7%相当，具有一致性。

高速段全长26.988km，结构设计为底基层+基层的结构型式，其中底基层水泥稳定碎石的厚度设定为32cm、基层厚度设定为20cm，总计水稳混合料用量为1509950m3。为提升路面的耐久性，该路面段采用振动搅拌（德通单搅拌缸振动主机）和普通搅拌2种工艺拌合水稳碎石分别做试验段。工程应用结果表明：振动搅拌较普通搅拌所产生的矿料级配变异性显著减小，可推断振动搅拌下水稳碎石抗压和劈裂强度变异系数也明显减小，与本试验结果具有一致性。工程应用表明，振动搅拌对水稳碎石路用性能更具有明显的提升作用。一方面，可以提高其宏观力学性能，增加路面的使用寿命；另一方面，可以节约水泥，节省工程造价，实现环保节能的绿色建设。本研究具有良好的工程推广价值。

5结语

对比普通搅拌，在4种水泥剂量下，振动搅拌含水量偏差更小，平均小于普通搅拌的34.7%。比较水泥稳定碎石7d无侧限抗压强度，在4种水泥含量下，振动搅拌较普通搅拌提高14.4%，对应的强度变异系数平均降低23.2%；劈裂强度平均提高25.4%，劈裂强度变异系数平均降低23.1%。振动搅拌对水泥稳定碎石力学性能明显强化。对比工程应用实例，试验结果与工程案例应用结果具有一致性，更具有工程应用价值。

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