江仲明

（安徽公路橋梁工程有限公司，安徽 合肥 230001）

0 引言

伴隨半剛性基層瀝青路面應(yīng)用越來(lái)越廣泛，所表現(xiàn)出來(lái)的缺點(diǎn)也越來(lái)越明顯。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)在公路施工中尤為注重水泥穩(wěn)定碎石基層，特別是針對(duì)其易裂性特征研究最為深入。因此本文介紹了振動(dòng)攪拌技術(shù)在水泥穩(wěn)定碎石中的應(yīng)用，分析了其影響機(jī)理，希望研究?jī)?nèi)容可以幫助水泥穩(wěn)定碎石基層施工解決易裂性的問(wèn)題。

1 振動(dòng)攪拌技術(shù)介紹

1.1 振動(dòng)攪拌技術(shù)發(fā)展歷程

1972年，蘇聯(lián)技術(shù)人員首次在實(shí)驗(yàn)室中使用了下置式振動(dòng)攪拌試驗(yàn)機(jī)，大大提升了混凝土質(zhì)量與穩(wěn)定性[1]。馮忠緒教授在 1992年正式開(kāi)啟了世界震動(dòng)攪拌技術(shù)的應(yīng)用新時(shí)代。西安德通在2012年研發(fā)成功了世界首臺(tái)混凝土振動(dòng)攪拌機(jī)，而水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)攪拌機(jī)是在其基礎(chǔ)上偶然研發(fā)出來(lái)的，并在國(guó)內(nèi)各級(jí)道路基層施工中開(kāi)始應(yīng)用。這種技術(shù)一方面能夠有效減少水泥用量，實(shí)現(xiàn)施工成本的降低；另一方面還能夠有效降低半剛性基層裂縫，從而大大提升路面基層的耐用性[2]。

1.2 振動(dòng)攪拌技術(shù)原理

在攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料的基礎(chǔ)上，再配合振動(dòng)作用，可以讓混合料粒出現(xiàn)對(duì)流并擴(kuò)散，從而就保證粒徑比較小的材料分布的均勻性與彌散性。當(dāng)水泥漿以及細(xì)集料顆粒在粗骨料表面上呈現(xiàn)出均勻分布狀態(tài)以后，一方面可以避免粗骨料出現(xiàn)露白的情況，另一方面還可以實(shí)現(xiàn)混合料的均勻分布[3]。

振動(dòng)攪拌技術(shù)的原理就是將激振器引入到普通攪拌機(jī)之中，利用傳動(dòng)裝置來(lái)發(fā)揮振動(dòng)軸的振動(dòng)作用，從而就可以在強(qiáng)制攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料的過(guò)程中，讓混合料顆粒受到振動(dòng)作用。這種狀態(tài)下，在振動(dòng)作用的影響下混合料顆粒會(huì)明顯提升運(yùn)動(dòng)速度，從而彼此間的碰撞頻率與碰撞強(qiáng)度都會(huì)大大提升，而因?yàn)槭艿竭@種作用力，水泥漿和細(xì)集料都會(huì)在粗骨料表面呈現(xiàn)出均勻的分布狀態(tài)。從而就會(huì)在提速水泥水化反應(yīng)的同時(shí)，讓水泥穩(wěn)定碎石改變自身內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)[4]。

相比于普通攪拌機(jī)來(lái)說(shuō)，振動(dòng)攪拌機(jī)在攪拌頻率上有明顯提升，并且還可以釋放出1500次+/min的振動(dòng)彈力波，所以振動(dòng)攪拌機(jī)對(duì)混合料形成的撞擊能量會(huì)超出10倍的靜力攪拌機(jī)所形成的撞擊能量。振動(dòng)攪拌會(huì)導(dǎo)致細(xì)集料全部呈現(xiàn)出彌散狀分布，水泥得到充分水化，水泥水化產(chǎn)物就會(huì)牢牢粘結(jié)在骨料表面上，從而就可以保證混合料抗裂性、耐用性等性能得到有效提升。

1.3 振動(dòng)攪拌技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.3.1 保證微觀結(jié)構(gòu)的均勻性與致密性

水泥穩(wěn)定碎石中，水泥顆粒直徑、粉煤灰顆粒直徑、水滴最小直徑分別是3-80微米、45微米左右和20微米左右。必須要保證混合料中所有直徑微小的顆粒性材料呈現(xiàn)出均勻分布的狀態(tài)，才可以保證微觀結(jié)構(gòu)的均勻性。從攪拌機(jī)理角度來(lái)說(shuō)，以往攪拌技術(shù)存在非常大缺陷，根本沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的均勻性。利用掃描電鏡在相同配比的基礎(chǔ)上來(lái)對(duì)比經(jīng)兩種攪拌機(jī)攪拌的水穩(wěn)材料，在2000倍放大的條件下會(huì)發(fā)現(xiàn)兩種水穩(wěn)材料存在明顯區(qū)別[5]。通過(guò)傳統(tǒng)攪拌機(jī)攪拌好的水穩(wěn)材料，骨料表面會(huì)附著很多微小松散的CSH凝結(jié)顆粒，但是粘結(jié)性較弱，并且會(huì)出現(xiàn)明顯的粗細(xì)骨料與水化產(chǎn)物的分界線，且過(guò)渡相結(jié)構(gòu)松散。相比之下，通過(guò)振動(dòng)攪拌機(jī)攪拌好的水穩(wěn)材料，水泥水化會(huì)更加充分，粗細(xì)骨料與水化產(chǎn)物完美地融合在一起，微小顆粒材料呈現(xiàn)出均勻分布狀態(tài)，微觀結(jié)構(gòu)具有良好的均勻性與致密性。

1.3.2 避免出現(xiàn)材料嚴(yán)重離析的情況

在攤鋪水泥穩(wěn)定碎石材料的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)離析情況，通過(guò)振動(dòng)攪拌能夠有效避免出現(xiàn)材料嚴(yán)重離析的情況。在振動(dòng)攪拌的過(guò)程中，粒徑在37.5mm以上的水穩(wěn)材料會(huì)在攤鋪層形成非常均勻的分布，并不會(huì)產(chǎn)生骨料溜肩的離析問(wèn)題。同時(shí)，基層表面在碾壓過(guò)后。粗骨料呈現(xiàn)出非常均勻的狀態(tài)，路面整體非常嚴(yán)密結(jié)實(shí)[6]。

1.3.3 切實(shí)提升材料和易性

通常情況下，攪拌混合料在攤鋪和碾壓的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)壓實(shí)難的問(wèn)題，而且基層底部壓實(shí)不足。而通過(guò)振動(dòng)攪拌，能夠讓水顆粒與細(xì)集料顆粒呈現(xiàn)明顯的均勻彌散狀態(tài)，在這種情況下，混合料就會(huì)比較容易壓實(shí)，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)上下均勻的完整芯樣。

2 振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石性能影響

2.1 水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)成分分析

攪拌水泥穩(wěn)定碎石的時(shí)候，混合料水泥和水會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，并且溶液中會(huì)出現(xiàn)氫氧化鈣（Ca(OH)2），溶液各種類型的離子會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到飽和。水泥水化初期的時(shí)候，溶液中主要會(huì)出現(xiàn)鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）[7]。經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的反應(yīng)，逐漸開(kāi)始出現(xiàn) Ca(OH)2與硅酸鈣水化物。經(jīng)過(guò)幾天的反應(yīng)，鈣礬石會(huì)慢慢分解成單硫型硫鋁酸鹽水化物，而如果鋁含量過(guò)高或者硫酸鹽不足的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)鋁酸鈣水化物。硅酸鈣、鋁酸鈣水化物作為主要的水泥穩(wěn)定碎石粘結(jié)成分，會(huì)慢慢硬化并形成水泥石。并且，骨料與水泥石兩者間會(huì)出現(xiàn)明顯的界面過(guò)渡層，其在組成成分類似于水化水泥漿體，然而微觀結(jié)構(gòu)與性能卻大大區(qū)別于水泥石本體，需要將其視作一個(gè)單獨(dú)的相。所以，水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的主要影響因素有三種：骨料、水泥石與界面過(guò)渡層。

2.2 強(qiáng)度影響研究

對(duì)于很多結(jié)構(gòu)材料而言，強(qiáng)度破壞在一定程度上就意味著出現(xiàn)裂縫。然而對(duì)水泥穩(wěn)定碎石材料來(lái)說(shuō)，受到外力影響之前就已經(jīng)存在細(xì)小裂縫，所以，水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度會(huì)和導(dǎo)致破壞的應(yīng)力存在聯(lián)系，可以將其視為水泥穩(wěn)定碎石可以接受的最大應(yīng)力。水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)中最為薄弱的一點(diǎn)是界面過(guò)渡層強(qiáng)度，因此，水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的最大決定因素就是界面過(guò)渡層強(qiáng)度，所以，強(qiáng)化界面過(guò)渡層強(qiáng)度為提升水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的關(guān)鍵點(diǎn)。

振動(dòng)攪拌可以提升水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的主要原因，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）通過(guò)振動(dòng)攪拌可以讓水泥穩(wěn)定碎石受到振動(dòng)作用的影響，讓骨料附近與界面過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)水膜破裂的情況，這樣水膜表面積就會(huì)大大增加，而震顫作用同樣會(huì)讓團(tuán)聚的水泥顆粒呈現(xiàn)出明顯的均勻分布狀態(tài)，這樣參與水化反應(yīng)的水泥量就會(huì)大大提升，從而水泥水化產(chǎn)物生成量數(shù)量就會(huì)有明顯提升[8]；

（2）受到振動(dòng)作用的影響，骨料底部大水囊就會(huì)出現(xiàn)破裂情況，使水泥石與界面過(guò)渡區(qū)兩者的水灰比大大降低，水化硅酸鈣晶體在微觀結(jié)構(gòu)上會(huì)更加緊密且細(xì)小，降低大孔隙數(shù)量；

（3）受到振動(dòng)作用的影響，水泥石與界面過(guò)渡區(qū)就會(huì)出現(xiàn)大氣孔破裂，并形成不會(huì)影響到水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的微小氣泡，避免由于氣孔出現(xiàn)而導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度降低；

（4）受到振動(dòng)作用的影響，骨料表面存在的泥水就會(huì)得以有效清除，從而就會(huì)有利于骨料與水泥漿體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，讓過(guò)渡區(qū)孔隙內(nèi)部的水泥漿體可以順利地與骨料間形成充足的化學(xué)反應(yīng)，生成鋁酸鹽水化物，降低過(guò)渡區(qū)中Ca(OH)2的濃度，這樣就可以有效提升過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度，從而就會(huì)提升水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度[9]。

2.3 抗裂性影響研究

水泥穩(wěn)定碎石容易出現(xiàn)基層裂縫的主要原因有四種：一是存在大劑量水泥含量；二是混合料混合不充分；三是細(xì)集料表面積過(guò)大；四是環(huán)境溫度出現(xiàn)變化。通過(guò)振動(dòng)攪拌，可以有效降低水泥穩(wěn)定碎石基層的裂縫數(shù)，主要原因是振動(dòng)作用可以在同等強(qiáng)度基礎(chǔ)上降低水泥用量，讓水泥石彈性模量與收縮系數(shù)得到有效降低，相應(yīng)地就會(huì)降低用水量，然混合料含水量大大下降，避免因?yàn)樗纸档投鴮?dǎo)致出現(xiàn)干縮現(xiàn)象。振動(dòng)攪拌可以讓骨料表面灰塵得到清除，讓骨料和水泥漿充分混合，避免骨料表面出現(xiàn)露白情況，并且避免骨料表面出現(xiàn)裂縫。振動(dòng)作用還可以讓團(tuán)聚水泥顆粒重新恢復(fù)成均勻分布狀態(tài)，確保全部水泥顆粒都可以充分參與到水化反應(yīng)之中，讓水泥產(chǎn)物尚未硬化以前留存出充足的空間自由生長(zhǎng)，避免尚未完全水化的水泥因?yàn)槔^續(xù)水化而出現(xiàn)壓應(yīng)力，并且壓應(yīng)力過(guò)于集中而出現(xiàn)裂紋。并且受到振動(dòng)作用的影響會(huì)提升顆粒間的碰撞強(qiáng)度與頻率，讓全部成分都呈現(xiàn)出均勻的分布狀態(tài)，避免因?yàn)殡x析情況而導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫[9]。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

所選工程為滁淮高速定遠(yuǎn)至長(zhǎng)豐段路面02標(biāo)工程，路面全長(zhǎng)為32.799km，所使用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車(chē)道高速公路，預(yù)計(jì)速度為 120Km/h。主線路基寬度為27m，路面寬度為23.5m，采取水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青混凝土為路面結(jié)構(gòu)。本次共設(shè)置了三個(gè)試驗(yàn)段，長(zhǎng)度均為400m，水泥劑量設(shè)定為4.5%，級(jí)配類型均為強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)，試驗(yàn)段SY01采取傳統(tǒng)攪拌方式進(jìn)行攪拌，試驗(yàn)段SY02采取振動(dòng)攪拌方式進(jìn)行攪拌，試驗(yàn)段SY03采取雙拌缸拌和進(jìn)行攪拌。所使用的水泥類型為P.C 32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，SY01最大干密度設(shè)定為 2.433g·cm-3、最佳含水量設(shè)定為4.3%、水劑含量設(shè)定為4.0%；SY02最大干密度設(shè)定為2.414g·cm-3、最佳含水量設(shè)定為4.2%、水劑含量設(shè)定為3.5%；SY03最大干密度設(shè)定為2.414g·cm-3、最佳含水量設(shè)定為4.2%、水劑含量設(shè)定為3.5%[10]。

3.2 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)分析

3.2.1 混合料拌制

（1）保證工程原材料質(zhì)量，堆放時(shí)需要隔倉(cāng)堆，且要設(shè)置規(guī)格標(biāo)志；

（2）需要保證混合料攪拌充分，為避免出現(xiàn)竄料情況需要設(shè)置≥1m的料斗間隔板，水泥罐數(shù)量應(yīng)至少在兩個(gè)以上；

（3）每日開(kāi)始拌和混合料之前，需要按照當(dāng)天天氣變化和攤鋪運(yùn)輸距離對(duì)含水量進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，保證現(xiàn)場(chǎng)攤鋪碾壓含水率始終維持在最佳含水率±2%的范圍內(nèi)，明確當(dāng)天施工配合比。由于水泥穩(wěn)定碎石材料會(huì)受到含水量影響較大，如果不對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格控制，必然會(huì)造成碾壓不緊密，后期就會(huì)容易出現(xiàn)裂縫；

（4）對(duì)所有料倉(cāng)生產(chǎn)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)實(shí)際摻量和設(shè)計(jì)值之間出現(xiàn)明顯偏差（超出10%），那么就必須要停機(jī)檢查，直至調(diào)整到正常狀態(tài)以后，才可以繼續(xù)生產(chǎn)。

3.2.2 混合料運(yùn)輸

（1）供料車(chē)運(yùn)輸不能出現(xiàn)間斷，避免施工過(guò)程中出現(xiàn)供料不足或者長(zhǎng)時(shí)間排隊(duì)造成水分蒸發(fā)；

（2）裝料方法應(yīng)選取挪動(dòng)自卸車(chē)的方式，并將裝料次數(shù)分成三次，避免粗細(xì)集料出現(xiàn)離析的情況。

3.2.3 基層攤鋪

（1）攤鋪機(jī)距離控制在10m以內(nèi)；

（2）攤鋪速度應(yīng)該控制在1.5～2.0m/min，攤鋪過(guò)程中不能出現(xiàn)停歇情況；

（3）保證攤鋪厚度等同于攤鋪系數(shù)；

（4）振動(dòng)器振動(dòng)頻率控制在30Hz以上，夯錘沖擊頻率控制在20Hz以上。

3.2.4 基層碾壓

（1）初壓、復(fù)壓和終壓必須要保持緊密的銜接，確保最短時(shí)間內(nèi)完成碾壓作業(yè)；

（2）注重基層兩側(cè)壓實(shí)工作，可采取加寬碾壓方式。

3.3 試驗(yàn)段檢測(cè)

三個(gè)試驗(yàn)段在養(yǎng)生7d以后，對(duì)SY01試驗(yàn)段和SY02試驗(yàn)段展開(kāi)強(qiáng)度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下：SY01無(wú)側(cè)限抗壓平均強(qiáng)度值為7.76MPa，SY02無(wú)側(cè)限抗壓平均強(qiáng)度值為7.85MPa；SY01取芯劈裂平均強(qiáng)度值為0.68MPa，SY02取芯劈裂平均強(qiáng)度值為0.64MPa。4.0%水泥劑量的SY02無(wú)側(cè)限抗壓平均強(qiáng)度值要比4.5%水泥劑量的SY01無(wú)側(cè)限抗壓平均強(qiáng)度值高出1.2%。而且SY02取芯劈裂平均強(qiáng)度值為也僅僅略低0.04MPa。因此，通過(guò)振動(dòng)攪拌能夠有效提升水泥穩(wěn)定碎石抗裂性。

而從含水率、灰劑量、集料篩分、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)對(duì) SY02試驗(yàn)段和SY03試驗(yàn)段進(jìn)行對(duì)比分析，從含水率來(lái)說(shuō)SY03試驗(yàn)段要略低于SY02試驗(yàn)段，而灰劑量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等SY03試驗(yàn)段要略高于SY02試驗(yàn)段。經(jīng)驗(yàn)證，采用振動(dòng)攪拌方式相比于雙拌缸拌和方式在水泥劑量減少上要明顯占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但是從攪拌均勻性上會(huì)略差一些。

3.4 效益分析

經(jīng)過(guò)上方試驗(yàn)段測(cè)試可知即使水泥劑量減小的情況下，同配比條件下，通過(guò)振動(dòng)攪拌技術(shù)也可以保證混合料，還是能夠滿足傳統(tǒng)攪拌方式下混合料基層施工標(biāo)準(zhǔn)。以 DT600ZBT型機(jī)為例，分析其經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)計(jì)算得出水泥穩(wěn)定碎石生產(chǎn)量為一頓的時(shí)候，水泥含量分別降低 0.5%、1.0%與 1.5%，對(duì)應(yīng)節(jié)約成本分別是1.694元、3.444元和5.194元，由此可見(jiàn)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用到本次案例中進(jìn)行計(jì)算。本次20cm基層工作量的面積總量是1073282.18m2，36cm基層工作量的面積總量是 972769.18m2，所需水泥穩(wěn)定碎石總量共計(jì)為 1300000t左右，按照0.5%水泥減少量計(jì)算，共減少水泥用量為6500t，總計(jì)節(jié)約成本為2275000元[11]。

4 結(jié)語(yǔ)

在本文的研究中，分析了振動(dòng)攪拌技術(shù)的發(fā)展歷程、應(yīng)用原理與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，然后探討了振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石性能影響，此方面得出如下結(jié)論：

（1）水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)成分主要分為三種，分別是骨料、水泥石與界面過(guò)渡層；

（2）振動(dòng)攪拌機(jī)可以通過(guò)振動(dòng)攪拌作用來(lái)擴(kuò)大水膜表面積、降低大孔隙數(shù)量和清除骨膜表面的泥水來(lái)實(shí)現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的有效提升；

（3）振動(dòng)攪拌機(jī)可以通過(guò)振動(dòng)作用可以在同等強(qiáng)度基礎(chǔ)上降低水泥用量與用水量，降低混合料含水量，避免因?yàn)樗纸档投霈F(xiàn)干縮現(xiàn)象，從而提升水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性。

之后本文通過(guò)實(shí)例分析，探討了施工質(zhì)量控制要點(diǎn)與檢測(cè)結(jié)果，經(jīng)驗(yàn)證通過(guò)振動(dòng)作用可明顯提升水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度，且經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。