肖 棟，鄭文俊，鄭鴻飛，胡力群，仝強林，陳云飛

(1.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064； 2.浙江省衢州市公路管理局，浙江 衢州 324000； 3.河南聚業(yè)建設工程有限公司，河南 安陽 455000)

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石基層具有良好的板體性，強度高，承載能力好，因此被廣泛應用于基層[1]。目前，7 d無側限抗壓強度是水泥穩(wěn)定碎石設計的惟一指標，也是現場施工的質量依據[2]。為了提高基層水泥穩(wěn)定碎石的質量，國內外學者進行了大量研究。長安大學蔣應軍的研究表明，振動法成型試件28 d的強度是靜壓法的2.5倍左右[3]。汪水銀的研究表明，規(guī)范的中間級配是較優(yōu)的級配范圍[4]。李淑研究表明，摻入玄武巖纖維的水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度和劈裂強度明顯高于沒有摻入纖維的，同時摻入纖維對水泥穩(wěn)定碎石的抗凍性能也有提高[5]。耿任山研究表明，水泥穩(wěn)定碎石基層的裂縫發(fā)展規(guī)律是，先從底基層開裂并向上發(fā)展，上基層受環(huán)境影響較大，開裂程度較大[6]。朱文強研究表明，在同樣的循環(huán)凍融條件下，骨架密實結構混合料的回彈模量、劈裂強度均大于懸浮密實結構[7]。

許多研究表明，水泥穩(wěn)定碎石的強度主要由三部分組成，分別為骨料、水泥石以及骨料和水泥石之間的界面過渡區(qū)。這三部分中，骨料強度最大，水泥石強度次之，最為薄弱的區(qū)域為骨料和水泥石之間的界面過渡區(qū)。水泥穩(wěn)定碎石混合料主要依靠水泥的水化產生膠結作用，以此來形成水泥穩(wěn)定碎石的強度。但是，現階段對水泥穩(wěn)定碎石制備過程影響其強度等性能的研究不夠，且一些標準只考慮以混合料的宏觀均勻程度來評價攪拌設備性能，忽略了混合料的微觀均勻程度，導致水泥水化程度不夠完全，骨料和水泥界面黏結強度不足。

本文進行水泥穩(wěn)定碎石分離式振動攪拌試驗，研究振動作用在水泥穩(wěn)定碎石攪拌過程中的行為特性，分析水泥穩(wěn)定碎石攪拌過程對其強度、劈裂性能以及抗凍性能的影響，為后續(xù)水泥穩(wěn)定碎石性能的影響因素研究提供理論依據。

1 振動攪拌相比傳統(tǒng)攪拌的優(yōu)點

1.1 改善微觀均勻性

所謂微觀上的均勻，就是破壞水泥顆粒的團聚現象(圖1)，使水泥顆粒達到均勻分布的狀態(tài)(圖2)。振動作用可以提高水泥顆粒的運行速度，使得水泥顆粒之間的碰撞次數和強度都有所增加，讓水泥顆粒處于震顫狀態(tài)，導致水泥顆粒參與水化反應的比例增加，從而促進水泥的水化反應。振動攪拌就是對混合料進行機械強化，使得攪拌后的混合料不僅達到宏觀上的均勻，而且達到微觀上的均勻。

圖2 水泥顆粒分布均勻

圖3 傳統(tǒng)攪拌機速度梯度

1.2 改善傳統(tǒng)攪拌低效區(qū)

傳統(tǒng)攪拌方式存在攪拌低效區(qū)[8]，攪拌葉片做圓周運動時存在速度梯度，如圖3所示。沿著葉片向外的方向，攪拌速度逐漸變大；而靠近葉片底部的攪拌速度較慢，形成攪拌低效區(qū)，其速度梯度呈三角形分布。因而在攪拌過程中，靠近葉片和遠離葉片的混合料均勻性存在明顯的差異；而加入振動作用則可以改善攪拌不均勻的情況，使水泥水化更加完全。

1.3 清潔骨料表面并增加黏結力

由于施加了振動作用，可清潔骨料表面的雜質，同時將附著在骨料表面的水膜破壞，使水泥顆粒和骨料的接觸面積增大，水泥水化物占據了氫氧化鈣晶體在骨料界面的空間，降低了過渡層中氫氧化鈣的濃度，提升了骨料和水泥顆粒之間的黏結，從而提高過渡區(qū)的強度。

2 試驗方案

2.1 原材料和級配

骨料和水泥均取材于西安本地，水泥選用秦嶺牌復合型硅酸鹽水泥，集料采用西安產石灰?guī)r集料，其各項技術指標符合規(guī)范要求。

混合料的級配選用骨架密實型和懸浮密實型兩種類型，具體如表1所示。

表1 水泥穩(wěn)定碎石級配

2.2 最佳含水率及最大干密度

水泥用量選用3%、4%和5%，采用傳統(tǒng)攪拌方式對混合料進行攪拌，其重型擊實試驗含水率和干密度結果如表2所示。按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中的方法制作試件。

表2 最佳含水率和最大干密度

2.3 振動方式

分別采用傳統(tǒng)攪拌和振動攪拌2種方式進行混合料制備，均采用靜壓成型，壓實度取98%。振動攪拌采用先攪拌、后振動的步驟進行分離式振動攪拌，振動設備功率為1 200 kW，振動頻率為12 000 r·min-1。分離式振動攪拌方式，即在總時間一定的情況下，每次振動時間均等。例如，振動時間為30 s，振動2次時，即先振動攪拌15 s，后將混合料從靜壓筒中倒出，攪拌均勻后，再次裝入試模中振動攪拌15 s，倒出攪拌均勻并成型試件。

2.4 振動時間及次數對振動攪拌的影響

選用骨架密實型結構，水泥含量為4%，最佳含水率為5.5%，最大干密度為2.37 g·cm-3，壓實度選用98%，對照組選用振動次數為1、2、3，振動時間為30、60、90、120 s，試驗結果如圖4所示。在30 s振動條件下，隨著振動次數的增加，試件強度穩(wěn)定增長，但是增長幅度不是很大?？梢?，在一定的振動能量下，短時間內增加振動次數對強度提高作用不大。從60 s開始，各振動次數對應的強度差值增大。綜合考慮后，選用振動時間為60 s，振動次數為2次。

圖4 不同振動次數和時間的7 d抗壓強度值

3 分離式振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石性能研究

3.1 振動攪拌對混合料無側限抗壓強度的影響

分別采用傳統(tǒng)攪拌和振動攪拌制作不同水泥含量、不同級配類型的水泥穩(wěn)定碎石試件，標準養(yǎng)生至不同的要求齡期后，測試其無側限抗壓強度值，如圖5所示。

圖5 振動攪拌和傳統(tǒng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石強度增長曲線

由圖5可以看出，振動攪拌和傳統(tǒng)攪拌下混合料強度均隨水泥用量的增加而顯著提高。以7 d齡期為例，水泥含量以1%的增量增加時，骨架密實型混合料7 d強度提高31%～44%，懸浮密實型混合料7 d強度提高30%～34%，可見在其他條件一定的情況下，增加水泥含量，混合料的強度提高較大。

同樣水泥含量下，與傳統(tǒng)攪拌相比，振動攪拌使骨架密實型混合料的7 d強度提高16%～35%，懸浮密實型混合料的7 d強度提高17%～20%，振動攪拌對懸浮密實型級配混合料的7 d強度提升效果比骨架密實型混合料的效果穩(wěn)定。振動攪拌對混合料強度的提高在7 d強度時表現最佳，隨后強度提升效果略有下降。分析認為是由于2種級配強度形成機理不同導致的。骨架密實型混合料的強度形成主要依靠骨料之間的嵌擠作用，水泥起到膠結的輔助作用，將骨料黏結起來；而懸浮密實型混合料的強度形成主要依靠水泥的膠結作用，振動作用使得水泥水化反應加速，促進水泥擴散，分布更加均勻，增加了水泥的膠結作用，從而解釋了振動作用對2種級配混合料強度提升的穩(wěn)定度不同。

隨著養(yǎng)生齡期從14～60 d的增長，對比不同水泥含量可知，傳統(tǒng)攪拌對骨架密實型混合料強度的提升率為28%～53%，振動攪拌對骨架密實型混合料強度的提升率為30%～59%；傳統(tǒng)攪拌對懸浮密實型混合料強度提升率為41%～46%，振動攪拌對懸浮密實型混合料強度提升率為42%～48%?？梢姡啾葌鹘y(tǒng)攪拌，振動攪拌對骨架密實型和懸浮密實型混合料的14、28、60 d養(yǎng)生齡期強度的增長率貢獻不大。

3.2 振動攪拌對混合料劈裂強度的影響

分別采用振動攪拌和傳統(tǒng)攪拌制備不同水泥含量的試件，在標準條件下養(yǎng)護28 d后，測試其劈裂強度，結果如圖6所示。

圖6 劈裂強度均值及提高率

由圖6可知，水泥含量相同的條件下，振動攪拌對骨架密實型混合料劈裂強度的提高率在15%～17%左右，對懸浮密實型混合料劈裂強度的提高率在21%～25%左右。可見，振動攪拌使2種級配混合料的劈裂強度均有提高，并且振動攪拌時懸浮密實型混合料的劈裂強度提高率比骨架密實型高。

水泥含量以1%增加時，對骨架密實型混合料而言，傳統(tǒng)攪拌對其劈裂強度提高率在16%～38%，振動攪拌對其劈裂強度的提高率在17%～35%；對懸浮密實型混合料而言，傳統(tǒng)攪拌對其劈裂強度的提高率在30%～36%，振動攪拌對其劈裂強度的提高率在28%～40%。可見，在攪拌方式相同時，隨著水泥含量的增加，懸浮密實型混合料劈裂強度的提高比骨架密實型混合料劈裂強度的提高大。分析認為，水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強度主要來自水泥的膠結作用，集料之間的嵌擠起次要作用[9-10]。水泥含量的增加使得水泥對骨料的膠結作用增強，而懸浮密實型混合料強度主要由水泥的膠結作用形成，所以隨著水泥含量增加，懸浮密實型混合料的劈裂強度提高率大于骨架密實型混合料。

3.3 振動攪拌對混合料抗凍性的影響

制作試件并養(yǎng)生28 d后經歷5個凍融循環(huán)，然后飽水，以混合料凍融循環(huán)后抗壓強度RDC與凍融前抗壓強度RC之比，即凍融殘留抗壓強度比BDR(也稱耐凍系數)，來評價其抗凍性。水泥含量采用5%，級配采用骨架密實型和懸浮密實型，分別用振動攪拌和傳統(tǒng)攪拌成型標準試件，養(yǎng)護28 d后把試件置于-18 ℃環(huán)境中凍結16 h，然后放置在20 ℃水浴中溶解8 h，此為1個凍融循環(huán)，進行5次凍融循環(huán)后，得到的抗凍性數據如圖7所示。

圖7 不同攪拌方式的抗凍性

從圖7可以看出，振動攪拌能夠提高水泥穩(wěn)定碎石的抗凍性能：對于骨架密實結構而言，振動攪拌使抗壓強度的BDR值提高約6.9%；對于懸浮密實結構而言，振動攪拌使抗壓強度的BDR值提高約5.5%?？梢?，振動攪拌對骨架密實結構試件BDR值的提高比懸浮密實結構的大；同時，在攪拌方式相同的條件下，骨架密實結構試件的BDR值比懸浮密實結構的BDR值大。由此說明，骨架密實結構的水泥穩(wěn)定碎石試件的抗凍性能比懸浮密實結構的好，并且振動攪拌對前者抗凍性的提高比后者效果好。

分析認為，抗壓強度主要由骨料的嵌擠作用形成，水泥膠結作用起到輔助作用，凍融循環(huán)使得骨料和水泥石之間的界面過渡區(qū)產生很多微小孔隙，減弱了水泥對骨料的膠結作用，由此造成的強度損失在骨架密實型混合料和懸浮密實型混合料中的占比不同，顯然，凍融循環(huán)作用使懸浮密實型混合料的強度損失更大。

4 結 語

通過對傳統(tǒng)攪拌和振動攪拌下水泥穩(wěn)定碎石的性能指標進行分析比較，得出以下幾點結論。

(1)對于分離式振動攪拌而言，不僅要考慮振動時間和次數對水泥穩(wěn)定碎石混合料強度的影響，還要考慮其對功耗及生產效率的影響，通過試驗發(fā)現，振動60 s、振動2次是較好的選擇。

(2)對于骨架密實和懸浮密實2種結構，相比傳統(tǒng)攪拌，振動攪拌使混合料的抗壓強度均有提高，且效果在7 d時最佳，隨后強度的提升效果有所下降。

(3)在攪拌方式相同時，水泥含量的增加對骨架密實型和懸浮密實型2種混合料的抗壓強度均有較大提升，但考慮到水泥含量增加會對基層的裂縫控制不利，在實際工程中要選用合適的水泥含量。

(4)水泥含量相同的條件下，振動攪拌對懸浮密實型混合料劈裂強度的提高率比對骨架密實型混合料的提高率大。對于懸浮密實型和骨架密實型2種混合料，在攪拌方式相同的條件下，水泥含量的增加對劈裂強度的提高率也是前者大于后者。

(5)振動攪拌對試件的抗凍性能有一定提高，并且，振動攪拌對骨架密實型混合料的抗壓強度BDR值的提升要比懸浮密實型混合料抗壓強度BDR值的大，也就是抗凍性提升率較大。