高翔

（四川省交通建設(shè)集團有限責任公司，四川 成都 610000）

0 引言

在對水泥混凝土、水泥穩(wěn)定碎石、瀝青混凝土等建筑材料進行攪拌制備時，由于存在拌和不均等問題，水泥穩(wěn)定碎石基層在早期經(jīng)常會出現(xiàn)嚴重的收縮裂縫問題，并且在行車荷載的反復(fù)作用下，瀝青面層也出現(xiàn)反射裂縫。水穩(wěn)碎石基層的收縮性能與水泥劑量、用水量、級配等因素息息相關(guān)，拌和不均則無法使各類材料充分彌散，粗細集料無法均勻包裹，水與集料的不充分接觸則無法實現(xiàn)水泥的充分水化，致使水穩(wěn)碎石實際使用級配達不到標準，不得不添加水泥劑量，也就弱化了混合料的抗裂能力，無法很好地抑制裂縫的出現(xiàn)。攪拌過后的水穩(wěn)碎石混合料不均勻，不僅是指宏觀層面的不均勻，還表現(xiàn)在微觀層面水泥顆粒集聚形成水泥團，未能充分均勻地彌散，導(dǎo)致穩(wěn)定土的強度、耐久性遭受負面影響。所以，需要采取合理方式將水穩(wěn)碎石中的水泥顆粒充分彌散。本文以水穩(wěn)碎石振動攪拌技術(shù)在久馬高速公路的應(yīng)用為基礎(chǔ)，對該項技術(shù)展開分析，為同行工作開展提供參考。

1 振動攪拌技術(shù)概述

攪拌是水泥混凝土、水泥穩(wěn)定碎石、瀝青混凝土等建筑材料最基本的制備方法，也是各種建筑材料生產(chǎn)中關(guān)鍵的一道工序，直接影響著工程建設(shè)的質(zhì)量和建筑物的壽命。攪拌的目的是通過混合料各物料間的相互碰撞、對流和擴散，使物料顆粒特別是水泥等細微顆粒的彌散分布，達到混合料宏觀及微觀的勻質(zhì)。由于被攪拌物料的多相性和粒徑的差異性，傳統(tǒng)攪拌混合料的微觀均勻性仍有較大提升的空間。

振動攪拌是宏觀對流運動和微觀擴散運動的完美結(jié)合，是在普通攪拌機所具有的宏觀對流運動的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地采用振動和攪拌一體化技術(shù)（見圖1～圖2所示），使振動攪拌機具有獨特的高頻微觀擴散運動。前者使物料在宏觀上“拌勻”，后者讓物料各組分在微觀上“拌透”，振動攪拌實現(xiàn)了短時間內(nèi)宏觀和微觀的同步，極大提升了攪拌質(zhì)量和效率。

圖1 振動攪拌機

圖2 振動攪拌拌缸

傳統(tǒng)攪拌多采用雙臥軸攪拌機設(shè)備，這種攪拌技術(shù)1888年起源于德國，設(shè)備主要結(jié)構(gòu)形式為刮刀式或螺帶式。采用振動攪拌技術(shù)的優(yōu)勢如下：

（1）振動攪拌技術(shù)使水泥與水充分彌散與水化，同強度下節(jié)約水泥15%左右。以水穩(wěn)層3.4%水泥劑量為例，達到同樣質(zhì)量要求，采用振動攪拌，每噸水穩(wěn)混合料至少節(jié)省6kg水泥，按0.65元/kg計算，100萬t水穩(wěn)混合料就可節(jié)約390萬元，經(jīng)濟效益顯著；

（2）達到同樣質(zhì)量要求，相同配合比時，振動攪拌節(jié)省攪拌時間20%以上，產(chǎn)能提升明顯，節(jié)約資源、能源；

（3）振動攪拌不易抱軸，節(jié)省大量勞動力成本，降低攪拌軸清理安全隱患；

（4）離差系數(shù)可降低30%，工程質(zhì)量一致性好，易控制；

（5）強制攪拌與振動作用相結(jié)合，混合料的微觀均勻性好，改變了水泥穩(wěn)定碎石的固液氣三相結(jié)構(gòu)，使水泥石與骨料間的連接牢固，微觀結(jié)構(gòu)得到改善，同配比下混合料強度提高10%以上，抗裂性能及耐久性能顯著提高；

（6）水穩(wěn)混合料更均勻，變異系數(shù)小，保障混合料攤鋪中不離析，工程質(zhì)量更穩(wěn)定，施工好組織；

（7）從源頭上解決水穩(wěn)基層裂縫的難題，減少后期反射裂縫，延長路面的使用壽命，降低養(yǎng)護周期與成本，同時可樹立品質(zhì)工程標桿，為施工企業(yè)創(chuàng)造良好企業(yè)形象；

（8）節(jié)省水泥可降低碳排放，符合節(jié)能環(huán)保綠色施工要求，社會效益明顯。

2 水泥穩(wěn)定碎石振動攪拌技術(shù)在久馬高速公路的應(yīng)用

久馬高速公路起點為青海省久治縣（川青界）的甲爾多鄉(xiāng)扎隆，北接G0615線青海段，途經(jīng)德格互通、阿壩互通、查理寺互通、龍日壩互通、中壤口互通、刷經(jīng)寺互通、王家寨樞紐互通，終點為馬爾康市王家寨，是四川首條高原生態(tài)環(huán)保示范高速公路，也是四川首條高海拔高原高速公路，連接新疆、青海、四川三地，是川西北部首條高速公路出川大通道，線路總長約224km。其中，在久馬高速公路阿壩段的水穩(wěn)碎石底基層、基層施工中，采用一臺普通雙拌缸水穩(wěn)碎石攪拌設(shè)備和一臺新型水穩(wěn)碎石振動攪拌設(shè)備（見圖3 和圖4 所示），對水穩(wěn)碎石混合料進行拌和[1-2]。

圖3 普通雙拌缸攪拌設(shè)備

圖4 振動攪拌設(shè)備

2.1 拌和均勻性分析

對同種級配的水穩(wěn)碎石混合料在普通攪拌和振動攪拌的拌和方式下產(chǎn)生的集料分布情況展開分析，如圖5、圖6所示。

圖5 水分布對比

圖6 細集料分布對比

從圖5的對比中能夠看出，采用普通攪拌設(shè)備拌和的混合料色澤非常暗淡，水分分布不均，而采用振動攪拌設(shè)備拌和的混合料表面水分充分浸入。從圖6的對比分析能夠看出，采用普通攪拌設(shè)備拌和的混合料，細集料并未將粗集料完全包裹住，而采用振動攪拌設(shè)備拌和的混合料粗細集料充分接觸，粗集料完全被細集料包裹。對這一情況的形成原因進行分析，主要體現(xiàn)在如下幾點：

（1）普通拌和時，僅僅在拌缸入口處設(shè)置了加水裝置，完全依靠拌缸葉片軸向攪拌，很難讓水分與所有集料充分接觸，造成混合料含水量不均勻，進而容易導(dǎo)致混合料形成過濕或泛白兩種極端情況；

（2）采用振動攪拌是低速攪拌+高頻振動的復(fù)合，能夠充分打散水泥團，水泥顆粒充分彌散，保證水泥在混合料中的均勻分布，水化反應(yīng)更充分，水泥更容易包裹在粗集料的表面，促使與之接觸的細集料都能黏附上去；

（3）采用振動攪拌時，物料會在攪拌葉片的作用力下呈現(xiàn)出左右螺旋式的運動軌跡，并且還會在圓周方向進行拋撒、剪切運動，同時沿著軸向朝著出料口移動，移動過程中伴有高頻振動，能夠讓混合料始終處在震顫狀態(tài)中，粉料與水的彌散更加充分，也能加速水泥的水化反應(yīng)。粗集料、細集料、水化物三者的不斷碰撞，促使粗骨料被細集料、水化物完全包裹，不但保證了拌和質(zhì)量，也能有效縮短混合料的拌和時間，大大提高拌和作業(yè)的質(zhì)量與效率。

2.2 礦料級配分析

對普通攪拌和振動攪拌拌和方式下的混合料進行篩分，計算出拌和過程中水穩(wěn)碎石混合料的礦料級配標準差（其中普通攪拌30組數(shù)據(jù)，振動攪拌35組數(shù)據(jù)），兩種拌和方式的變異性對比見表1所示，無側(cè)限抗壓強度對比見表2所示，芯樣對比見圖7所示。

表1 不同拌和方式下礦料級配的變異性

表2 不同拌和方式下無側(cè)限抗壓強度

圖7 芯樣對比

從表1中可以看出：篩孔尺寸越小則變異系數(shù)越大。相較于普通攪拌而言，振動攪拌礦料級配的變異性更小。其中0.6mm篩孔處的變異性系數(shù)要比其他篩孔更大。原因在于篩孔尺寸越小，水穩(wěn)碎石混合料的通過率也隨之減小，振動攪拌能夠讓水穩(wěn)碎石混合料的細集料均勻分配給所有粗集料，也就確保了拌和的均勻性，變異性大大降低。

從表2和圖7可以看出：普通攪拌芯樣不密實，有夾渣，孔洞多，松散，而振動攪拌芯樣均勻完整密實，骨料分布均勻，無明顯孔洞。在同一水泥劑量下，振動攪拌混合料較普通攪拌混合料無側(cè)限抗壓強度高0.4～1.0MPa；在達到設(shè)計要求強度4.0MPa時，普通拌和與振動拌和所對應(yīng)的水泥劑量分別為3.9%和3.6%，水泥消耗量降低8%。原因在于振動攪拌設(shè)備的拌缸是在普通雙臥軸強制式拌和的基礎(chǔ)上，在拌和軸裝置上添加偏心塊，并配置2 個15kW電機驅(qū)動激振裝置，將激振裝置與拌和軸連接，使振動趨勢能傳導(dǎo)給拌和軸，實現(xiàn)一邊拌和一邊振動，高頻振動作用使水泥水化更充分，實現(xiàn)宏觀和微觀同步，在保證和易性的同時，粘聚性更佳，攪拌質(zhì)量明顯提升；水泥水化物和細集料將粗骨料均勻包裹，大粒徑的粗骨料表面相當于均勻涂抹了一層“潤滑劑”，骨料在移動時，其間的摩阻力降低，壓實功更容易向下傳遞，碾壓更加密實，基層整體性顯著提升。同時，在滿足設(shè)計強度前提下，適當降低水泥劑量，減少水泥水化熱影響，可有效減少基層裂縫。

2.3 水泥穩(wěn)定碎石層開裂的控制措施

久馬高速平均海拔在3000m 以上，沿線年均氣溫1.4℃，晝夜溫差可達28.4℃，一天可見四季。受雨、雪、冰、霧、風(fēng)等惡劣氣候交錯影響嚴重，氣候條件惡劣，如何有效減少水穩(wěn)層開裂是質(zhì)量控制關(guān)鍵點。在該項目的水穩(wěn)拌合站取樣篩分中發(fā)現(xiàn)，由于原材料不穩(wěn)定，不同時間基層級配中4.75mm通過率相差達到6%；在現(xiàn)場同一橫斷面取樣篩分發(fā)現(xiàn)，基層級配中4.75mm 通過率相差達到12%；芯樣外觀還表明水穩(wěn)基層頂部與底部也存在離析現(xiàn)象。由于原材料和設(shè)備問題，導(dǎo)致水穩(wěn)基層級配變化太大，質(zhì)量控制難度大。室內(nèi)試驗密度偏低，不能很好地指導(dǎo)現(xiàn)場壓實，現(xiàn)場壓實度和強度均未能達到最理想狀態(tài)，影響基層強度成型，導(dǎo)致基層抗拉強度偏低，在強度薄弱斷面處引起開裂?？梢姡m然振動攪拌技術(shù)較普通攪拌技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，但是還需要其他施工控制措施的配合，才能保證水穩(wěn)碎石層的穩(wěn)定性和可靠性。

2.3.1 加強原材料和級配控制

（1）要求各單位加強對路基改善層的級配控制和施工控制，重點對碎石的級配波動、含水量、最大干密度、壓實度、高程及厚度進行嚴格控制。

（2）由于久馬高速原材料料源多樣、卵礫石粒徑偏小、破碎面較少，各檔集料的單級配波動大，還需加強碎石加工源頭質(zhì)量控制?？刂萍庸び糜诨鶎蛹系穆训[石的粒徑不小于8cm，集料破碎面、各檔集料單級配、粉塵含量、針片狀含量、塑性指數(shù)應(yīng)達到設(shè)計和基層施工技術(shù)細則的要求。

（3）加強水泥穩(wěn)定碎石級配控制，施工過程中，材料品質(zhì)或規(guī)格發(fā)生變化、水泥品種發(fā)生變化，應(yīng)重新進行材料組成設(shè)計。在正式拌制混合料之前，應(yīng)先調(diào)試所用的設(shè)備，使混合料的級配組成和含水量達到配合比的規(guī)定要求，原材料的顆粒組成發(fā)生變化時，應(yīng)重新調(diào)試設(shè)備，確保級配穩(wěn)定。

（4）由于現(xiàn)場壓實功與室內(nèi)擊實功存在較大差異，加之原材料品質(zhì)不穩(wěn)定，重型擊實試驗測得的最大干密度偏小，由此確定的最佳含水率存在誤差。還需結(jié)合室內(nèi)數(shù)據(jù)進一步分析最大干密度偏小的原因，要求現(xiàn)場鉆取芯樣后及時測量密度及強度，與室內(nèi)成型試件的密度及強度進行比較，修正室內(nèi)重型擊實試驗和靜壓成型試驗，確定最大干密度和最佳含水率，以此控制混合料含水率、水泥劑量和現(xiàn)場壓實度。

2.3.2 加強混合料生產(chǎn)工藝的質(zhì)量控制和成品養(yǎng)護

（1）水泥穩(wěn)定碎石混合料拌和時，控制室人員要嚴格按配合比確定的各料斗流量進行配料，并根據(jù)當天天氣和運距情況，及時調(diào)整含水量。碎石料斗旁輔以專人，避免出料口堵塞情況發(fā)生，確保下料準確，拌和均勻，沒有粗細顆粒離析現(xiàn)象。

（2）在運輸過程中，保持車廂干凈，覆蓋篷布，混合料盡快運送到鋪筑現(xiàn)場，防止水分過分損失。

（3）攤鋪采用性能良好的攤鋪機，項目還采用“水穩(wěn)拌和站一體化管控系統(tǒng)“”3D攤鋪激光引導(dǎo)系統(tǒng)”等技術(shù)，提高拌和質(zhì)量和攤鋪精度。

（4）在水穩(wěn)層養(yǎng)生時，項目還采用節(jié)水保濕養(yǎng)生膜+保溫棉絮+防滲土工布三層覆蓋方式進行養(yǎng)生，有效降低水穩(wěn)層養(yǎng)生期間的溫差影響。

3 結(jié)束語

綜上所述，高速公路半剛性基礎(chǔ)容易出現(xiàn)收縮裂縫與耐久性差的問題，很大一部分原因源自水穩(wěn)碎石混合料攪拌不均勻，水與水泥等粉料拌和不均而出現(xiàn)水泥團，拌和的水穩(wěn)碎石無法達到固、液、氣三相完全均勻的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。而振動攪拌技術(shù)的應(yīng)用，能夠促使水泥與水的充分彌散，在確保水穩(wěn)碎石強度不降低的基礎(chǔ)上，減少水泥用量，降低裂縫發(fā)生率。同時，通過本文對久馬高速公路項目中水穩(wěn)碎石基底出現(xiàn)開裂情況的分析，發(fā)現(xiàn)振動能促進粉料與水的彌散，加速水與水泥的水化反應(yīng)，促使粗細骨料與水泥的水化物能緊密包裹，從而形成拌和質(zhì)量良好的混合料，用于高速公路施工中，能有效減少裂縫的產(chǎn)生和提高耐久度。