朱成云

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司機(jī)械化施工分公司，四川 成都 610000）

0 引言

在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)水穩(wěn)碎石基層具有良好的承載能力，但是也存在一定的缺陷問題，比如容易出現(xiàn)裂縫，并且快速拓展到面層，抗彎能力相對(duì)較差，對(duì)公路路面的耐久性造成不良影響[1]。水穩(wěn)碎石中水泥含量通常不超過5%，利用傳統(tǒng)攪拌設(shè)備進(jìn)行拌制時(shí)，操作時(shí)間較短，使得水泥顆粒容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，水化不充分，難以對(duì)骨料進(jìn)行均勻性包裹，使得骨料表面干燥露白，骨料之間的黏結(jié)強(qiáng)度降低，特別容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象[2]。采用振動(dòng)攪拌的方式生產(chǎn)水穩(wěn)碎石可以確保水泥包裹骨料的均勻性，提升水穩(wěn)碎石的綜合性能。

1 振動(dòng)攪拌的原理與工程概況

1.1 振動(dòng)攪拌的原理

利用傳統(tǒng)攪拌方式對(duì)水穩(wěn)碎石進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，主要利用葉片的均勻旋轉(zhuǎn)強(qiáng)制帶動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的原料轉(zhuǎn)動(dòng)，各原料運(yùn)動(dòng)軌跡幾乎不變。在旋轉(zhuǎn)攪拌過程中，各物料之間相互穿插、剪切，時(shí)間越長(zhǎng)，均勻性越好。利用這種攪拌方式時(shí)，水泥的含量相對(duì)較少，很難完全分散，無法對(duì)骨料進(jìn)行均勻性包裹。用顯微鏡對(duì)水穩(wěn)碎石混合料觀察，發(fā)現(xiàn)水泥顆粒出現(xiàn)了明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，沒有在最大限度上發(fā)揮水泥優(yōu)勢(shì)，削弱了混合料的性能。

振動(dòng)攪拌是在傳統(tǒng)攪拌工藝的基礎(chǔ)上施加高頻振動(dòng)工藝，物料在拌制過程中受到高頻顫振的影響，可以有效規(guī)避水泥顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，使水泥能夠更加均勻地分布在骨料表面，增加骨料之間的黏結(jié)強(qiáng)度。通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)振動(dòng)攪拌的微觀均勻性大幅度提升，利用這種混合料施工得到的公路基層具有更好的強(qiáng)度和抗裂性能[3]。

1.2 工程概況

某新建高速公路全長(zhǎng)約18km，路基寬度為27m，設(shè)計(jì)行車速度為120km/h。根據(jù)該項(xiàng)目施工方案，需要鋪設(shè)水泥水穩(wěn)碎石層，其總厚度為36cm，分上、下兩層分別進(jìn)行鋪筑，每層厚度為18cm。其中，水泥水穩(wěn)碎石的水泥含量為4.5%，采用振動(dòng)攪拌技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。為了分析振動(dòng)攪拌技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在正式開展大面積施工前，需要通過試驗(yàn)的方法分析技術(shù)參數(shù)對(duì)水穩(wěn)碎石均勻性以及強(qiáng)度性能的影響。下文依托該工程案例介紹振動(dòng)攪拌對(duì)水穩(wěn)碎石均勻性及其強(qiáng)度性能的影響情況。

2 拌制方案以及集料組成設(shè)計(jì)

2.1 拌制工藝方案設(shè)計(jì)

該工程案例中，對(duì)于水穩(wěn)碎石混合料擬采用2 臺(tái)拌缸，通過串聯(lián)方式進(jìn)行二次攪拌。為了將傳統(tǒng)攪拌技術(shù)和振動(dòng)攪拌技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，共設(shè)計(jì)了2 種攪拌方案，其中第1 次攪拌全部使用傳統(tǒng)攪拌技術(shù)，但在第2 次攪拌時(shí)，方案1 采用振動(dòng)攪拌，方案2 仍然采用普通攪拌。

2.2 集料組成設(shè)計(jì)

水穩(wěn)碎石除振動(dòng)工藝會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響外，集料混合比也會(huì)極大地影響其性能。為了盡量減少集料混合比對(duì)結(jié)果的影響，需要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)集料組成進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，通過貝雷法中的CA、FAC 和FAF 三個(gè)技術(shù)指標(biāo)對(duì)集料組成的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，CA指標(biāo)反映的是粗集料的嵌擠情況；FAC 指標(biāo)反映的是粗集料和細(xì)集料之間相互嵌擠填充的情況；FAF 指標(biāo)反映的是最細(xì)一級(jí)集料的嵌擠填充情況。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，以上三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的取值范圍依次為0.7～0.85、0.35～0.5、0.35～0.5。該工程案例中上述三個(gè)參數(shù)指標(biāo)的具體數(shù)值分別為0.77、0.45 和0.47，均在建議的取值范圍內(nèi)，具有合理性。另外，水穩(wěn)碎石攪拌時(shí)使用的水泥型號(hào)為P·C32.5R。

3 混合料攪拌均勻性分析

3.1 試驗(yàn)方法

水泥EDTA 滴定試驗(yàn)可以很好地描述混合料中水泥分散的均勻度，是直接反映攪拌均勻性的指標(biāo)之一。該案例基于篩分試驗(yàn)和水泥EDTA 滴定試驗(yàn)，對(duì)集料關(guān)鍵篩孔的通過率以及水泥含量相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果平均值等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，評(píng)估其均勻性?；诤Y分試驗(yàn)可以掌握施工級(jí)配的波動(dòng)情況，在一定程度上反映出混合料的總體均勻性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.2.1 集料宏觀均勻性

對(duì)于利用兩種攪拌工藝方案獲得的水穩(wěn)碎石混合料，在攤鋪機(jī)后方分別取對(duì)應(yīng)試樣進(jìn)行分析，首先對(duì)混合料進(jìn)行水洗，再進(jìn)行篩分。對(duì)每組方案分別開展8 次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)取樣間隔15min，以降低試驗(yàn)偶然性對(duì)結(jié)果的影響。通過分析4 種篩孔直徑下的通過率，計(jì)算出不同試驗(yàn)的平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差，相關(guān)結(jié)果如表1 所示。

表1 篩分試驗(yàn)關(guān)鍵篩孔通過率平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差

方案1 采用的振動(dòng)攪拌技術(shù)，方案2 采用的普通攪拌技術(shù)。從表1 數(shù)據(jù)可以明顯看出，對(duì)于不同篩孔直徑的通過率，兩種方案的平均值差異性相對(duì)較小，且兩種方案最終的篩孔通過率均與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相吻合，說明混合料的比例對(duì)最終結(jié)果影響較小，可以忽略不計(jì)。另外，從標(biāo)準(zhǔn)差可以看出，不同樣品測(cè)量的通過率的標(biāo)準(zhǔn)差較小，在合理范圍以內(nèi)，說明該工程案例中對(duì)混合料各原料的比例控制比較好，為水穩(wěn)碎石基層施工質(zhì)量奠定了良好的基礎(chǔ)。

方案1 和方案2 的4 種篩孔直徑通過率標(biāo)準(zhǔn)差均較小，說明該案例通過2 臺(tái)拌缸串聯(lián)的方式實(shí)施二次攪拌具有良好效果，即便采用普通攪拌技術(shù)也能保證水穩(wěn)碎石混合料的攪拌均勻性，其原因可能是二次攪拌延長(zhǎng)了混合料的攪拌時(shí)間，攪拌時(shí)間越長(zhǎng)混合料的均勻性自然越好。進(jìn)一步對(duì)比兩種方案在相同篩孔直徑下的通過率標(biāo)準(zhǔn)差可以發(fā)現(xiàn)，采用振動(dòng)攪拌技術(shù)的方案1 的標(biāo)準(zhǔn)差，比采用普通攪拌技術(shù)的方案2 的標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)更小，在篩孔直徑分別為19mm、13.2mm、9.5mm 和4.75mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)通過率的標(biāo)準(zhǔn)差，方案1 比方案2 分別降低了27.73%、24.08%、51.28%、51.26%。基于以上數(shù)據(jù)可知，通過振動(dòng)攪拌技術(shù)能夠大幅度改善集料的分布均勻性，且粒徑為9.5mm 和4.75mm 時(shí)的改善效果最顯著，從某個(gè)層面反映出利用傳統(tǒng)攪拌技術(shù)拌制混合料時(shí)，細(xì)集料更容易受到水泥分布不均勻的影響，黏結(jié)強(qiáng)度不均勻，粒徑較小的集料更容易出現(xiàn)非均勻性分布的問題。

3.2.2 水泥分散均勻性

利用水泥EDTA 滴定試驗(yàn)對(duì)水泥分散均勻性進(jìn)行測(cè)定，試樣采集方法與上述的采樣方法完全相同。為了降低試驗(yàn)結(jié)果的偶然性，同時(shí)對(duì)兩種方案的多組試樣進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)方案共記錄了8 組試驗(yàn)，得到每種方案的水泥用量平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差，其結(jié)果如表2所示。

表2 混合料中水泥用量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

由表2 中數(shù)據(jù)可以看出，方案1 和方案2 的水泥用量平均值分別為4.53%和4.33%，該工程案例中設(shè)計(jì)的水泥用量為4.5%。由此可見，基于振動(dòng)攪拌工藝得到的平均值比標(biāo)準(zhǔn)值多0.03%，利用傳統(tǒng)攪拌工藝得到的水泥用量平均值比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值減少0.17%。對(duì)于水穩(wěn)碎石基層而言，水泥用量是關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，會(huì)對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，因此必須嚴(yán)格控制水泥用量。通過對(duì)兩種方案的水泥用量平均值進(jìn)行對(duì)比可知，利用振動(dòng)攪拌技術(shù)可以對(duì)水泥用量進(jìn)行更好的控制，為水穩(wěn)碎石基層的施工質(zhì)量提供堅(jiān)實(shí)保障。

方案1 和方案2 的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.18%和0.58%，前者在后者的基礎(chǔ)上降低0.4%，可見振動(dòng)攪拌技術(shù)與傳統(tǒng)攪拌技術(shù)相比較水泥用量更加穩(wěn)定。方案2 的標(biāo)準(zhǔn)差只有0.58%，說明利用兩次攪拌方法已經(jīng)可以使水泥用量的均勻性得到明顯改善，整體的均勻性較好。但在第2 次攪拌時(shí)結(jié)合振動(dòng)攪拌技術(shù)，加上高頻振動(dòng)，能夠極大地降低水泥漿體的聚集現(xiàn)象，可以進(jìn)一步提升水泥用量的均勻性，為水泥的水化效應(yīng)提供更良好的條件。

圖1 為基于振動(dòng)攪拌技術(shù)獲得的水穩(wěn)碎石混合料表面的基本情況，從圖中可以看出，混合料表面整體顏色相對(duì)較深，表面顏色越深說明表面水泥含量越多。觀察結(jié)果表明振動(dòng)攪拌技術(shù)得到的骨料表面水泥的分布更加均勻，裹覆效果比較好。

圖1 基于振動(dòng)攪拌技術(shù)得到的混合料表面情況

4 強(qiáng)度和施工均勻性

4.1 試驗(yàn)方案

對(duì)于高速公路水穩(wěn)碎石基層而言，強(qiáng)度和壓實(shí)度是重要的技術(shù)指標(biāo)，直接決定了公路的承載能力，如表3 所示為此次設(shè)計(jì)的實(shí)施方案，為了保障試驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性，表中兩種方案采用完全一樣的碾壓以及養(yǎng)護(hù)工藝。

表3 試驗(yàn)方案的對(duì)比

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

在完成水穩(wěn)碎石的施工工序以后，需進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理，在7d 和28d 時(shí)針對(duì)兩種攪拌方案得到的基層分別取9 組試樣，并開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試工作。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7d 時(shí)方案1 的抗壓強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為7.1MPa 和0.578MPa，方案2 對(duì)應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為5.6MPa 和0.712MPa；養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d時(shí)，方案1 得到的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差依次為8.2MPa 和0.434MPa，方案2 對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別為6.3MPa 和0.553MPa。

方案1 采用的是振動(dòng)攪拌技術(shù)，從上述數(shù)據(jù)可以看出方案1 不管是養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7d 還是28d，其對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度平均值均比方案2 要大，說明基于振動(dòng)攪拌技術(shù)獲得的混合料具有更大的強(qiáng)度，可以更大幅度地提升路面的承載能力。標(biāo)準(zhǔn)差反映的是試驗(yàn)結(jié)果的變化程度，標(biāo)準(zhǔn)差越小說明變化程度越小，表明各個(gè)試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定性越好。方案1 的9 組試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差比方案2 更小，說明利用振動(dòng)攪拌技術(shù)得到的水穩(wěn)碎石混合料具有更好的穩(wěn)定性，性能更均勻。

壓實(shí)度也是反映水穩(wěn)碎石基層施工質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)，會(huì)對(duì)基層使用壽命及其綜合性能產(chǎn)生直接影響。對(duì)兩種方案下的基層壓實(shí)度分別進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種方案的壓實(shí)度平均值分別為99.2% 和98.5%。該工程案例中設(shè)計(jì)的壓實(shí)度要求為98% 以上，可見兩種方案都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但在振動(dòng)攪拌技術(shù)的作用下水穩(wěn)碎石基層壓實(shí)度有待進(jìn)一步提升，其原因是水泥的水化物與骨料之間的分布更加均勻，骨料之間在壓實(shí)過程中相互之間的阻力減小，更容易被壓實(shí)。

通過上文試驗(yàn)可以看出，基于振動(dòng)攪拌技術(shù)能夠有效提升水泥穩(wěn)定碎石混合料中的集料均勻性和水泥含量均勻性，有效避免了水泥顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，使水泥漿能夠更加均勻地包裹在集料周圍，確保水泥水化作用的均勻性，為提升各集料之間的黏結(jié)強(qiáng)度奠定了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

振動(dòng)攪拌技術(shù)是人們?cè)陂L(zhǎng)期實(shí)踐過程中總結(jié)獲得的最新技術(shù)手段，對(duì)于傳統(tǒng)攪拌技術(shù)而言是一種理論創(chuàng)新。振動(dòng)攪拌在傳統(tǒng)攪拌的基礎(chǔ)上增加了高頻振動(dòng)，使水泥在混合料中難以團(tuán)聚，確保水泥能夠更加均勻地裹覆在集料周圍，提升水泥的水化效果，增強(qiáng)集料之間的黏結(jié)強(qiáng)度。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)攪拌技術(shù)與傳統(tǒng)攪拌技術(shù)相比，水穩(wěn)碎石的均勻性以及強(qiáng)度性能都得到大幅度提升，為公路基層施工質(zhì)量奠定了良好的基礎(chǔ)。未來，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)繼續(xù)加大對(duì)振動(dòng)攪拌技術(shù)的研究與分析，積累相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為其他類似工程項(xiàng)目提供有效參考。