振动搅拌水泥稳定碎石的力学性能研究

2021-09-22张显安周宇豪李雪连王文强谭珂杨乐

中外公路 2021年4期

张显安，周宇豪，李雪连，王文强，谭珂，杨乐

(1.湖北交通工程检测中心有限公司，湖北武汉 430200；2.长沙理工大学交通运输工程学院；3.佛山路桥建设有限公司；4.浙江科技学院土木与建筑工程学院)

1 前言

水泥稳定碎石基层具有高强度、承载能力大、板体性良好、料源广泛、经济效益好等优点。因此，在中国高等级公路建设中，广泛采用水泥稳定碎石作为半刚性基层。在水泥稳定碎石基层的建设中，主要使用双卧轴连续式搅拌机进行普通静力搅拌，搅拌时间短，拌和强度不足，使混合料中的细料和水泥无法均匀散开、容易结团。结团后的水泥颗粒难以充分水化也无法均匀包裹在粗集料表面，最终导致水泥稳定碎石基层出现承载力及耐久性不足等问题。振动搅拌工艺不仅可有效提高搅拌机械的拌和强度，而且还可提高水泥稳定碎石的抗压强度和均匀性。但该工艺对水泥稳定碎石长龄期的力学性能影响和应用效果仍待进一步探索。因此，该文开展室内试验分析振动搅拌工艺对水泥稳定碎石的抗压强度、抗拉强度和抗压回弹模量等力学性能的影响，并铺筑试验路，对该技术的可行性及实际使用效果进行验证，为该技术以后的推广应用提供技术参考。

2 原材料与配合比设计

2.1 原材料

(1)水泥：采用P.C.32.5R缓凝型水泥，其各项技术指标均满足现行规范要求。

(2)集料：根据相关规范要求，对粗、细集料的各项技术指标进行检测，具体结果见表1，各项指标均满足规范要求。

2.2 配合比设计

(1)级配

研究采用0～5、5～10、10～20、10～30 mm共4档矿料配制混合料，根据各档料的筛分结果，并参照JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》中推荐的水泥稳定碎石基层级配范围，设计得出骨架密实型水泥稳定碎石级配，确定4档集料的比例为(0～5 mm)∶(5～10 mm)∶(10～20 mm)∶(10～30 mm)=32∶10∶50∶8。4档集料的级配和合成级配见表2。

表1 集料技术指标

(2)击实试验

采用重型击实法确定混合料的最大干密度及最佳含水量。试验水泥用量分别为4.0%、4.5%、5.0%和5.5%，每个水泥用量的含水量为3.0%、4.0%、5.0%、6.0%和7.0%。振动搅拌后，根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》重型击实试验中的丙试验方法进行击实试验，结果见表3。

表2 混合料集料级配

表3 重型击实试验结果

(3)制备试件

按照上述合成级配中的比例配制4档集料。根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中试件制备方法，首先加入比最佳含水量小2%的水浸润2 h后，再加入水泥及剩下的水分别进行振动搅拌和普通静力搅拌。振动搅拌采用DT60ZBW型搅拌机进行拌和，参考文献[15]。搅拌机搅拌参数为：A(振幅):1.0 mm；ω(角频率):201.1 rad/s；D(振动速度):4.13；Aω(振动强度):2/g(振动加速度)。普通静力搅拌采用室内混凝土搅拌设备进行搅拌。两种搅拌方式搅拌时间均为2 min。振动成型法成型效果优于静压成型法，故试验采用振动成型法成型试件。将拌和好的混合料在1 h内采用振动压实法成型试件，试件成型4 h后脱模。

(4)最佳水泥剂量

根据重型击实试验结果，分别采用振动搅拌和普通静力搅拌制备4.0%、4.5%、5.0%和5.5%水泥用量的φ15 cm×15 cm圆柱形试件，养生7 d后测试无侧限抗压强度，其结果见表4。

由表4可知：采用振动搅拌时，混合料水泥最佳剂量为4.5%；采用普通静力搅拌时，混合料水泥最佳剂量为5.0%。因此，为分析振动搅拌工艺对水泥稳定碎石力学性能的影响，后续室内试验选定4.5%和5.0%两个水泥剂量进行研究。

表4 7 d无侧限抗压强度试验结果

3 室内试验研究

3.1 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度作为无机结合料稳定材料质量控制的主要指标，对水泥稳定碎石基层性能而言至关重要。试件在分别标准养生7、28和90 d后进行无侧限抗压强度试验，结果见表5。

从表4、5可以看出：① 当水泥剂量及龄期相同时，振动搅拌的无侧限抗压强度明显高于普通静力搅拌。在龄期为7 d、水泥剂量为4.5%时，振动搅拌混合料的无侧限抗压强度为4.72 MPa，而相同水泥剂量下普通静力搅拌时的混合料强度仅为3.33 MPa，振动搅拌无侧限抗压强度提高了41.7%；当水泥剂量为5.0%时，振动搅拌混合料的强度较普通静力搅拌混合料提高了26.2%。说明振动搅拌工艺可明显提高水泥稳定碎石混合料的抗压强度；② 在相同水泥剂量及相同龄期时，振动搅拌下的混合料的强度变异系数Cv均小于普通静力搅拌，故振动搅拌混合料的均匀性更好。如当龄期为28 d、水泥剂量为4.5%时，振动搅拌混合料的Cv值为3.2%，而普通静力搅拌混合料的Cv值为5.4%，振动搅拌混合料的变异系数较普通静力搅拌混合料的Cv值下降了40.7%；③ 振动搅拌的抗压强度增长速度较普通静力搅拌增长快。振动搅拌时，4.5%和5.0%水泥剂量的混合料在7 d时强度分别占90 d强度的66.2%和71.2%；而普通静力搅拌时，4.5%和5.0%水泥剂量的混合料在7 d时强度仅分别占90 d强度的57.2%和67.3%。

表5 无测限抗压强度及变异系数Cv值

3.2 间接抗拉强度

水泥稳定碎石的间接抗拉强度是最接近水泥稳定碎石基层实际破坏模式的控制指标，对基层设计具有重要意义，故进行7、28和90 d的间接抗拉强度试验，结果如表6所示。

表6 间接抗拉强度及变异系数Cv值

由表6可知：① 在相同水泥剂量及龄期下，振动搅拌的间接抗拉强度均大于普通静力搅拌强度。在龄期为90 d时，4.5%和5.0%水泥剂量的振动搅拌间接抗拉强度分别比普通静力搅拌增大了15.7%和23.2%。这说明振动搅拌工艺可明显提高水泥稳定碎石的间接抗拉强度；② 振动搅拌混合料的强度在早期形成得更快。采用振动搅拌工艺时，4.5%和5.0%水泥剂量的混合料7 d时的间接抗拉强度为90 d强度的55.9%和56.5%；而普通静力搅拌下，4.5%和5.0%水泥剂量的混合料7 d时的间接抗拉强度仅为90 d强度的43.1%和53.6%。这与无侧限抗压强度的规律是一致的，振动搅拌工艺对于提高施工效率，加快施工进度具有极大的促进作用；③ 相较于无侧限抗压强度，振动搅拌工艺对水泥稳定碎石的间接抗拉强度的提升效果更为明显。在龄期为7 d、水泥剂量为4.5%时，振动搅拌工艺下混合料的间接抗拉强度相较于普通静力搅拌混合料的间接抗拉强度提升了50%，但对无侧限抗压强度仅提升了41.7%。

3.3 抗压回弹模量

水泥稳定碎石的抗压回弹模量对路面的承载力和路面整体的强度有着重要影响。目前中国大多采用静态试验方法对其测定，但在实际情况下，路面不断受到汽车动态荷载的作用，静态并不能反映路面结构的实际受力状态。故采用动态试验测量水泥稳定碎石的抗压回弹模量，使其更加符合路面的实际使用状态，试验结果见表7。

表7 动态抗压回弹模量试验结果

由表7可知：当龄期和水泥剂量相同时，振动搅拌动态抗压回弹模量均高于普通静力搅拌。当龄期为28 d、水泥剂量为4.5%时，振动搅拌的动态抗压回弹模量比普通静力搅拌提高了18.2%。在龄期为28 d时，使用振动搅拌工艺，当水泥剂量从4.5%提升至5.0%时，水泥稳定碎石的动态模量提升了10.8%；而在同样龄期下，使用普通静力搅拌工艺，当水泥剂量从4.5%提升至5.0%时，水泥稳定碎石的动态模量仅提升了5.6%。这说明当使用振动搅拌工艺时，能更好地发挥水泥的胶结能力。其原因为相对于普通静力搅拌，振动搅拌能将水泥凝聚成团的状态打破，使得水泥的水化更加充分，并且使水泥微粒分布得更加均匀，从而使水泥的潜能充分发挥。

4 试验路铺筑

2019年4月摊铺的试验路位于广东省佛山市高明大桥至富龙大桥公路工程第NHS-01标段K026+140～K026+240，路面结构形式为：4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+8 cm AC-25C+56 cm水泥稳定碎石基层。试验路水泥稳定碎石基层的设计强度为4.0 MPa，根据室内7 d无侧限抗压强度试验结果，当水泥剂量为4.5%时，强度满足设计强度要求。根据规范要求，为保证路面基层强度，采用集中厂拌法施工时，工地实际采用的水泥剂量宜比室内试验确定的最佳剂量增加0.5%，故选定水泥剂量为5.0%。集中厂拌法采用德通DT700ZBT型搅拌机，搅拌机搅拌参数为：A:1.0 mm；ω:201.1 rad/s；D:4.13；Aω:2/g。