振动搅拌技术对水泥稳定碎石强度性能的影响

2016-06-08施洲辉甘先永罗增杰

公路与汽运 2016年3期

关键词：水泥稳定碎石公路

施洲辉，甘先永，罗增杰

（1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004；2.长沙理工大学交通科学研究院，湖南长沙 410076）

振动搅拌技术对水泥稳定碎石强度性能的影响

施洲辉1，甘先永1，罗增杰2

（1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004；2.长沙理工大学交通科学研究院，湖南长沙 410076）

摘要：无侧限抗压强度作为路面结构设计的重要强度指标，为提高其强度水平国内外已开展了大量研究，但对水泥稳定碎石混合料的制备过程对强度的影响研究不够，且长期被忽视。文中针对现有搅拌技术的不足，将振动作用应用于水泥稳定碎石的搅拌，设计2种级配、不同水泥剂量的混合料，测得不同龄期下其强度性能指标，通过对比分析得出了振动搅拌相对于传统搅拌在强度性能上的优势及在振动搅拌作用下级配、水泥剂量、龄期对水泥稳定碎石混合料的影响规律。

关键词：公路；水泥稳定碎石；振动搅拌；强度性能；水泥用量

为提高水泥稳定碎石基层的质量，国内外学者主要从原材料质量控制、改善混合料的级配、控制水泥剂量、提高混合料设计控制指标、改进生产施工工艺、加强施工过程中质量控制、增强有效的后验性质量检评手段等方面提高其性能指标，而水泥稳定碎石混合料制备过程长期被忽视且研究不够。国内外相关标准都只是考虑将混合料的宏观匀质性作为混合料搅拌设备性能的评定指标。其原因是混合料制备过程涉及搅拌理论及设备、搅拌工艺、施工工艺及原材料等不同学科，对混合料的制备过程研究目前仍停留在宏观的尺度上，致使混合料微观匀质性较差，界面粘结强度降低，从而使水泥稳定碎石基层的良好性能没有完全发挥出来。

1　现有搅拌技术的不足

目前国内外普遍采用的自落式与强制式搅拌技术实际上是一种静力搅拌技术。中国目前拌制稳定土的搅拌机械主要是以应用强制搅拌技术为主的连续式强制搅拌机，而研究与实践证明连续式强制搅拌机存在以下不足：1）搅拌时间太短，稳定土微观匀质性差。2）搅拌线速度较低，搅拌强度不够，搅拌效率低。当搅拌超过临界转速时，由于离心力的存在，物料将会附着在搅拌筒壁上随着筒壁一起转动；并且当搅拌速率过快时，混合料中各成分会由于不同的惯性以不同速度抛离搅拌叶片，造成物料离析，使混合料的均匀度下降。因此，一般搅拌过程中搅拌速度不能太高。3）存在速度梯度和搅拌低效区域。混合料搅拌过程中，靠近中心的部分运动速度低，靠近拌筒壁处的速度高，存在速度梯度现象（如图1、图2所示）。

图1　传统搅拌技术的工作模型图

图2　传统搅拌技术的速度梯度示意图

2　振动搅拌机理

要在保证一定生产效率的条件下获得更高搅拌质量的水泥稳定碎石，就必须解决传统搅拌技术的缺陷。针对普通搅拌技术存在的问题，可采用振动活化混合料的方法强化混合料的搅拌过程：搅拌装置与激振器采用一体化设计，搅拌机构边强制搅拌边振动，即在搅拌的同时加以振动，使微小的水泥颗粒处于颤振状态，从而分散凝结在一起的细小水泥团，使水泥颗粒更均匀、快速地分布在骨料表面。

2.1振动搅拌对水泥稳定碎石中水泥团的破坏

在振动搅拌作用下，物料在被搅拌的同时加以振动作用，使之前在纯搅拌作用下未参与循环对流、扩散剪切作用的水泥聚团颗粒在振动能量作用下处于颤振状态，破坏物料间的粘性联结，并在一定振幅作用下破坏掉水泥团粒表面的水膜，促使水泥颗粒从水泥团状态［如图3（a）所示］变为均匀分布状态［如图3（b）所示］。

图3　水泥颗粒的分布状态

2.2振动搅拌对粗骨料表面的净化及粘结强度的增强

在振动搅拌过程中，由于振动能量的存在，附着在集料表面的水膜结构会逐渐被破坏而脱离，骨料表面被净化后，水泥颗粒更容易与骨料表面相接触。吸附在骨料表面的水泥颗粒占据Ca（OH）2晶体在骨料界面的空间，在一定程度上阻碍了疏松层的形成，并使表面能较高的C-S-H凝胶在骨料表面充分形成，增大与骨料表面的接触面积，提高各相材料的粘结性能。

2.3振动搅拌对混合料搅拌过程中低效区的改善

在振动搅拌水泥稳定碎石混合料中，以振动轴为振源，物料颗粒、水及物料空隙中的气相组分等为传播介质，来自波源振动产生的振动波依次沿着各方向传播，在传播过程中，振动能量逐渐衰减，靠近振源越强，远离振源越弱。对于搅拌筒型搅拌机，靠近搅拌筒中心振动轴附近的物料吸收的振动能量更足，而靠近搅拌筒壁处的物料由于振动能量不可逆的衰减过程吸收的能量则较少（如图4所示）。

图4　振动能量梯度示意图

3　振动搅拌下水泥稳定碎石强度性能研究

3.1混合料级配设计及击实试验结果

依托河南某实体工程，直接从施工现场取料，级配一“规范推荐型级配”参照JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》中推荐的级配范围中值进行设计，级配二“强嵌挤骨架密实型级配”参照河南省地方性标准DB41/T 864-2013《公路水泥稳定碎石抗裂设计与施工技术规范》中推荐的级配范围进行设计（如表1所示）。

表1　水泥稳定材料合成级配

选择3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%5种水泥剂量的混合料进行振动压实试验，试验结果如表2所示。

五是只有加强党的建设、文明建设和文化建设，才能保持干部职工队伍风清气正、积极向上的精神面貌。党的建设是流域水利事业发展的重要基础，精神文明建设是流域水利事业发展的有力保障，组织文化建设是流域水利事业发展的动力源泉。太湖局扎实开展党的群众路线教育实践活动，不断改进工作作风，提高工作效能，全体干部职工始终保持了风清气正、团结和谐、积极向上的精神面貌。

表2　两种级配水泥稳定材料的振动压实试验结果

3.2混合料无侧限抗压强度试验结果及分析

分别采用振动搅拌和传统的强制搅拌（不振动），通过对“搅拌电机”和“振动电机”工作状态的控制，得到两种不同搅拌方式下的混合料。采用垂直振动压实仪器振动压实成型试件进行混合料无侧限抗压强度试验，从水泥剂量、级配、龄期等方面考察振动搅拌作用下混合料强度的变化规律。

3.2.1振动搅拌下级配对水泥稳定碎石无侧限抗压强度的影响

不同搅拌方式下两种级配类型水泥稳定碎石的7 d无侧限抗压强度试验结果如图5所示。

图5　两种级配水泥稳定碎石混合料的7 d无侧限抗压强度

从图5可知：1）随着水泥剂量的增大，混合料中水化反应生成的水化产物增多，这些水化生成物能提高混合料颗粒间的粘结力，并增强集料过渡界面区强度，因而混合料的7 d无侧限抗压强度不断增长。2）水泥剂量为3.0%～5.0%时，级配二混合料7 d无侧限抗压强度比级配一的高，在传统搅拌方式下强度平均增长1.42 MPa，增幅24.1%；振动搅拌方式下强度平均增长1.68 MPa，增幅24.8%。3）强嵌挤骨架密实型级配混合料中19 mm通过量约为64%，而规范推荐型级配混合料中19 mm通过率约为74%，前者对提高混合料的无侧限抗压强度有利，并且振动搅拌下强嵌挤骨架密实型级配的强度提升幅度比规范推荐型级配更大。

3.2.2相同级配下搅拌方式对水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度的影响

不同搅拌方式下相同级配水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度随水泥剂量的变化如图6所示。

图6　不同搅拌方式下相同级配水泥稳定碎石混合料的7 d无侧限抗压强度

从图6可看出：1）水泥剂量从3.0%增加到5.0%时，振动搅拌下混合料的无侧限抗压强度提高，水泥剂量每增加1.0%，强嵌挤骨架密实型级配混合料的无侧限抗压强度平均增加0.61 MPa，增幅8.5%；规范推荐型级配混合料平均增加0.48 MPa，增幅8.1%。2）在振动搅拌作用下，低水泥剂量混合料无侧限抗压强度达到不振动搅拌方式下较高水泥剂量混合料的强度水平，振动搅拌下3.5%、4.0%水泥剂量混合料的7 d无侧限抗压强度分别达到不振动搅拌方式下4.0%、4.5%水泥剂量的强度水平。这是由于振动搅拌作用使有限的水泥颗粒充分弥散，进行了更加充分的水化反应，强度提高。

3.2.3振动搅拌下龄期对水泥稳定碎石无侧限抗压强度的影响

不同搅拌方式下龄期对3.5%、4.0%、4.5%水泥剂量混合料无侧限抗压强度的影响如图7所示。

从图7可知：1）随着水泥稳定碎石混合料养护龄期的延长，其无侧限抗压强度不断增长，这种趋势与搅拌方式、级配类型、水泥剂量无关。2）前期无侧限抗压强度值增速较快，后期逐渐趋缓，7～14 d时无侧限抗压强度值平均增幅为34.1%，14～28 d平均增幅为19.6%，28～60 d平均增幅为12.0%，说明混合料的无侧限抗压强度主要在早期形成。3）7～14 d时，传统搅拌方式下混合料的无侧限抗压

强度值平均增幅为30.2%，振动搅拌方式下增幅为37%；28～60 d时，传统搅拌方式下增幅为16.0%，振动搅拌方式下增幅只有5.8%，说明后期振动搅拌下强度增幅下降更快。这是由于振动作用增加了颗粒的碰撞次数，加快了水化反应速率，在前期就已形成了较高的强度；而随着时间的延长，在传统搅拌作用下混合料中的水化反应过程趋于完全，在后期获得较高的强度增长。

图7　不同搅拌方式和龄期下水泥稳定碎石混合料的7 d无侧限抗压强度

4　结论

（1）目前普遍采用的静力搅拌技术的搅拌时间太短，稳定土微观匀质性差；搅拌线速度较低，搅拌效率低；存在速度梯度和搅拌低效区域。这些不足使水泥稳定碎石的良好性能没有完全发挥出来。

（2）随着水泥剂量的增大，水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度不断增大；强嵌挤骨架密实型级配混合料的无侧限抗压强度比规范推荐型级配混合料的大；随着养护龄期的增长，水泥稳定碎石混合料的无侧向抗压强度增大。

（3）与传统搅拌方式相比，振动搅拌作用可大幅提高水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度，并且低水泥剂量混合料的无侧限抗压强度可达到较高水泥剂量的强度水平，在满足同样强度要求的情况下，可节约水泥用量，具有显著的经济效益。

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