聚合物碾压混凝土农村公路实验研究*

王 轩，张艳华

（河南交通职业技术学院桥梁智能监测与安全预警河南省工程实验室，河南 郑州 450000；河南省高速公路科普基地，河南 郑州 450000）

1 研究背景

水泥稳定碎石基层产生反射裂缝是半刚性材料常见的病害，有设计的因素影响也有施工的原因，其中施工环节较多，每一个环节都有可能带来不确定性，其中较大的因素是稳定碎石混合料拌和与养护，普通的拌和设备很难达到充分拌和均匀的理想状态，后期养护过程中的温缩和干缩也是不可忽略的重要因素[1-2]。反射裂缝处除了影响道路的正常行车外，雨水的渗入加剧了病害的发展，造成基层脱空或唧泥，直接影响路基强度和承载力，给行车带来安全隐患，缩短道路的使用寿命[3]。水泥稳定碎石施工时采用振动搅拌技术，不仅能提升混合料的拌和均匀性，改善和易性，同时可以节省水泥，缩短拌和时间，能有效地减少由拌和质量不均带来的水稳基层病害的发生[4]。比较普通搅拌双拌缸机械和振动搅拌机械所生产混合料的技术指标，通过检测实验路段表明，采用振动搅拌技术不仅有效改善和稳定材料微观均匀性与结构，提高水泥稳定碎石混合料拌和的和易性，还能明显减少离析现象的产生，在同样的强度保证下可以减少水泥用量，减少和延缓反射裂缝产生，耐久性显著提高[5]。项目研究依托某县乡道路施工，开展水泥混凝土聚合物碾压路面设计与施工，对新农村公路建设实际道路设计案例进行分析研究，旨在对基层道路乡村振兴使用过程中提高农村碾压混凝土公路强度和承载力，提高公路的使用品质，有效减少农村道路半刚性基层出现的反射裂缝等常见病害，提高路面的摩擦系数和耐磨、防水、耐久等问题的困惑，同时提高农村道路的使用率，提高农村公路的使用品质，助力美丽农村建设和国家的新农村脱贫攻坚。项目通过探索研究试验路段，在目前农村道路养护条件受限的情况下，开展农村公路碾压混凝土受力特点、配合比、施工工艺、施工技术条件、工程养护等指标试验，通过工程实例验证农村公路含有聚合物表层的碾压混凝土路面承载能力高、可承受适量重载交通等优势，研究成果对建设“四好”农村公路、美丽乡村振兴具有积极意义。

2 振动搅拌作用机理分析

2.1 聚合物改性水泥混凝土存在的问题

农村公路是公路网重要组成部分，是农村发展最重要的公共基础设施之一，聚合物碾压混凝土公路设计是一种较为实用的基层道路结构，主要表现在水泥用量少，施工中含水量低，不影响农村道路的正常通行，施工速度快，交通开放早，养护费用低等特点。目前河南省对农村公路建设的重视程度还有待提高，结合农村时间条件对适合乡村道路的相关研发滞后，路面结构简单，养护管理基本以日常清扫为主，其他措施较少，工程设计受造价因素制约一般多采用就地取材，交通组成以轻交通量为主，重载交通少，但交通增长率较快，影响农村经济发展和农民的脱贫致富。采用混凝土路面设计，虽然耐久性好、强度高，但工程造价、施工机械化方面都无法有较明显的提高，制约了农村经济的发展。因此，改善农村道路结构设计，在碾压混凝土时掺入一定的聚合物，采用振动搅拌技术，提高施工的和易性，有效提高强度和耐久性，有一定的积极意义。振动搅拌的聚合物混凝土是一种多相非均质材料，结构复杂，添加的聚合物种类繁多，外加挤、掺量及养护等因素均会造成影响，主要表现在聚合物价格偏高，与混凝土相比，纤维聚合物成本较高，导致纤维聚合物难以大面积推广，常作修补、防腐内衬等[6]；纤维高聚合物碾压混凝土目前没有统一的成型工艺，多采用经验施工，高标准的施工工艺难以大规模推广使用；纤维高聚合物对混凝土抗压强度影响研究也较少，没有进行系统的实验分析，很多试验数据结果分析出的研究结论差异较大，同时多数学者研究认为纤维聚合物对混凝土强度存在负面影响，但也有部分研究试验证明，掺加适量纤维聚合物对混凝土强度是有利的，可以提高抗压强度[7]。

2.2 连续搅拌设备的工作流程

使用水泥稳定搅拌设备，将水泥、集料、水以及外加剂等原材料，按施工配合比设计的比例混合，经过一系列的物理搅拌过程，形成一定含水量要求的符合质量标准的混合料，通过运输摊铺和碾压形成一定强度的路面基层。目前工程使用的混合料搅拌设备有多种规格型号，虽然结构构件存在差异，但总体原理基本一致，只是不同设备功能和结构组成略有不同。

工程实践中，设备搅拌施工的工作流程是：原材料分类设置，不同档次不同规格的矿料分别对应不同的机组料仓，采用装载机装入各料仓中，调整运输料的皮带速度，设定好参数，按照配合比设计，由集料皮带输送机输送到搅拌机中，各集料的配比设计采用施工配合比；水泥或石灰等黏结料由结合料储存配给系统，设定连续计量参数，连续计量并输送到搅拌机中；施工拌和用水，采用流量计计量，将准确计量的水泵送到搅拌机中；通过主机搅拌，将各种材料均匀拌和，按照一定的搅拌时间拌制，最后形成色泽均匀的成品混合料；搅拌结束后，用成品料皮带输送到储料斗中，然后运输至工地摊铺和碾压成型。

拌和时因集料种类不同，需设置不同的仓位分别对应，无论采用独立计量还是累计计量均应设置相应的参数，将准确计量的集料运输至搅拌主机进行搅拌；粉料配料系统是存储计量粉料（如水泥、粉煤灰等）的装置，采用储存、计量、输送一体化设计，动态连续称量减法秤，通过连续地搅拌将集料、粉料、液态原材料、添加剂等充分拌和。

2.3 现有搅拌技术可以改进之处

续式双卧轴搅拌机的运动方式分为垂直运动和水平运动，2 种类型的运动方式混合作业，混合料垂直运动的翻拌方式，与常见的间歇式搅拌机作用原理近似，利用重力作用，传动轴叶片滚动带动混合料上升下落来进行搅拌。水平运动作业的翻拌，用2 根轴上的叶片同时转动，改变混合料的运动轨迹，推动混合料在水平方向沿同一方向运动，使拌缸的混合料向统一方向运动到输送设备上运输。

自落式与强制式搅拌机械是工程上普遍采用的机械，强制搅拌技术多用于拌制稳定土，实践表明，连续式强制搅拌机械使用功能明显不足。

搅拌时间相对较短，均匀性不足，水泥稳定碎石微观匀质性差。如水泥稳定碎石采用双卧轴连续搅拌施工，普通连续式搅拌机工作过程中，搅拌时间基本设定在10 s 以内，时间较短是微观均匀性差的主要原因，水泥等粘合料没有完全散水化，水分与细粉料没有完全结合，结构中水泥水化不充分，水化后的水泥等粉料与粗骨料不能充分搅拌，水泥有团聚现象，结果是造成水泥浪费，水化不彻底，混合料孔隙率高，凝结硬化过程受到影响，直接影响稳定碎石的强度。

机械搅拌线速度不高是造成效率低的主要原因。采用双卧轴连续搅拌水泥混合料，提高搅拌的匀质性，提升混合料拌和质量与效率，就需要加大转动轴的转速，但是提高转速会带来较大的离心力，高速旋转的混合料容易造成混合料的离析出现，匀质性反而会下降，搅拌叶片高速转动不仅离心力大易离析，同时容易产生骨料二次破碎和分层，叶片容易磨损，能耗增大不经济。

静力搅拌和强制搅拌都存在速度转动的梯度差异和搅拌低能效区。采用常见的双卧轴连续搅拌施工，圆形的搅拌臂及其叶片转动，中心部分的线速度慢，圆筒远端靠近拌筒壁的地方线速度快，这种速度梯度造成速度由中心向远端递减，混合料在不同速度的转动下形成不同速度搅拌区，拌筒中心部位速度慢，混合料充分搅拌的机会减少，形成搅拌低效区。

3 水泥稳定碎石振动搅拌效果分析

3.1 振动搅拌能有效改善混合料水泥团现象

稳定碎石较多采用骨架密实结构，碎石为骨料形成支撑，摩擦系数较大，骨料间的嵌挤作用是强度主要来源，骨料间的空隙则由细集料和水泥浆填充。混合料中水泥水化凝结过程中随着龄期时间的推移，强度逐渐形成，最终形成致密的结构，所以骨架密实结构的水泥结构稳定，混合料水泥搅拌的均匀程度和水化程度是混合料强度的决定性因素。

实践证明，普通静力搅拌影响混合料均匀性的较多，一般情况下仍有10%～30%的水泥颗粒没有分散开，容易造成水泥团结，影响水泥稳定碎石的强度，即使经过充分搅拌也很难达到完全分散。采用振动搅拌技术，拌和时产生一定的振动，一定的振幅和频率振动增加水泥颗粒的运动次数，充分参与循环对流，在搅拌中增大剪切作用，有效缓解水泥的团结现象，减少水泥聚团颗粒，增加振动能量，破坏了水泥胶结物的黏性连接，促使水泥颗粒均匀分布，提高水化程度，改善混合料的匀质性，提高水泥稳定碎石的强度。

3.2 振动搅拌净化粗骨料增强粘结强度

水泥稳定碎石施工，混合料中水泥浆硬化胶结后，包裹在骨料表面，将砂石等骨料胶结成整体凝结硬化，从力学强度角度分析，粗骨料的强度要高于水泥石的强度，骨料表面与水泥石的粘结力是最小的，在水泥与骨料的界面处形成界面过渡区，界面过渡区则是混合料强度最薄弱的区域。

采用普通的静力机械混合料搅拌时，粗集料表面或多或少会粘附部分灰尘，在拌和过程中吸附水分子，比较容易产生水膜，水膜界面会影响水泥颗粒与骨料的紧密粘结，造成粘结力降低，同时水泥水化产生晶体结构粘附在骨料表面，部分会产生疏松，降低了水泥与骨料的粘结。使用振动搅拌，搅拌轴振动产生的波动能量消除集料表面的水膜，加强水泥颗粒与骨料表面的紧密结合，增加混合料的均匀性，有效地净化粗骨料的接触面，提高混合料的粘结性能。

将普通机械拌和和振动机械拌和的混合料粗集料进行对比实验，在实验室放大后观察粗集料表面，采用普通机械拌和，水化产物和粗细骨料接触界面的过渡相结构疏松，孔洞及缝隙明显存在，而采用振动机械搅拌的混合料则相对密实均质，结构紧密，缝隙和裂纹不明显，粘结效果明显高于普通搅拌后的混合料。继续放大2000 倍发现，采用振动搅拌的混合料，水化形成的硅酸钙凝胶颗粒结构粗大密实联系，单个颗粒不明显，普通搅拌的水化硅酸钙凝胶颗细小松散，散落于骨料界面。实践证明：采用振动搅拌的混合料骨料与水化物粘结更紧密，均匀性和结构稳定性明显提高。

3.3 振动搅拌可以有效改善搅拌低效区拌和效果

采用普通静力搅拌技术，转动轴靠近轴心部分线速度低，在转动轴圆周拌筒壁处线速度快，拌轴圆周远端物料相互搅拌碰撞的速度频率远远高于拌轴中心处的物料，造成搅拌均匀性较差。采用振动搅拌技术，高速旋转的振动轴产生振动波，以振动轴为振源中心，混合料通过传播介质，自波源振动产生的振动波依次沿着各个方向传播，靠近振源振动能量越强，料吸收的振动能量越充足，拌和越均匀效果越好，远离振源振动能量越弱，振动能量会逐渐衰减，吸收振动能量偏少，这种振动能量梯度的产生，与速度梯度可以形成优劣互补，有效改善振动轴心处低效区混合料拌和效果。

振动搅拌使混合料逐渐从筒壁处推向搅拌轴附近，往复循环，形成循环对流运动，吸收振动能量后被搅拌叶片转动推移到筒壁远端进行频率交换扩散运动，在搅拌的同时加以振动作用，实现了振动能量梯度与搅拌线速度梯度的优势互补，能有效地克服普通静力搅拌产生低效区的缺陷，改善混合料均匀性及拌和效果。

4 工程应用

本项目五龙路（开元大道至富士路）路面工程，起点与开元大道交叉，向东经过弘农北路、解放北路、河滨西路后，经大桥跨越弘农涧河，继续向东经河滨东路、物华路，终点止于富士路平面交叉处。项目起点为 K0+116，项目终点为桩号 K2+455，里程2.339 km，设计40 km/h。交通量大且主要以重载货车为主，五龙路车辆碾压且每天洒水降尘致使出现不同程度损坏，对此段路面进行修复。招标范围：路面、标线、公交站硬化（不含候车亭）、人行道更换等。道路现状为开元大道-河滨路两侧人行道6 m＋行车道18 m=30 m，沥青混凝土路面。灰土泥结卵石结构约20 cm 厚，K0+350～K1+275 基层水泥碎石，18 cm 厚处病害严重。

道路水泥稳定基层，混凝土是干硬性混凝土，振动压实压密形成，抗压等级低于C15，水泥用量小于200 kg/m3，具有承载力高、抵抗沉降力强、收缩小、施工快、成本低特点，实地调研，就地取材，料源、规格、品种不同分批检测和存储，场地硬化处理，排水良好。采用振动搅拌技术设备生产水泥稳定碎石，采用万里交通德通DT600ZBT 型高性能稳定土振动搅拌站，保持原材料、配合比和碾压工艺等不变，配合比设计水泥剂量为4.0%，各集料实际比例为19～31.5 mm 碎石∶9.5～19 mm 碎石∶4.75～9.5 mm 碎石∶0～4.75 mm 石屑=200∶440∶130∶230。进行了混合料室内试件成型试件无侧线抗压强度试验，实验结果表明，振动搅拌比双拌缸普通搅拌强度提高15%，变异系数降低22%，施工效果显著提高。采用不同压实度进行研究表明，压实度越高性能越好，0.96～0.98时稳定嵌挤结构，两种指标劈裂、抗折强度增长最快；在抗裂性能测试中，当掺量聚合物纤维0.1%时，有利于增强抗压强度，过多反而下降；适量掺量利于保证抗折和劈裂强度。掺量0.2%时26 mm长度强度增长明显，利于拉压比，掺量0.1%～0.2%时纤维26 mm效果最明显。

5 结论

通过对现有水泥稳定碎石搅拌设备进行比较，分析了现有普通静力搅拌技术存在的短板与不足和采用振动搅拌技术的优势，研究了基于振动搅拌技术对混合料的性能影响及作用机理。实践证明，振动搅拌技术有效改善搅拌低效区的强度，减少离析，能有效改善水泥稳定碎石水泥团现象，提高混合料的匀质性，净化粗骨料表面，增强粘结强度，在满足强度指标的条件下，减少水泥剂量，同样能达到静力搅拌的施工效果。