分离式振动搅拌对水泥稳定碎石性能的影响

肖 栋，郑文俊，郑鸿飞，胡力群，仝强林，陈云飞

(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064； 2.浙江省衢州市公路管理局，浙江 衢州 324000； 3.河南聚业建设工程有限公司，河南 安阳 455000)

0 引 言

水泥稳定碎石基层具有良好的板体性，强度高，承载能力好，因此被广泛应用于基层[1]。目前，7 d无侧限抗压强度是水泥稳定碎石设计的惟一指标，也是现场施工的质量依据[2]。为了提高基层水泥稳定碎石的质量，国内外学者进行了大量研究。长安大学蒋应军的研究表明，振动法成型试件28 d的强度是静压法的2.5倍左右[3]。汪水银的研究表明，规范的中间级配是较优的级配范围[4]。李淑研究表明，掺入玄武岩纤维的水泥稳定碎石的抗压强度和劈裂强度明显高于没有掺入纤维的，同时掺入纤维对水泥稳定碎石的抗冻性能也有提高[5]。耿任山研究表明，水泥稳定碎石基层的裂缝发展规律是，先从底基层开裂并向上发展，上基层受环境影响较大，开裂程度较大[6]。朱文强研究表明，在同样的循环冻融条件下，骨架密实结构混合料的回弹模量、劈裂强度均大于悬浮密实结构[7]。

许多研究表明，水泥稳定碎石的强度主要由三部分组成，分别为骨料、水泥石以及骨料和水泥石之间的界面过渡区。这三部分中，骨料强度最大，水泥石强度次之，最为薄弱的区域为骨料和水泥石之间的界面过渡区。水泥稳定碎石混合料主要依靠水泥的水化产生胶结作用，以此来形成水泥稳定碎石的强度。但是，现阶段对水泥稳定碎石制备过程影响其强度等性能的研究不够，且一些标准只考虑以混合料的宏观均匀程度来评价搅拌设备性能，忽略了混合料的微观均匀程度，导致水泥水化程度不够完全，骨料和水泥界面黏结强度不足。

本文进行水泥稳定碎石分离式振动搅拌试验，研究振动作用在水泥稳定碎石搅拌过程中的行为特性，分析水泥稳定碎石搅拌过程对其强度、劈裂性能以及抗冻性能的影响，为后续水泥稳定碎石性能的影响因素研究提供理论依据。

1 振动搅拌相比传统搅拌的优点

1.1 改善微观均匀性

所谓微观上的均匀，就是破坏水泥颗粒的团聚现象(图1)，使水泥颗粒达到均匀分布的状态(图2)。振动作用可以提高水泥颗粒的运行速度，使得水泥颗粒之间的碰撞次数和强度都有所增加，让水泥颗粒处于震颤状态，导致水泥颗粒参与水化反应的比例增加，从而促进水泥的水化反应。振动搅拌就是对混合料进行机械强化，使得搅拌后的混合料不仅达到宏观上的均匀，而且达到微观上的均匀。

图2 水泥颗粒分布均匀

图3 传统搅拌机速度梯度

1.2 改善传统搅拌低效区

传统搅拌方式存在搅拌低效区[8]，搅拌叶片做圆周运动时存在速度梯度，如图3所示。沿着叶片向外的方向，搅拌速度逐渐变大；而靠近叶片底部的搅拌速度较慢，形成搅拌低效区，其速度梯度呈三角形分布。因而在搅拌过程中，靠近叶片和远离叶片的混合料均匀性存在明显的差异；而加入振动作用则可以改善搅拌不均匀的情况，使水泥水化更加完全。

1.3 清洁骨料表面并增加黏结力

由于施加了振动作用，可清洁骨料表面的杂质，同时将附着在骨料表面的水膜破坏，使水泥颗粒和骨料的接触面积增大，水泥水化物占据了氢氧化钙晶体在骨料界面的空间，降低了过渡层中氢氧化钙的浓度，提升了骨料和水泥颗粒之间的黏结，从而提高过渡区的强度。

2 试验方案

2.1 原材料和级配

骨料和水泥均取材于西安本地，水泥选用秦岭牌复合型硅酸盐水泥，集料采用西安产石灰岩集料，其各项技术指标符合规范要求。

混合料的级配选用骨架密实型和悬浮密实型两种类型，具体如表1所示。

表1 水泥稳定碎石级配

2.2 最佳含水率及最大干密度

水泥用量选用3%、4%和5%，采用传统搅拌方式对混合料进行搅拌，其重型击实试验含水率和干密度结果如表2所示。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中的方法制作试件。

表2 最佳含水率和最大干密度

2.3 振动方式

分别采用传统搅拌和振动搅拌2种方式进行混合料制备，均采用静压成型，压实度取98%。振动搅拌采用先搅拌、后振动的步骤进行分离式振动搅拌，振动设备功率为1 200 kW，振动频率为12 000 r·min-1。分离式振动搅拌方式，即在总时间一定的情况下，每次振动时间均等。例如，振动时间为30 s，振动2次时，即先振动搅拌15 s，后将混合料从静压筒中倒出，搅拌均匀后，再次装入试模中振动搅拌15 s，倒出搅拌均匀并成型试件。

2.4 振动时间及次数对振动搅拌的影响

选用骨架密实型结构，水泥含量为4%，最佳含水率为5.5%，最大干密度为2.37 g·cm-3，压实度选用98%，对照组选用振动次数为1、2、3，振动时间为30、60、90、120 s，试验结果如图4所示。在30 s振动条件下，随着振动次数的增加，试件强度稳定增长，但是增长幅度不是很大。可见，在一定的振动能量下，短时间内增加振动次数对强度提高作用不大。从60 s开始，各振动次数对应的强度差值增大。综合考虑后，选用振动时间为60 s，振动次数为2次。

图4 不同振动次数和时间的7 d抗压强度值

3 分离式振动搅拌水泥稳定碎石性能研究

3.1 振动搅拌对混合料无侧限抗压强度的影响

分别采用传统搅拌和振动搅拌制作不同水泥含量、不同级配类型的水泥稳定碎石试件，标准养生至不同的要求龄期后，测试其无侧限抗压强度值，如图5所示。

图5 振动搅拌和传统搅拌水泥稳定碎石强度增长曲线

由图5可以看出，振动搅拌和传统搅拌下混合料强度均随水泥用量的增加而显著提高。以7 d龄期为例，水泥含量以1%的增量增加时，骨架密实型混合料7 d强度提高31%～44%，悬浮密实型混合料7 d强度提高30%～34%，可见在其他条件一定的情况下，增加水泥含量，混合料的强度提高较大。

同样水泥含量下，与传统搅拌相比，振动搅拌使骨架密实型混合料的7 d强度提高16%～35%，悬浮密实型混合料的7 d强度提高17%～20%，振动搅拌对悬浮密实型级配混合料的7 d强度提升效果比骨架密实型混合料的效果稳定。振动搅拌对混合料强度的提高在7 d强度时表现最佳，随后强度提升效果略有下降。分析认为是由于2种级配强度形成机理不同导致的。骨架密实型混合料的强度形成主要依靠骨料之间的嵌挤作用，水泥起到胶结的辅助作用，将骨料黏结起来；而悬浮密实型混合料的强度形成主要依靠水泥的胶结作用，振动作用使得水泥水化反应加速，促进水泥扩散，分布更加均匀，增加了水泥的胶结作用，从而解释了振动作用对2种级配混合料强度提升的稳定度不同。

随着养生龄期从14～60 d的增长，对比不同水泥含量可知，传统搅拌对骨架密实型混合料强度的提升率为28%～53%，振动搅拌对骨架密实型混合料强度的提升率为30%～59%；传统搅拌对悬浮密实型混合料强度提升率为41%～46%，振动搅拌对悬浮密实型混合料强度提升率为42%～48%。可见，相比传统搅拌，振动搅拌对骨架密实型和悬浮密实型混合料的14、28、60 d养生龄期强度的增长率贡献不大。

3.2 振动搅拌对混合料劈裂强度的影响

分别采用振动搅拌和传统搅拌制备不同水泥含量的试件，在标准条件下养护28 d后，测试其劈裂强度，结果如图6所示。

图6 劈裂强度均值及提高率

由图6可知，水泥含量相同的条件下，振动搅拌对骨架密实型混合料劈裂强度的提高率在15%～17%左右，对悬浮密实型混合料劈裂强度的提高率在21%～25%左右。可见，振动搅拌使2种级配混合料的劈裂强度均有提高，并且振动搅拌时悬浮密实型混合料的劈裂强度提高率比骨架密实型高。

水泥含量以1%增加时，对骨架密实型混合料而言，传统搅拌对其劈裂强度提高率在16%～38%，振动搅拌对其劈裂强度的提高率在17%～35%；对悬浮密实型混合料而言，传统搅拌对其劈裂强度的提高率在30%～36%，振动搅拌对其劈裂强度的提高率在28%～40%。可见，在搅拌方式相同时，随着水泥含量的增加，悬浮密实型混合料劈裂强度的提高比骨架密实型混合料劈裂强度的提高大。分析认为，水泥稳定碎石的劈裂强度主要来自水泥的胶结作用，集料之间的嵌挤起次要作用[9-10]。水泥含量的增加使得水泥对骨料的胶结作用增强，而悬浮密实型混合料强度主要由水泥的胶结作用形成，所以随着水泥含量增加，悬浮密实型混合料的劈裂强度提高率大于骨架密实型混合料。

3.3 振动搅拌对混合料抗冻性的影响

制作试件并养生28 d后经历5个冻融循环，然后饱水，以混合料冻融循环后抗压强度RDC与冻融前抗压强度RC之比，即冻融残留抗压强度比BDR(也称耐冻系数)，来评价其抗冻性。水泥含量采用5%，级配采用骨架密实型和悬浮密实型，分别用振动搅拌和传统搅拌成型标准试件，养护28 d后把试件置于-18 ℃环境中冻结16 h，然后放置在20 ℃水浴中溶解8 h，此为1个冻融循环，进行5次冻融循环后，得到的抗冻性数据如图7所示。

图7 不同搅拌方式的抗冻性

从图7可以看出，振动搅拌能够提高水泥稳定碎石的抗冻性能：对于骨架密实结构而言，振动搅拌使抗压强度的BDR值提高约6.9%；对于悬浮密实结构而言，振动搅拌使抗压强度的BDR值提高约5.5%。可见，振动搅拌对骨架密实结构试件BDR值的提高比悬浮密实结构的大；同时，在搅拌方式相同的条件下，骨架密实结构试件的BDR值比悬浮密实结构的BDR值大。由此说明，骨架密实结构的水泥稳定碎石试件的抗冻性能比悬浮密实结构的好，并且振动搅拌对前者抗冻性的提高比后者效果好。

分析认为，抗压强度主要由骨料的嵌挤作用形成，水泥胶结作用起到辅助作用，冻融循环使得骨料和水泥石之间的界面过渡区产生很多微小孔隙，减弱了水泥对骨料的胶结作用，由此造成的强度损失在骨架密实型混合料和悬浮密实型混合料中的占比不同，显然，冻融循环作用使悬浮密实型混合料的强度损失更大。

4 结 语

通过对传统搅拌和振动搅拌下水泥稳定碎石的性能指标进行分析比较，得出以下几点结论。

(1)对于分离式振动搅拌而言，不仅要考虑振动时间和次数对水泥稳定碎石混合料强度的影响，还要考虑其对功耗及生产效率的影响，通过试验发现，振动60 s、振动2次是较好的选择。

(2)对于骨架密实和悬浮密实2种结构，相比传统搅拌，振动搅拌使混合料的抗压强度均有提高，且效果在7 d时最佳，随后强度的提升效果有所下降。

(3)在搅拌方式相同时，水泥含量的增加对骨架密实型和悬浮密实型2种混合料的抗压强度均有较大提升，但考虑到水泥含量增加会对基层的裂缝控制不利，在实际工程中要选用合适的水泥含量。

(4)水泥含量相同的条件下，振动搅拌对悬浮密实型混合料劈裂强度的提高率比对骨架密实型混合料的提高率大。对于悬浮密实型和骨架密实型2种混合料，在搅拌方式相同的条件下，水泥含量的增加对劈裂强度的提高率也是前者大于后者。

(5)振动搅拌对试件的抗冻性能有一定提高，并且，振动搅拌对骨架密实型混合料的抗压强度BDR值的提升要比悬浮密实型混合料抗压强度BDR值的大，也就是抗冻性提升率较大。