振动搅拌对水泥稳定碎石水泥用量的影响研究

时间：2024-04-24

许国伟，余明坤，他雪凤，李东林，董晨辉，范宗凯，王浩，古源

（1.云南省建筑科学研究院云南昆明 650223）

（2.云南建筑工程质量检验站有限公司云南昆明 650223）

（3.云南省建筑结构与新材料企业重点实验室云南昆明 650223）

（4.昆明市建筑结构安全和新技术重点实验室云南昆明 650223）

（5.云南省交通投资建设集团有限公司云南昆明 650000）

0 前言

目前，国内外的有关水泥稳定碎石的研究主要在于原材料的级配、性能及新拌水泥稳定碎石成型方面，技术方法也比较完善。但在水泥稳定碎石生产过程工艺技术研究不多，致使通过强化拌和过程改善水泥稳定碎石结构和力学性能的和巨大潜力都无法发挥，造成水泥浪费，加工能耗大，噪音大，设备磨损快等问题，究其原因就是搅拌技术的落后导致。振动搅拌技术解决了传统搅拌方式下水泥稳定碎石搅拌时间太短、微观均匀性差和存在速度梯度和搅拌低效区的问题[1,2]。通过振动搅拌对水泥稳定碎石水泥用量的影响进行试验研究，以期对振动搅拌技术在水泥稳定碎石生产中的推广应用提供依据。

1 试验原材料及方法

1.1 试验原材料

水泥：采用红河天宝水泥有限公司生产的P.C32.5R 复合硅酸盐水泥，其性能指标见表1。

细集料：机制砂，其筛分结果见表2、性能指标见表3。

粗集料：二龙山石料场，1#碎石（19～31.5mm）、2#碎石（9.5～19mm）、3#碎石（4.75～9.5mm），筛分结果见表5、7、9，性能指标见表4、6、8。

表1 水泥性能指标

表2 细集料筛分试验结果

水泥、细集料、粗集料的性能指标满足JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》的要求。

1.2 试验方法

水泥：按照GB/T8074-2008《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》水泥性能试验。

集料：按照JTG E41-2005《公路工程集料试验规程》进行粗、细集料的性能试验。按照JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》进行水泥稳定碎石混合料级配筛分试验。

表3 细集料的性能指标

表4 1#碎石（19～31.5mm）性能指标

表5 1#碎石（19～31.5mm）筛分试验结果

表6 2#碎石（9.5～19mm）性能指标

表7 2#碎石（9.5～19mm）筛分试验结果

表8 3#碎石（4.75～9.5mm）性能指标

表9 3#碎石（4.75～9.5mm）筛分试验结果

配合比设计：按照JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》进行水泥稳定碎石配合比的设计。

水泥稳定碎石性能：按照JTG E51-2015《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行水泥稳定碎石的击实试验、试件的成型、养生和试件7d无侧限抗压强度的试验。

2 试验结果与分析

2.1 水泥稳定碎石混合料级配设计

试验分别采用图解法和计算法对基层水泥稳定碎石混合料级配进行配合比设计，所得结果如下图1 和表10 所示。

图1 图解法混合料配合比设计

计算法配合比如表10。

通过图解法得到水泥稳定碎石混合料级配中1# 碎石、2# 碎石、3# 碎石、细集料的比例分别为21:19:28:32，通过计算法得到水泥稳定碎石混合料级配中1# 碎石、2# 碎石、3# 碎石、细集料的比例分别为38:22:10:30。结合图解法和计算法得到水泥稳定碎石混合料级配进行试验验证，最终确认水泥稳定碎石混合料级配1# 碎石、2# 碎石、3#碎石、细集料的比例为35:25:10:30.

表10 计算法混合料级配表

2.2 水泥稳定碎石混合最佳含水率和最大干密度测试

按照试验验证确认的水泥稳定碎石混合料级配，以不同水泥剂量，在不同含水量下进行水泥稳定碎石进行击实试验，确定水泥稳定碎石的最佳含水率和最大干密度，并根据最佳含水率和最大干密度确定水泥稳定碎石的最佳用水量。水泥稳定碎石的最佳含水率和最大干密度测试结果如图2～6 所示。

图2 3.5%水泥剂量干密度～含水率曲线

图3 4.0%水泥剂量干密度～含水率曲线

图4 4.5%水泥剂量干密度～含水率曲线

图5 5.0%水泥剂量干密度～含水率曲线

图6 5.5%水泥剂量干密度～含水率曲线

从水泥稳定碎石的最佳含水率和最大干密度测试结果图2～6 可知：水泥剂量3.5%时水泥稳定碎石最佳含水率为4.7%，最大干密度为2.432 g/cm3；水泥剂量4.0%时水泥稳定碎石最佳含水率为4.8%，最大干密度为2.447 g/cm3；水泥剂量4.5%时水泥稳定碎石最佳含水率为5.0%，最大干密度为2.463 g/cm3；水泥剂量5.0%时水泥稳定碎石最佳含水率为5.1%，最大干密度为2.471 g/cm3；水泥剂量5.5%时水泥稳定碎石最佳含水率为5.2%，最大干密度为2.471 g/cm3。

2.3 振动搅拌对水泥稳定碎石水泥用量的影响

按照试验确认的的最佳含水率，配制3.5%～5.5%的水泥剂量的水泥稳定碎石，按照JTG E51-2015《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行成型，试验分别在传统搅拌方式和振动搅拌方式下，研究水泥剂量对水泥稳定碎石7d 无侧限抗压强度影响。试验结果见表11 所示。

表11 不同搅拌方式下的水泥稳定碎石7d 无侧限抗压强度

试验结果显示，在相同的水泥剂量情况下，改变搅拌方式对水泥稳定碎石7d 无侧限抗压强度影响较大，并且振动搅拌方式相比于传统搅拌能提高水泥稳定碎石7d 无侧限抗压强度。这主要是因为采用振动搅拌拌合效率明显提高，通过释放激振力来强化搅拌过程的技术，使水泥颗粒处于颤动状态，从而破坏水泥凝聚团[3]，使水泥颗粒分布均匀，胶结料的作用效果也显著提高。

从试验数据结果看，采用振动搅拌方式比采用传统搅拌方式的水泥稳定碎石7d 无侧限抗压强度提高0.4～0.7MPa。这主要是由于振动搅拌使得混合颗粒的运动速度加大，增加了有效碰撞次数，加速了集料颗粒表面水化生成物向液相扩散的速度，使水泥水化加速，从而提高了水泥稳定碎石的强度[4]。

从表11 可以得出，振动搅拌能有效地提高水泥稳定碎石质量和搅拌效率，保证了材料微观的均匀性[5]，使得混合料降低了离析分层的现象。采用振动搅拌，在相同的水泥稳定碎石强度和工作性要求下，比传统搅拌方式可以节约0.5%左右的水泥剂量。