拌和工艺对水稳碎石组成设计参数的影响研究
欧阳勇
【摘要】采用室内振动拌和试验设备，对比研究了拌和工艺对水泥稳定碎石组成设计参数的影响，结果表明，与普通静力拌和工艺相比，振动拌和降低了水泥稳定碎石最佳含水率及增大了最大干密度，改变幅度与级配类型关系不大。振动拌和可显著提升水泥稳定碎石7d无侧限抗压强度，且水泥剂量越大、级配结构越好，强度提升越明显。从强度和密实度的提升来看，仅仅优化矿料级配不如改进拌和工艺，优化级配的同时，采用振动拌和工艺会更好。
【关键词】拌和工艺;振动拌和;水泥稳定碎石;设计参数;强度
Study on the influence of mixing technology on composition design parameters of cement stabilized crushed stone
Ou Yang-yong
（Guangdong Guanyue highway &bridge Co.，LtdGuangzhouGuangzhou511450）
【Abstract】The influence of mixing technology on the composition design parameters of cement stabilized crushed stone was studied by using indoor vibration mixing test equipment.The results show that， compared with the conventional static mixing process， the vibration mixing process reduces the optimal moisture content and increases the maximum dry density of cement-stabilized gravel， and the change amplitude has little relation with the gradation type.Vibration mixing can significantly improve the unconfined compressive strength of cement-stabilized macadam for 7 days， and the higher the cement dose， the better the gradation structure， the more obvious the strength improvement.From the perspective of the improvement of strength and compactness， it is not as good as the improvement of mixing process to merely optimize ore grading，but it is better to adopt vibration mixing technology while optimizing gradation.
【Key words】Mixing process;Mixing by vibration;Cement-stabilized macadam;Design parameters;Unconfined compressive strength
1. 引言
（1）水泥穩定碎石是由水泥、粗细集料、水等原材料按照一定比例拌和而成的多相、多孔非匀质复合材料[1-2]，其力学强度及路用性能与水泥稳定碎石材料的水泥用量、级配设计以及压实状态[3-4]等直接相关。水泥胶结材料是水稳碎石材料产生强度、形成板体结构及表现出良好路用性能的关键，对水稳碎石材料的强度、干缩性能及抗裂性能等影响较大;矿料级配决定水稳碎石材料的骨架效果和密实程度，影响水稳碎石材料的强度形成方式及路用性能等;最佳含水率和最大干密度是水稳碎石材料组成设计的主要参数，也是施工质量控制和检验的重要指标[5～9]。因此，准确确定水泥稳定碎石设计参数至关重要。
（2）长期以来，室内主要通过普通拌和方式、重击实、静压成型或振动成型等试验进行水泥稳定碎石组成设计。已有结果表明[10]，采用振动成型的水泥稳定碎石最大干密度与最佳含水率等参数与静压成型有差异，可见，成型方法对混合料的设计参数有影响。但受制于室内拌和技术的发展，长期以来，忽略了拌和方式对混合料设计参数的影响，实际上，拌和过程决定了混合料中集料和水泥的分散和排列状态，不同拌和方式也可能会对混合料密实度、含水量以及强度等参数与指标产生影响。
（3）振动拌和是近年来出现的一种全新的拌和方式。已有研究表明[11～14]，振动拌和技术可以显著改善水泥稳定混合料的力学及路用性能，并且采用振动拌和工艺生产的混合料最佳含水率会减小、最大干密度会增大。虽如此，但上述研究几乎都是基于现场施工的振动拌和设备，得到的一些结论对现场施工应用具有指导性，但对室内混合料组成设计及参数确定的指导性并不强。据调查，采用振动拌和工艺的施工项目，室内混合料设计仍然采用以往拌和设备和方法，导致确定的参数（干密度、含水量、强度等）与现场施工不匹配。基于此，本文采用室内振动拌和试验设备（如图1），对比研究振动拌和对水泥稳定碎石设计参数的影响，为室内材料组成设计及施工质量控制与检验提供参考。
2. 室内振动拌和设备及工作原理
2.1室内振动拌和设备简介。
本文采用型号为双卧轴60L的室内振动拌和试验设备，具体参数见表1，其基本结构如图1所示。由机架、暂存料仓、搅拌装置、传动系统、出料系统及电器控制系统组成，其中：机架是整个设备的支撑部分，主要由型材焊接而成;搅拌装置由搅拌轴、搅拌叶片以及轴端密封单元所构成;传动系统包括搅拌传动装置和振动传动装置两部分，搅拌传动装置由搅拌电动机、摆线针轮减速器和链轮、链条组成，将动力直接传递给搅拌装置;振动传动装置由振动电动机、皮带轮、双面V带组成，将动力直接传递给激振器，激振器与搅拌装置直接相连，使搅拌装置产生周期振动;出料系统采用手动卸料方式，主要由卸料门及安装并固定在其上的转轴、手柄及其限位机构组成（室内振动拌和设备见图1）。
2.2振动拌和设备工作原理。
室内振动拌和设备的技术原理与现场振动拌缸类似，也采用连续式双卧轴振动拌和方式，其工作原理主要包括两方面[15，16]：一是通过改进搅拌装置的叶片数量及角度，加强混合料的循环流动及剪切作用，使得物料能够得到充分的搅拌;二是通过振动传动装置使混合料颗粒处于振动状态，降低水泥及细料颗粒间的摩擦力，增大颗粒间的碰撞频率及接触面积，从而提高水泥的利用效率及拌和均匀性（如图2所示），进而获得较为理想的拌和效果（振动拌和状态下水泥微观分布状态见图2）。
3. 原材料技术指标及试验方案
3.1原材料技术性质。
本文依托广东某新建高速公路项目，室内试验原材均来自该项目，水泥采用P.C 42.5复合硅酸盐水泥。按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）和《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）对原材技术指标进行试验检测，均满足规范要求，具体试验结果如表2～4所示。
3.2试验方案。
本文基于室内振动拌和试验设备，对振动拌和工艺及普通拌和工艺下悬浮密实结构及骨架密实结构水稳碎石材料组成参数进行对比研究。同时，为验证振动拌和工艺效果，室内成型试件，分别对振动拌和工艺及普通拌和工艺下水泥稳定碎石的7d无侧限抗压强度进行测试。不同级配、不同拌和方式采用相同的拌和参数，均干拌10s，湿拌40s;两种类型级配设计如表5～6所示。
4. 试验结果及分析
4.1最佳含水率及最大干密度试验结果。
根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009），分别对振动拌和工艺和普通拌和工艺下水泥剂量为3%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%的水泥稳定碎石材料进行重型击实试验，对比振动拌和与普通静力拌和下水泥稳定碎石材料最佳含水率及最大干密度间的差异，试验数据见表7，试验结果如图3～4所示（最佳含水率试验结果见图3、最大干密度试验结果见图4）。
对图3、4试验结果进行分析：
（1）对于两种级配类型的5个水泥用量（3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%），均是振动拌和的最佳含水率略小于普通拌和。就具体数值而言，采用骨架密实结构时，振动拌和5个水泥用量混合料最佳含水量依次减小了0.2%、0.3%、0.3%、0.3%、0.4%;采用悬浮密实结构时，振动拌和5个水泥用量混合料的最佳含水量依次减小了0.2%、0.2%、0.2%、0.3%、0.3%。从数据分析可以得出，振动拌和减少最佳含水量的幅度对两种级配并未表现出明显的差异，但水泥用量越大，振动拌和减小用水量相对越多。
（2）就最大干密度而言，首先，相同拌和方式下，骨架密实结构的最大干密度略大于悬浮密实结构;其次，相同级配结构，振动拌和的最大干密度均大于普通拌和。就具体数值而言，采用骨架密实结构时，振动拌和5个水泥用量（3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%）混合料的最大干密度依次增大了0.019g/cm3、0.020g/cm3、0.010g/cm3、0.022g/cm3、0.029g/cm3;采用悬浮密实结构时，振动拌和5个水泥用量的混合料的最大干密度依次增大了0.011g/cm3、0.025g/cm3、0.008g/cm3、0.017g/cm3、0.024g/cm3。试验数据表明，振动拌和可以提高水泥稳定碎石混合料的最大干密度，但提高幅度对两种级配也未表现出明显的区别。
4.2无侧限抗压强度试验结果。
室内制备振动拌和工艺和普通拌和工艺下水泥剂量为3%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%的水泥稳定碎石试件，对试件的7d无侧限抗压强度进行测试，试验数据见表8，试验结果如图5所示（7d无侧向抗压强度试验结果见图5）。
由表8和图5试验结果可知：相同水泥剂量与级配结构，振动拌和工艺的水泥稳定碎石的7d无侧限抗压强度明显高于普通静力拌和，且随着水泥剂量的增大，强度提高的幅度越大。相对于悬浮密实级配，振动拌和工艺对骨架密实结构水稳碎石7d无侧限抗压强度的提升效果更加显著。
究其原因，振动拌和工艺能够激发混合料中水分子及水泥的活力，增大水泥与水分子的碰撞频率及接触面积，提高了水泥在混合料中的弥散作用，有效地降低了水泥结团的现象，改善了水泥水化程度，使得细料及水泥水化产物裹附于粗集料的面积增大，从而提高水泥稳定碎石材料的强度，且水泥剂量越大，振动拌和工艺对水泥水化的促进作用越大，强度提升的越明显。另外，在振动拌和作用下，骨架密实结构可在一定程度增大水泥与粗集料的水化接触面积，形成更多的水化产物包裹集料，从而更易提高强度。
从上述分析也可以看到，对比普通静力拌和下骨架密实型水稳碎石与振动拌和下悬浮密实型水稳碎石的强度可知，改进拌和工艺对强度提升效果优于仅仅优化级配，但在优化级配的同时，采用振动拌和工艺，对强度的提升更顯著。
5. 结语
本文基于室内振动拌和试验设备，对比研究了拌和工艺对水泥稳定碎石组成设计参数的影响，主要得到以下结论：
（1）相比普通拌和，振动拌和可减小水泥稳定碎石的最佳含水率4%～8%左右、提高最大干密度0.3%～1.2%左右，变化幅度仅受拌和方式影响较大，对级配类型并不敏感。
（2）振动拌和显著提升了水泥稳定碎石的7d无侧限抗压强度，且水泥剂量越大，强度提升效果越明显。
（3）振动拌和对骨架密实结构水泥稳定碎石混合料的强度提升效果优于悬浮密实结构;仅仅优化矿料级配不如改进拌和工艺，优化级配的同时，采用振动拌和工艺，对强度和密实度的提升更显著。
