摘要:
为了了解拌和方式对水泥稳定碎石材料性能的影响，本文选用3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%五种水泥剂量分别对顺序拌和、振动拌和和传统常规拌和三种拌和方式下的最佳含水率、无侧限抗压强度、劈裂强度干缩系数等试验数据进行了对比分析。研究表明：相比较传统常规拌和工艺，顺序拌和和振动拌和技术最佳含水量可降低15%以上，无侧限抗压强度也有较大提升，同等水泥剂量下养护7 d后抗干缩性能也具有更优异的表现，当水泥剂量较大时振动拌和技术比顺序拌合技术有更好的性能表现。
Abstract:
In order to understand the way of mixing effect on the performance of cement stabilized gravel materials, this paper chooses 3.5%, 4.0%, 4.5%, 5.0%, 5.5%, five kinds of cement dosage of traditional order mixing, vibrating mixing and conventional mixing three mixing mode of optimum moisture content and unconfined compressive strength, splitting strength, dry shrinkage coefficient and so on, comparing the test data analysis. Research shows that: compared with the traditional conventional mixing process, the order of mixing and vibrating mixing technology optimum moisture can reduce more than 15%, the unconfined compressive strength has large improvement, and also under the same cement dosage curing shrinkage resistance after 7 d also has more excellent performance, when the cement dosage larger vibration than order batch mixing technology has a better performance.
1. 引言
自上世纪八十年代，随着我国高等级公路建设里程的快速发展以及轴重和交通量的逐年增加，半刚性基层以其强度高、成本低、材料来源广泛等特点，成为我国近几十年公路建设的主要承重层，采用具有水硬性结合料处置基层的沥青路面的优势愈发凸显，在社会经济水平相对较低的国情条件下，在提高道路服务功能和保障交通运输的发展上，起到了卓越的贡献。
然而，半刚性材料因其为水硬性材料特点，因水分挥发带来的干缩和温度变化与材料收缩性能引起的温缩，造成半刚性基层过早出现裂缝，裂缝迅速向面层反射，产生反射裂缝，进而在路面产生裂缝、坑槽等早期损坏，严重影响道路行车安全以及使用寿命 [1]，影响安全的同时也缩短路面使用年限，沥青路面的横向开裂问题已成为国内半刚性基层结构的通病和难题。
针对半刚性基层的抗裂措施研究，目前国内外主要的解决办法有降低水泥剂量、调整混合料级配类型、改善施工工艺等手段，而顺序拌和技术和振动拌和技术是基于拌和方式通过改善施工工艺、提高混合料的均匀性、降低水泥剂量和最佳用水量等方式来提高抗裂性能。
2. 技术原理
半刚性基层材料受压开裂破损可以看作剪切破坏，水泥稳定碎石材料的抗剪切强度表达式为τ = σtanφψ + c，从式中可得抗剪强度主要取决于垂直压应力σ、内摩擦角φ和粘结力c，内摩擦角可通过改善级配类型来提高，而粘聚力主要取决于水泥稳定碎石材料中结合料的粘结力，通过提高结合料的均匀性、改善黏结界面的强度可提高水泥稳定碎石材料的抗裂性能。振动拌和技术是通过拌和设备的高频振动可使混合料颗粒保持振动，这就使得拌和过程中团聚的水泥颗粒分散开来，加快了粉料与水的弥散，水泥水化反应更加充分，同时集料颗粒的振动增强了彼此之间的碰撞机会，净化了集料表面包裹的粉尘，增强了水泥胶浆对集料的裹覆效果 [2]。顺序拌和技术是基于流变学理论研究水泥稳定碎石材料，通过调整混合料的掺配顺序为水泥与在水中的弥散提供充分的时间，同时控制水泥浆的稠度，改善拌和过程中集料的润湿状态，保证集料具有良好的流动性，粗集料较细集料提前加入到拌和过程中，使粗、细集料均能达到较为均衡的裹覆状态，提高了集料界面黏结的均匀性和强度 [3]。振动拌和技术和顺序拌合技术是基于拌和方式的抗裂型水泥稳定碎石材料制备工艺，均能够通过提升均匀性、降低水泥剂量和含水量来改善水泥稳定碎石材料的抗裂性能。
3. 原材料及配合比设计
本文研究以S247乐胡线惠民县城至里则镇段改建工程为依托，所有试验原材料皆来自于施工现场。试验用水泥采用滨州青龙山水泥有限公司P.S.A32.5水泥，根据相关国家标准及行业规范进行各性能指标检测，经检测试验均符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》标准的要求。粗集料采用厂家山东隆银工程材料有限公司10~30 mm、10~20 mm、5~10 mm石灰岩，检测压碎值、针片状含量和0.075 mm一下粉尘含量均符合规范要求，细集料应选取没有杂质的、洁净干燥、无风化并有适当级配的0~5 mm石屑，厂家山东隆银工程材料有限公司,检测砂当量和0.075 mm以下粉尘含量均符合规范要求。本文采用骨架密实型结构，参照JTG/TF20--2015《公路路面基层施工技术细则》中“表4.5.2”中推荐的C-A-1级配范围中值，并根据实验室试验确定级配10~30 mm：10~20 mm：5~10 mm：0~5 mm = 22:33:20:25，级配如表1。
Table 1. Synthetic gradation of cement stabilized materials (%)
表1. 水泥稳定材料合成级配(%)
公路路面基层施工技术细则(JTGT F20-2015) 4.6.4中，对于中粗粒式水泥稳定碎石集中厂拌法要求最低水泥剂量为3%，如表2所示，根据山东地区水泥稳定碎石基层工程应用经验，水泥剂量控制在4.0%~4.5%，超过6%后，混合料的收缩系数增大，水泥稳定碎石基层容易出现裂缝，不宜采用，为减少混合料的收缩性，应控制水泥剂量不超过6%，故在本研究配合比设计阶段选择5种水泥剂量(3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%)的混合料进行试验，每个沥青用量分别使用传统常规拌和、顺序拌和和振动拌和三种拌和工艺制备混合料，通过室内试验确定最佳含水率和最大干密度，对每一组混合料分别验证无侧限抗压强度、劈裂强度和干缩性能。室内性能试验混合料来源于项目现场水泥稳定碎石拌合站取料，顺序拌合技术集料的拌和顺序为粗集料 + 水泥胶浆 + 细集料，即首先将粒径不小于5 mm的粗集料拌和均匀，再向上述搅拌均匀的粗集料中加入设计浓度的均匀水泥浆拌和均匀，最后加入细集料补足设计用水量充分搅拌。施工现场振动拌和采用许昌德通振动搅拌技术有限公司生产的“DT600ZBT型振动搅拌机”，该机型采用双卧轴连续振动搅拌技术，振动拌和频率为30 ± 1 Hz，激振力为7.6 KN，振幅为1.3 ± 0.05 mm [4]。
4. 实验结果分析
4.1. 最佳含水率及最大干密度
5种沥青用量对应最佳含水率及最大干密度如下图所示：
Figure 1. The optimum moisture content of three mixing processes
图1. 三种拌和工艺最佳含水率
Figure 2. Three mixing processes had the highest dry density
图2. 三种拌和工艺最大干密度
通过图1、图2分析可得：三种拌和工艺的混合料最大干密度都随着水泥用量的增加，而呈增大趋势；随着水泥用量的增加，混合料中需要更多的水来参加水化反应。顺序拌和和振动拌和两种拌和工艺均可在显著提高试件的最大干密度的同时降低最佳含水量，相比较传统常规拌和工艺，顺序拌和技术最佳含水量可降低16.8%，振动拌和技术可降低16.5%。相比较顺序拌和技术振动拌和技术在水泥用量较大时最佳含水量降低效果越来越显著。
4.2. 强度和模量
不同水泥剂量、不同拌和方式下水泥稳定碎石混合料的7 d无侧限抗压强度如图3所示；水泥稳定碎石的劈裂抗拉强度能够从侧面反映其抵抗开裂破坏的能力，本次试验采用尺寸为φ150 mm × 150 mm的试件，静压成型，标准养护6 d，第7 d浸水养护测试劈裂强度如图4所示。
Figure 3. Unconfined compression strength
图3. 无侧限抗压强度
通过图3、图4实验结果分析可得无论采用顺序拌和技术还是振动拌和技术，其7 d无侧限抗压强度和劈裂强度均有不同程度的提升。相比较传统常规拌和方式，顺序拌和7 d无侧限抗压强度提升了17.2%，振动拌和7 d无侧限抗压强度提升了19.6，顺序拌和劈裂度提升了23%，振动拌和劈裂度提升了18.1%。通过以上比较不难发现：振动拌和技术对7 d无侧限抗压强度提升幅度更大一些，顺序拌和技术对劈裂强度改善效果更明显。通过图3、图4曲线走势还能够得出无论是无侧限抗压强度还是劈裂强度，在水泥剂量较低时顺序拌合技术的改善效果要比振动拌和技术更为明显一些，当水泥剂量较大时振动拌合技术优势更大。
4.3. 干缩性能
通过实验数据对比分析可得知水泥稳定碎石试件的干缩系数比温缩系数大8~10倍，因此干燥收缩是水泥稳定碎石材料产生收缩裂缝的主要原因 [5]，选取水泥剂量为4%配制混合料，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51-2009制作100 mm × 100 mm × 400 mm试件进行干缩实验，测试三种拌和方式下随着龄期的增加失水率和干缩量的变化，实验结果如下图所示：
Figure 5. Relationship between age and water loss rate
图5. 龄期与失水率关系
Figure 6. Relationship between age and total shrinkage coefficient
图6. 龄期与总干缩系数的关系
通过图5、图6分析可得试件失水率和总干缩系数都随着龄期的增长而增加，在龄期的前6 d，振动拌和和顺序拌和成型试件失水率和总干缩系数要比传统常规拌和成型试件更大一些，从龄期第7 d开始常规拌和试件失水率和总干缩系数超过振动拌和和顺序拌和试件。这是由于振动拌和和顺序拌和混合料分散更均匀，在前期水化反应更快、更充分。
通过以上综合分析可得水泥稳定碎石试件完成养护后同等水泥剂量条件下顺序拌合和振动拌和试件的无侧限抗压强度和劈裂强度要比常规拌和试件高，因此在同等强度下顺序拌合和振动拌和试件的水泥剂量要比常规拌和试件低；根据水泥剂量与干缩系数的关系，无论哪种拌和方式，相同级配下水泥稳定碎石材料的干缩系数随着水泥剂量的增加而增大，对于骨架密实型试件的干缩系数，常规拌和方式比振动拌和方式增加了21.8% [6]，综合上述原因可得同等强度条件下，振动拌和和顺序拌合技术要比传统常规拌和技术干缩性能有较大提升。
5. 结语
本文主要是基于振动拌和、顺序拌和和传统常规拌和三种拌和技术展开的水泥稳定碎石基层抗裂性能研究，主要根据室内试验对三种拌和方式下的最佳含水率、最大干密度、7 d无侧限抗压强度、劈裂强度和干缩系数分析研究。通过本文研究主要形成以下结论：
1) 相比较传统常规拌和工艺，顺序拌和技术最佳含水量可降低16.8%，振动拌和技术可降低16.5%，相比较顺序拌和技术振动拌和技术在水泥用量较大时最佳含水量降低效果越来越显著。
2) 相比较传统常规拌和工艺，顺序拌和和振动拌和技术对无侧限抗压强度和劈裂强度都有较大程度的提升；振动拌和技术对7 d无侧限抗压强度提升幅度更大一些，顺序拌和技术对劈裂强度改善效果更明显，在水泥剂量较低时顺序拌合技术的改善效果要比振动拌和技术更为明显一些，当水泥剂量较大时振动拌合技术优势更大。
3) 从龄期第7 d开始常规拌和试件失水率和总干缩系数超过振动拌和和顺序拌和试件，在满足强度指标要求的条件下，顺序拌和和振动拌和技术可以降低水泥剂量，进而改善水泥稳定材料的干缩性能。