公路施工中振动搅拌水泥稳定碎石的应用研究

刘涛，冯昌满，王理波，肖玉杰，周张峰

（中交一航局第五工程有限公司，河北秦皇岛 066000）

在公路工程建设实践中，水泥稳定碎石混凝土的性能质量十分关键。若水泥稳定碎石混凝土的拌和技术落后、成型质量不佳，不仅公路设施的力学强度、结构稳定性及使用寿命会受到负面影响，还会降低公路工程建设施工综合效益。在水泥稳定碎石混合料的搅拌过程中附加振动作用，无论是对各类拌和原料的混合黏结质量，还是对混凝土的成型投用效果均有明显的提升作用。所以，有必要对公路施工中振动搅拌水泥稳定碎石的应用事宜展开讨论。

工程位于广西南宁市武鸣区，为中交一航局平南高速公路工程项目No.2标合同段。该工程段途经南宁市内武鸣区、隆安县、西乡塘区3个分区，与广昆高速、南宁绕城高速相连，总长约42.787 km，起始桩号为K125+000，终点桩号为K167+870.858。工程区域内设3座水稳拌和站，以满足水稳碎石搅拌处理的施工需求。在施工过程中，水泥稳定级配碎石混凝土的设计用量约200万t，水稳施工段的起始桩号为K125+000，终点桩号为K160+780。由此可见，水泥稳定碎石混合料的应用涉及工程全过程，且用量大、投入多。在此背景下，做好相关拌和技术的分析与选用，既有助于实现材料性能的稳定提升，也有助于降低施工经济成本与施工质量风险，从而为案例工程的综合建设效益提供有效保障[1]。

振动搅拌是现阶段工程建设中水稳碎石混凝土材料的常用拌和技术，技术原理主要是在普通搅拌的基础上附加振动作用，并将振动幅度、频率控制在一定范围内，从而使水泥、粗集料、细集料等实现高质量混合。从施工实践看，应用振动搅拌技术处理水泥稳定碎石混合料时需注意以下要点。

1）应做好搅拌装置及辅助装置的选配。在设备主体方面，搅拌装置应具备良好的振动功能，振动强度最大值应在2 mm/s以上，振动频率不可低于25 Hz，振动功率不可低于7.5 kW。同时，为保证设备稳定性与施工安全性，搅拌过程中装置机架的振动强度应在0.6 mm/s以内。在辅助装置方面，工程中常用的装置类型包括称量装置、动态计量装置、拌和水喷洒装置等。其中，为保证水稳碎石混合料的配比质量与拌和效果，应将称量装置、动态计量装置的计量精度控制在标准范围内，具体见表1。

2）应做好混凝土混合材料的质量把控与配比设计。如水泥材料以硅酸盐水泥为宜，并保证各项性能指标满足GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》规范要求。粗集料以玄武岩、石灰岩等材料为宜，相关性能应满足GB/T 14685—2022《建设用卵石、碎石》规范要求。同时，基于振动搅拌的技术优势，可适当降低胶凝材料用量，以确保混凝土在拌和后具备较高的结构稳定性。一般来讲，水胶比应控制在0.4以下。若公路工程处于寒冷地区，还应尽量提升混凝土的保温抗冻性能，混合料的含气量在4%~6%为宜[2]。

3）应做好振动搅拌技术的工艺控制。搅拌过程中应先加入粗集料、细集料、胶凝材料及固体掺合料、外加剂。在完成干混搅拌作业后，再加入水及液体外加剂进行后续搅拌。同时，需对振动频率、振动强度、搅拌时间等工艺参数进行合理设计。通常情况下，振动频率应高于25 Hz，振动强度应高于2 mm/s，搅拌时间应根据混凝土种类及拌和要求而定。若为普通的水泥稳定碎石混合料，搅拌时间在60 s以内即可；
若为高性能要求下的水泥稳定碎石混合料，搅拌时间宜控制在60~120 s；
若为超高性能要求下的水泥稳定碎石混合料，搅拌时间应超过120 s。上述搅拌时间均为干混预搅拌后的整体搅拌时间。

为分析公路施工中振动搅拌水泥稳定碎石的应用效果，案例工程主要采用对比试验方式。

4.1 主要试验材料

4.1.1 水泥

水泥为南宁华润水泥有限公司生产的M32.5水泥，主要性能指标为：比表面积为423 kg/m2；
标准稠度为26.8%；
初凝时间为311 min；
终凝时间为384 min。

4.1.2 集料

集料为迪嘉石场加工生产的粗集料与细集料，共有19.00~31.50 mm、9.50~19.00 mm，4.75~9.50 mm及4.75 mm以下4种规格。各类集料的基本情况如下：

1）19.00~31.50 mm集料的主要性能指标为：0.075 mm以下粉尘含量0.3%；
软弱颗粒含量1%；
针片状含量10%。

2）9.50~19.00 mm集料的主要性能指标为：压碎值为21.3%；
0.075 mm以下粉尘含量0.4%；
软弱颗粒含量1.4%；
针片状含量10.6%。

34.75~9.50 mm集料的主要性能指标为：0.075 mm以下粉尘含量1.3%；
软弱颗粒含量0.9%；
针片状含量9.9%。

4）4.75 mm以下集料的主要性能指标为：含水率3%；
砂当量74%；
塑性指数3.8。

4.1.3 水

案例工程中水泥稳定碎石混合料用水为普通生活用水。

4.2 配合比

经过多次优化调整，最终将水泥用量确定为5%，最佳含水率为4.8%，最大干密度为2.382 g/cm3，由高到低4种规格集料的掺配比例为19∶25∶22∶34。在此基础上，对水泥剂量递增的标准消耗量进行计算，结果见表2。

表2 不同水泥剂量对应的DETA消耗量

4.3 试验方法

在试验条件基本相同的前提下，仅将水泥剂量与搅拌工艺作为变量，设置对照组1#、2#、3#。其中，1#水泥剂量为5%，搅拌工艺为普通搅拌；
2#水泥剂量为5%，搅拌工艺为振动搅拌技术；
3#水泥剂量为4.5%，搅拌工艺为振动搅拌技术。以此为基础对各组试样进行拌和处理，并检测其7 d无侧限抗压强度平均值、代表值及变异系数。

4.4 试验结果

按上述试验条件对水稳碎石混合料实施拌和处理，并通过室内成型、现场取芯两种方式进行性能检测，试验结果如图1所示。其中，1#试样7 d无侧限抗压强度的平均值为5.93 MPa，代表值为5.25 MPa，变异系数为7.05%；
2#试样7d无侧限抗压强度的平均值为6.99 MPa，代表值为6.27 MPa，变异系数为6.26%；
3#试样7 d无侧限抗压强度的平均值为5.99，代表值为5.38 MPa，变异系数为6.22%。显而易见，两组振动搅拌试样的性能均优于普通搅拌试样，即表明振动搅拌技术能对水稳碎石混合料的拌和质量产生积极影响。同时，对比2#、3#两组试样可知，在水泥剂量提升的情况下，水稳碎石混合料的抗压强度可发生明显变化。在一定范围内，水泥在配比方案中的占比越高，水稳碎石混合料的性能越好。

图1 水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度对比图

4.5 效果分析

结合试验结果看，将振动搅拌技术应用于公路施工中水稳碎石的拌和处理中能达到优于普通搅拌技术的理想效果。

1）在水稳碎石混合料配比方案不变的情况下，应用振动搅拌技术能实现混合料抗压强度的提升，并将材料的变异系数控制在较低水平。一方面有助于提高公路的结构稳定性，并延长公路的使用寿命，降低公路正式投用后出现沉降、裂缝等故障的发生概率；
另一方面，能提高公路基层结构的均匀性，从而达到改善公路应力分布状态、强化公路施工质量标准性及统一性的目的。

2）试验中，3#试样虽然水泥掺量有所减少，但整体性能仍然略优于1#。由此可见，在相同性能要求下，应用振动搅拌技术有助于节约水泥用量。同时，由于抗压强度高、变异系数小，所以，公路水稳碎石基层的故障率更低，从而能有效减少道路修补、道路养护等需求。综合来看，振动搅拌技术在实践应用中具备更好的经济性、节能性，更能实现公路工程的降本增效。

3）从技术原理角度看，普通搅拌技术难以保证混合料拌和的均匀性与充分性，在低转速、短时长条件下，易引发水泥离析、结团等故障问题。在此基础上，细集料难以达到良好的水泥混合与碎石包裹效果，粗集料的黏结性也无法达到理想水平，易导致混合料在施工使用时出现质量问题。相比之下，振动搅拌技术依托附加振动作用，能帮助水泥、细集料、粗集料等原料更均匀、充分地实现混合黏结，使公路水稳碎石基层在经过摊铺、碾压、保养等施工处理后，形成高水平的结构强度与承载能力[3]。

综上所述，将振动搅拌技术应用到公路工程中水泥稳定碎石混合料的拌和处理中具有良好的实用价值。在施工条件、配比方案不变的情况下，振动搅拌技术能够予水稳碎石混合料较高水平的力学性能，且变异系数相对较低。在材料质量要求相同的情况下，振动搅拌技术与普通搅拌技术相比具备更好的经济性与稳定性。为保证技术应用效果符合预期，在振动搅拌水泥稳定碎石时，既要做好搅拌装置的选配与配比方案的设计，也要对振动搅拌技术的工艺流程、工艺参数实施科学控制，进而将水稳碎石混凝土的材料质量提升至理想水平，为公路工程的施工建设提供助力。