在路面设计中, 水泥稳定碎石等半刚性基层材料被广泛使用。水泥稳定碎石具有强度高、整体性好及稳定性好等特点。但是水泥稳定碎石也有一定的缺点, 大部分学者都是在原材料的性质和水泥用量等方面进行研究和提出改进措施, 也有在运输和摊铺方式方法上进行研究和分析, 很少有在水泥稳定碎石拌合的方法中进行研究。长安大学冯忠绪教授等研究的振动搅拌技术首次在黑龙江省的水泥稳定碎石拌合中应用, 该技术的应用大大缓解和改善了传统搅拌水泥稳定碎石的缺点。

本研究依托黑河至大连一级公路 (国道202, 明水至兰西段) 工程项目, 黑大公路采用一级公路标准, 设计时速80km, 路基宽度24.5m。路面结构层为:面层采用沥青混凝土, 基层为2层16cm厚的水泥稳定碎石和1层20cm厚的水泥稳定砂砾, 路线起点位于黑大公路K376+249处, 终点位于黑大公路K508+849处, 全长132.6km。水泥稳定碎石混合料分别采用振动拌合与常规二次拌合。

采用虎鼎水泥厂生产的P·O 42.5灌装水泥, 集料采用玉泉生产的石料, 粉煤灰为大庆热电厂生产。根据JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》与JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》, 对原材料进行指标试验。试验结果如表1~3所示。

水泥稳定碎石的集料级配采用骨架密实型结构级配。集料分为1号 (19~31.5mm) 、2号 (9.5~19mm) 、3号 (4.75~9.5mm) 、4号 (0~4.75mm) 和粉煤灰。根据各档集料筛分对水泥稳定碎石的集料级配设计如表4所示, 集料的级配设计都采用级配中值, 但是根据JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细节》中的要求, 混合料中有粉煤灰作为填料使用, 0.6以下是允许超出级配范围的。

级配设计结果为:采用振动拌合的各档集料比例为:1号∶2号∶3号∶4号∶粉煤灰=19∶23∶25∶27∶6。采用传统二次拌合的各档集料比例为:1号∶2号∶3号∶4号∶粉煤灰=18∶26∶19∶30∶7。

采用重型击实试验进行水泥稳定碎石的配合比设计, 水泥稳定碎石采用推荐的水泥含量为4.5%, 确定振动拌合与传统拌合的水泥稳定碎石的最佳含水量和最大干密度。振动与传统拌合的击实试验结果如表5所示。由表5可知, 振动拌合水泥稳定碎石 (水泥用量4.5%、粉煤灰含量6%) 重型击实试验的最佳含水量6.2%、最大干密度2.311g/cm³。传统二次拌合水泥稳定碎石 (水泥用量4.5%、粉煤灰含量7%) 重型击实试验的最佳含水量6.5%、最大干密度2.293g/cm³。

根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》, 在实验室制成15cm×15cm圆柱体试件。试件种类分为2种: (1) 室内实验室制作的标准圆柱体试件; (2) 施工现场摊铺养护7d现场取芯制成标准试件。试件制备时混合料的拌合方式分别采用常规的二次拌合和振动拌合, 试件标准养护条件温度为 (20±2) ℃、湿度>95%。现将实验室制备的试件与施工现场的取芯试件分别进行7, 28, 90d龄期的无侧限抗压强度和间接抗拉强度 (劈裂强度) 试验。

振动与传统拌合的室内试件与施工现场取芯试件的无侧限抗压强度试验结果如图1所示。

分析图1中的数据, 可以得到以下结论。

1) 2种拌合方式的不同试样7d无侧限抗压强度都符合规范要求。其中, 室内试件的振动拌合混合料比传统拌合混合料的7, 28, 90d无侧限抗压强度分别提高15.4%, 21.7%, 21.3%。芯样试件的振动拌合混合料比传统拌合混合料的7, 28, 90d无侧限抗压强度分别提高16.8%, 16%, 28.5%。因此, 振动拌合水泥稳定碎石比传统拌合的无侧限抗压强度有很大提高。

2) 振动拌合混合料的28d抗压强度相当于传统拌合混合料的90d抗压强度。

3) 2种拌合方式的芯样试件抗压强度比室内试件的抗压强度高, 主要区别是室内试验试件成型采用静压成型, 而工地道路摊铺采用多种压实技术, 说明室内试验与实际工程有所不同。

振动与传统拌合的室内试件与施工现场取芯试件的劈裂强度试验结果如图2所示。

分析图2中的数据, 可以得到以下结论:

1) 2种拌合方式的水泥稳定碎石劈裂强度随着养护时间增长逐渐上升, 90d以后趋于平缓增长。振动与传统拌合的水泥稳定碎石劈裂强度都符合规范要求。

2) 室内振动拌合混合料的7, 28, 90d劈裂强度比传统拌合的混合料劈裂强度分别提高6.11%, 21.4%, 19.5%。两者取芯试样的劈裂强度相比分别增加了7.89%, 15.84%, 18.48%。因此, 振动拌合水泥稳定碎石劈裂强度比传统拌合有较大优势。

3) 基于两种不同的拌合方式, 不同养护天数的取芯试件劈裂强度比室内试件劈裂强度有较大的提高。

1) 水泥稳定碎石配合比试验结果表明, 在相同的试验条件下, 振动拌合的水泥稳定碎石最大干密度比传统拌合的最大干密度提高了0.78%。振动拌合的混合料含水量为6.2%, 而传统拌合的混合料含水量为6.5%, 相比之下含水量减少了0.3%。

2) 室内试件的振动拌合混合料比传统拌合混合料的7, 28, 90d无侧限抗压强度分别提高了15.4%, 21.7%, 21.3% (6.11%, 21.4%, 19.5%) 。取芯试件的振动拌合混合料比传统拌合混合料的7, 28, 90d无侧限抗压强度分别提高了16.8%, 16%, 28.5% (7.89%, 15.84%, 18.48%) 。取芯试件的抗压强度比室内试件的高。

3) 对室内试件与取芯试件进行振动拌合与传统拌合的无侧限抗压强度与劈裂强度试验, 试验结果表明, 在相同的试验条件下, 振动拌合的混合料无侧限抗压强度与劈裂强度均比传统拌合的混合料有明显的优越性。