基于顆粒流理論的水泥穩定碎石混合料新型拌合技術

路來芬，徐欽升，閆翔鵬

（1.莒南縣交通運輸局，山東 臨沂 276699；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

水穩基層因板體性好、強度大、耐久性強等性能廣泛應用于我國公路基層建設中［1-3］，然而伴隨水穩基層大量應用，其自身短板也漸漸顯現。水泥穩定碎石混合料是由粗集料、細集料、水泥和水按一定比例均勻拌和而成的一種混合料，組成材料自身性能是影響混合料性能的首要因素，研究發現［4-9］，拌合工藝的改進可較好地改善材料性能，基于顆粒流理論［10-14］的水泥穩定碎石混合料新型拌合工藝，先將粗集料與水泥漿攪拌，待攪拌一定時間后再將細集料加入攪拌，該技術通過改變水穩混和料拌合過程中各檔集料顆粒加入的拌合順序，實現水泥漿與集料的靶向結合，改善了拌合均勻性和集料裹附程度，充分發揮材料各組分優勢，提高混合料性能。

1 試驗方案及混合料設計

1.1 試驗方案

相同試驗環境下，主要通過無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓彈性模量及干縮試驗，對基于兩種攪拌方式（現行常規拌合技術/基于顆粒流理論的新型攪拌技術）、不同水泥劑量和不同養護齡期的水泥穩定碎石混合料性能對比分析，試驗方案見表1。

表1 試驗方案

1.2 混合料設計

1.2.1 原材料

（1）集 料。選用20 ～30 mm、10 ～20 mm、5～10 mm碎石和0～5 mm石屑四檔優質粗、細石料，所選集料指標均滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTG/TF20—2015）要求，主要指標見表2。（2）水泥。水泥選用P.O 32.5 普通硅酸鹽水泥，其主要技術指標滿足《水泥穩定碎石基層施工技術規范》（DB 37/T 3577—2019）要求。（3）水。試驗用水選用可飲用地下水，各項試驗指標均滿足《水泥穩定碎石基層施工技術規范》（DB 37/T 3577—2019）要求。

表2 粗、細集料主要技術指標

1.2.2 級配選擇

選用骨架密實型結構，并按照《公路路面基層施工技術細則》（JTG/TF20—2015）所推薦級配范圍值進行設計，水泥穩定碎石混合料合成級配見表3，級配曲線見圖1。

表3 優化后水泥穩定碎石混合料級配

圖1 優化后水泥穩定碎石混合料級配曲線

2 性能試驗及數據分析

2.1 無側限抗壓強度

參照試驗規程［15］，對兩種不同攪拌工藝成型的水泥穩定碎石混合料試件進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果見圖2。

圖2 不同水泥劑量水泥穩定碎石混合料無側限抗壓強度

由圖2 可知，兩種拌合技術水泥穩定碎石混合料無側限抗壓強度均隨著水泥劑量的增加不斷增大；同一水泥劑量下，基于顆粒流理論的新型拌合技術的水穩混合料強度更大，約提升36.8%；且混合料變異系數更小，約降低39.2%；水泥劑量較低時，新型拌合技術的水泥穩定碎石混合料無側限抗壓強度更大，表明在相同設計強度指標要求下，新型拌合工藝可以實現降低水穩混合料的水泥劑量。

選用4.5%水泥劑量的水穩混合料進行不同齡期下的無側限抗壓強度試驗，見圖3。

圖3 不同齡期水泥穩定碎石混合料無側限抗壓強度

由圖3 可知，基于兩種拌合技術的水泥混合料無側限抗壓強度均隨養護齡期增加不斷增大；相同養護齡期下，基于顆粒流理論拌合工藝的水穩混合料強度更大，表明新型拌合工藝可以提高其早期強度，在更短養護時間內滿足下一階段施工強度指標，實現縮短水穩混合料的養護齡期。

2.2 劈裂強度試驗

按照試驗規程［15］進行劈裂強度試驗（間接拉伸試驗），對基于不同拌合工藝的不同齡期（4.5%水泥劑量）、不同水泥劑量（7 d 養護齡期）水穩混合料的彎拉性能分析評價，試驗結果見圖4。

圖4 不同拌合工藝水泥穩定碎石混合料劈裂強度

由圖4可知，水穩混合料劈裂強度與齡期正相關，與常規拌合工藝相比，基于顆粒流理論拌合工藝的水穩混合料抗裂性能更佳，強度提升更快，劈裂強度提高約18.53%；新型拌合技術在低水泥劑量下，混合料劈裂強度可達到較高水準，其3.0%、3.5%、4.0%、4.5%水泥劑量下的劈裂強度分別達到常規拌合3.5%、4.0%、4.5%、5.0%水泥劑量的強度水平。

2.3 抗壓回彈模量

對基于兩種拌合工藝成型的12 個水穩混合料試件進行抗壓回彈模量試驗，對不同水泥劑量的水穩混合料模量分析，試驗結果（模量均值）見圖5。

圖5 不同拌合工藝水泥穩定碎石混合料抗壓回彈模量

由圖5 可知，兩種拌合工藝的水穩混合料彈性模量均隨著水泥劑量增加不斷增大，與常規拌合技術相比，基于顆粒流理論拌合工藝的水穩混合料彈性模量更大，當水泥劑量＜4.5%時，模量約提升35%；當水泥劑量＞4.5%時，模量約提升10%，相同水泥劑量下呈現高強度高模量現象，表明基于顆粒流理論的新型拌合技術能夠在考慮材料抗裂性能方面獲得相對較大的強度要求。

2.4 干縮性能

成型梁式試件，對兩種拌合技術的水穩混合料進行干縮試驗，對不同養護齡期下混合料的干縮性能分析，試驗結果見圖6。

圖6 不同拌合工藝水泥穩定碎石混合料干縮對比

由圖6 可知，水泥穩定碎石混合料隨著養護齡期增加，其干縮量、失水率、干縮應變和干縮系數均增長；14 d 養護齡期下，基于顆粒流理論拌合工藝的水穩混合料干縮相對較小，其干縮性能更佳，且隨著養護齡期的增長，混合料干縮對比更佳明顯，累積干縮量約減小18.1%，累積失水率減小約4.6%，累積干縮系數減小約18.6%，表明基于顆粒流理論的新型拌合技術可以有效改善混合料的拌合均勻性及集料間的有機組合，降低了材料的干縮參數，明顯改善提高了水穩混合料的抗開裂性能。

3 結語

（1）相同室內試驗條件下，與現行常規拌合技術相比，基于顆粒流理論拌合技術的水泥穩定碎石混合料強度和模量更大。（2）基于顆粒流理論拌合技術的水泥穩定碎石混合料拌合均勻性更好，混合料偏差/變異系數、累積干縮量、干縮系數及累積失水率更低，混合料耐久抗裂性能變現更佳。（3）在相同設計強度指標下，基于新型拌合技術的水穩混合料可以降低水泥劑量及縮短養護齡期。