摘 要

引言

水泥穩(wěn)定碎石是砂石集料、水泥和水等原始材料經(jīng)攪拌機(jī)攪拌后的混合產(chǎn)物。攪拌是水泥穩(wěn)定碎石制備過程中的關(guān)鍵工藝，其攪拌過程是一種多材料輸入、單種材料輸出的過程。攪拌時攪拌葉片對混合料的強制作用使其各組分逐漸達(dá)到均勻狀態(tài)， 水泥顆粒、水及集料之間具有物理均勻分布效果，同 時水和水泥混合后，物料間又存在化學(xué)作用，混合料 從宏觀和微觀的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)上發(fā)生量和質(zhì)的變化， 在整個攪拌過程中混合料的狀態(tài)是時刻變化的，直到形成質(zhì)量穩(wěn)定的水泥穩(wěn)定碎石新拌混合料。經(jīng)過充分?jǐn)嚢璧幕旌狭暇哂辛己玫募羟行阅芎洼^低的塑性黏度，有良好的流變性能，有利于改善新拌水泥穩(wěn)定碎石的施工性能及硬化后材料結(jié)構(gòu)的強度、耐久性等［1－5］。因此在水泥穩(wěn)定碎石的生產(chǎn)過程中，對攪拌過程的研究和控制是改善水泥穩(wěn)定碎石性能的關(guān)鍵［6］。

在水泥基材料的攪拌過程中，混合料的受力狀態(tài)與在力的作用下的流動和變形都能直接反映各組分所處的狀態(tài)和相互關(guān)系，并最終反映混合料的攪拌質(zhì)量。當(dāng)給定級配和配合比時，新拌混合料中水泥、水、集料的均勻性指標(biāo)，硬化后材料的力學(xué)性能與抗裂性指標(biāo)，都取決于新拌后其初始結(jié)構(gòu)以及最終各組分間的相互關(guān)系。攪拌過程中水泥基材料由 分散到連續(xù)，混合料結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其流變性隨攪拌時間變化，攪拌過程中混合料的均勻程度不同，會使混 凝土材料作用在攪拌機(jī)構(gòu)上的工作阻力有所差異， 以致攪拌過程中攪拌機(jī)的電流和功率消耗發(fā)生動態(tài)變化。因此，國內(nèi)外很多學(xué)者利用攪拌功率研究水泥混凝土的攪拌過程。文獻(xiàn)［7］～［9］中在研究水泥混凝土流變特性的基礎(chǔ)上，通過監(jiān)控攪拌機(jī)構(gòu)扭矩和攪拌電流的變化來判斷混凝土材料是否攪拌均勻，并預(yù)測新拌和硬 化混凝土的性能。CazaCliu等［10－11］根據(jù)自密實混凝土和高性能混凝土在行星式攪拌機(jī)中的攪拌功率曲線，描述了混凝土材料從顆粒到流體過程的變化，在此基礎(chǔ)上，提出了攪拌過程 中混合料結(jié)構(gòu)狀態(tài)的演變機(jī)理，確定了混合料狀態(tài)變化轉(zhuǎn)折的特征點，并提出可以利用這些特征點的到達(dá)時間來評價攪拌水泥混凝土?xí)r的攪拌效率。國 內(nèi)外學(xué)者利用攪拌功率對水泥混凝土攪拌過程進(jìn)行了大量研究，利用攪拌機(jī)的功率消耗監(jiān)控水泥混凝土攪拌過程已經(jīng)是一種較為成熟的研究方法。與水 泥混凝土相比，新拌水泥穩(wěn)定碎石是由集料、水泥、水組成的多項散體介質(zhì)，它具有水、水泥和細(xì)集料含 量少，粗集料含量多的特點，是極具分散性的多相混合物［12］。目前相關(guān)報道中還沒有對水泥穩(wěn)定碎石攪拌的演變過程及性能的影響研究。

試驗設(shè)備與原材料

試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為公稱容量60L 的雙臥軸振動攪拌機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)見表1。雙臥軸振動攪拌機(jī)主要由攪拌驅(qū)動機(jī)構(gòu)、振動驅(qū)動機(jī)構(gòu)、攪拌缸、激振器、同步裝置、傳動裝置等組成。攪拌驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動2根攪拌軸反向同步轉(zhuǎn)動，強制推動物料在攪拌缸內(nèi)軸向和軸間循環(huán)運動；振動驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動振動傳動軸高速轉(zhuǎn)動，強迫與之偏心連接的攪拌軸及其葉片產(chǎn)生周期振動，在對混合料進(jìn)行強制攪拌的同時，攪拌軸和攪拌葉片把振動能量施加到與之相接觸的混合料中。同時啟動攪拌電機(jī)和振動電機(jī)時，就是振動與常規(guī)攪拌相結(jié)合的振動攪拌；只啟動攪拌電機(jī)，就是常規(guī)攪拌。出料系統(tǒng)主要由卸料門及安裝并固定在其上的轉(zhuǎn)軸、手柄及限位機(jī)構(gòu)組成，攪拌后的混合料卸在接料小車上。

試驗材料

集料選用石灰?guī)r碎石，規(guī) 格為0～4.75ｍｍ，4.75～9.5ｍｍ，9.5～19ｍｍ 和19～31.5ｍｍ。根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）推薦的高速公路和一級公路水泥穩(wěn)定級配碎 石的級配類型，選擇 C－B－1型和 C－B－3型，具體級配見表2。其中，C－B－1 型混合料中粗集料含量較少，細(xì)集料摻量多，級配類型更接近于所謂的“懸浮密實型級配”，而 C－B－3型粗集料含量多，細(xì)集料含量少， 級配類型更接近于所謂的“骨架密實型級配”，2 種級配類型的混合料都是當(dāng)前中國普遍應(yīng)用的，而其 路用性能卻有明顯差異。

水泥選用強度等級為32.5的復(fù)合硅酸鹽水泥，試驗拌和用水采用生活飲用自來水。最佳含水率和 最大干密度根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）采用重型擊實法確定，不同水泥摻量的2種混合料的最大干密度和最佳含水量見表3。不同用途的添加劑都對混合料的某些性 能產(chǎn)生顯著影響，為了排除這些干擾因素，試驗不添 加任何添加劑。

試驗方法

試驗分為3個部分：首先采用水泥摻量為5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下文同）的C－B－1型混合料進(jìn)行常規(guī)攪拌和振動攪拌過程的對比試驗，通過分析攪拌過程中攪拌功率的變化規(guī)律來研究混合料各組分的演變過程以及振動對水泥穩(wěn)定碎石性能的影響規(guī)律；其次，對摻量分別為2％、3％、4％和5％水泥的C－B－1型混合料和C－B－3型混合料進(jìn)行振動攪拌和常規(guī)攪拌對比試驗，分析2種攪拌方式對水泥穩(wěn)定碎石強度的影響以及水泥用量與抗壓強度間的關(guān)系，并分析同強度時2種攪拌方式材料的水泥用量之間的關(guān)系，同時對養(yǎng)護(hù)后的材料試件進(jìn)行SEM分析以確定振動攪拌對水泥穩(wěn)定碎石微觀結(jié)構(gòu)的影響；最后進(jìn)行振動攪拌與常規(guī)攪拌的水泥穩(wěn)定碎石干縮性能對比試驗，采用對攪拌質(zhì)量更為敏感的水泥摻量為5％的C－B－1型混合料進(jìn)行研究。

試驗采用的攪拌工藝為：攪拌機(jī)先空轉(zhuǎn)10s后，向攪拌缸中部投入細(xì)集料、水泥、粗集料干拌10s，再加入水濕拌30ｓ后，進(jìn)行卸料操作。每批次攪拌的物料質(zhì)量都按試驗機(jī)的額定容量進(jìn)行。

攪拌功率的測試采用Fluke438電能質(zhì)量與電機(jī)分析儀，測試系統(tǒng)見圖2。儀器分別在攪拌電機(jī)的三相供電線路L1，L2，L3上分別實時監(jiān)測三相電流A1，A2，A3和三相電壓V1，V2，V3的變化，同時該儀器又有即時數(shù)據(jù)儲存與處理功能，能實時計算得出電機(jī)的有功功率、功率因數(shù)和總功率等各項參數(shù)，并有實時的監(jiān)測結(jié)果變化繪圖功能，能直觀而清晰地掌握整個試驗過程中電機(jī)各項電能參數(shù)的變化趨勢。攪拌試驗中攪拌好的混合料從攪拌機(jī)中卸到接料小車上，在接料小車上按圖3所示的1～6的取樣位置均勻取出混合料。無側(cè)限抗壓強度采用Φ150×150ｍｍ的圓柱形試件，干燥收縮測試采用400ｍｍ×100ｍｍ×100ｍｍ的長方體試件。所有試件都嚴(yán)格按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）的要求制作和養(yǎng)護(hù)，為了盡量減少試驗誤差，數(shù)據(jù)分析采用數(shù)理統(tǒng)計方法，每個攪拌工況的測試項目需要至少9個試件。所有試件試驗與數(shù)據(jù)處理參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）規(guī)定進(jìn)行。

試驗結(jié)果與分析

攪拌過程對比試驗

試驗機(jī)常規(guī)攪拌C－B－1型混合料時的攪拌電機(jī)功率變化曲線如圖4(a)所示，振動攪拌時的攪拌電機(jī)功率變化曲線與常規(guī)攪拌的對比如圖4(B)所示。

(1)攪拌過程分析

由圖4可知，整個攪拌過程中攪拌電機(jī)的功率隨時間有明顯變化，表明攪拌扭矩在不斷變化，反映混合料在整個攪拌過程中的狀態(tài)和流動性是不斷變化的。根據(jù)圖4(a)中電機(jī)功率變化的拐點，把整個攪拌過程分為4個不同階段。第Ⅰ階段是往攪拌機(jī)投料后到加水前的干拌階段，集料和水泥投入攪拌缸后迅速由攪拌葉片帶動，使其從下落運動改變?yōu)殡S攪拌葉片旋轉(zhuǎn)的周向運動和由攪拌葉片推動的軸向運動，造成攪拌電機(jī)的負(fù)載迅速增加，攪拌功率陡升。由于整個攪拌過程中粗集料所受的擠壓、推力和碰撞等作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于使其產(chǎn)生塑性破壞的應(yīng)力值，因此粗集料在整個攪拌過程中就其本身而言始終都是以彈性占主導(dǎo)的彈性體［16］。此時的混合料在攪拌葉片的作用下呈以彈性為主的彈性體。加入水?dāng)嚢韬�，混合料進(jìn)入濕拌階段，可分為3個階段。

在濕拌剛開始的第Ⅱ階段，水泥與細(xì)集料遇水迅速形成小的水泥團(tuán)，大的水滴被粉料顆粒包圍而形成的團(tuán)粒，水泥和細(xì)集料彼此接觸形成的團(tuán)簇顆粒，這些團(tuán)聚的顆粒內(nèi)部未完全與水接觸相互間呈彈性，外部表面與水接觸，水泥與水起水化反應(yīng)表現(xiàn)出一定的黏性，細(xì)集料與土粒遇水混合也會呈一定的黏性，粗集料表面也會裹覆一些黏性混合料而在相互間呈一定的黏性，因而混合料的彈性在下降而黏性在增加，并逐漸變?yōu)轲�彈性占主�?dǎo)地位。攪拌葉片通過剪切和碰撞來克服混合料顆粒間的內(nèi)摩擦力，破壞這些大的黏性團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，使各組分更充分的混合，使得攪拌功率會緩慢上升。這個階段是混合料在攪拌機(jī)構(gòu)的作用下顆粒間彌散混合的過程，稱之為彌散階段。隨著攪拌過程的持續(xù)，剪切、擠壓和碰撞使大的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)逐漸減少，水泥的水化更充分，其與細(xì)集料混合而成的膠凝材料逐漸形成，此時攪拌進(jìn)入第Ⅲ階段，這個階段攪拌團(tuán)聚結(jié)構(gòu)逐漸減少，攪拌功率逐漸降低。由于膠凝材料具有黏性也具有一定的塑性，粗集料上裹覆的膠凝材料逐漸增多，因此這個階段混合料的彈性進(jìn)一步減弱，黏性和塑性逐漸增加，使混合料從黏－彈性體進(jìn)一步向黏－彈－塑性體轉(zhuǎn)變，混合填充料裹覆粗集料過程主要發(fā)生在這個階段，稱之為裹覆階段。在攪拌的第Ⅳ階段，混合料宏觀上進(jìn)入均勻階段，混合料的黏塑性不再增加，但由于水泥穩(wěn)定碎石用水少，塑性不明顯，一般不會和水泥混凝土一樣成為黏－塑性體，而是呈一定塑性的黏－彈性體，狀態(tài)基本穩(wěn)定，攪拌功率平穩(wěn)。需要指出的是，即使在攪拌均勻的第Ⅳ階段，混合料中的團(tuán)聚現(xiàn)象仍然存在，只有強化和改善攪拌過程，才能更進(jìn)一步提升攪拌質(zhì)量。

(2)振動對攪拌過程的影響

由圖4(B)可知，振動攪拌過程中攪拌電機(jī)功率的變化趨勢與常規(guī)攪拌相似，但攪拌電機(jī)的功率、變化拐點的時間與常規(guī)攪拌明顯不同，表4為依據(jù)圖4(B)結(jié)果列出的2種攪拌方式功率變化拐點的時間點與功率值。

振動攪拌對混合料施加強制攪拌作用力的同時給混合料施加了具有一定頻率的振動作用力，使物料顆粒處于顫振狀態(tài)，集料在大循環(huán)運動的同時也有頻繁的振動，因此在第Ⅰ階段干拌時顆粒間的內(nèi)摩擦力減小，攪拌電機(jī)最大功率比常規(guī)攪拌小9.1％，在加水點攪拌功率要比常規(guī)攪拌小10.6％。加入水進(jìn)入濕拌后，由于振動力能快速破壞細(xì)顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，加速水與混合料其他成分的混合，并降低混合料的內(nèi)摩擦力和黏性，振動攪拌第Ⅱ攪拌階段的時間大幅縮短，比常規(guī)的攪拌進(jìn)程快了8ｓ，并且在拐點處的電機(jī)功率也比常規(guī)攪拌小了15.2％。第Ⅳ階段混合料黏塑性趨于穩(wěn)定，攪拌功率基本不再變化，整個攪拌過程完成，但振動攪拌比常規(guī)攪拌提前了10s左右。振動攪拌的整個濕拌時間只有15s，比常規(guī)攪拌的24s縮短了37.5％。

攪拌過程的功率變化表明，振動攪拌加速了混合料流動與狀態(tài)的變化，在更短時間內(nèi)使混合料完成了從彈性體到具有一定塑性的黏－彈性體的轉(zhuǎn)變，改善了新拌混合料的黏塑性。特別是振動能量對水泥、水和細(xì)集料的混合彌散占主導(dǎo)地位的第Ⅱ攪拌階段作用明顯，有助于改善細(xì)集料、水泥和水組成的混合填充料的均勻性，從而對硬化后混合填充料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能、混合填充料與集料間界面的結(jié)合強度有所提升，并最終有利于改善水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能和抗裂性能。

硬化強度對比試驗

常規(guī)攪拌和振動攪拌條件下，不同配比水泥穩(wěn)定碎石的7ｄ無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表5。由表5可知，強度隨著水泥摻量的增加而增加，但相同水泥摻量振動攪拌的混合料強度顯著高于常規(guī)攪拌，同時振動攪拌的水泥穩(wěn)定碎石試件的強度變異系數(shù)顯著降低，這表明振動攪拌下的混合料材料均勻性更好，混合料強度的差異性更小。表5中C1，C2分別為C－B－1，C－B－3型混合料7ｄ無側(cè)限抗壓強度平均值。

水泥穩(wěn)定碎石的強度取決于集料本身的強度、膠結(jié)作用的混合填充料強度以及其與集料結(jié)合面的強度［17－18］。常規(guī)攪拌能使混合料各組分在宏觀上分布均勻，但在微觀上只能使部分水泥團(tuán)和細(xì)集料團(tuán)等絮凝單元體和大水簇顆粒受到揉搓、剪切破壞，而大量絮凝單元體在攪拌結(jié)束后仍然存在，使得細(xì)集料、水泥和水未能充分混合均勻，在強度生成過程中混合填充料的膠凝漿體中水泥水化不充分且不均勻，膠凝漿體的整體黏性差，不易裹覆集料表面。在一定齡期的養(yǎng)護(hù)后，膠凝漿體強度低且不均勻和膠結(jié)漿體與集料結(jié)合面裹覆不佳而存在強度薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致常規(guī)攪拌的材料整體強度低且強度變異性大，這不但使材料的承載能力下降，同時對其抗裂性能有不利影響。

在常規(guī)攪拌時對混合料施加一定強度的機(jī)械振動力，不但能使物料受到常規(guī)攪拌的揉搓和剪切作用，而且振動能量還可使物料處在一定幅度和頻率下的顫振狀態(tài)，降低了水泥、細(xì)集料和大水簇顆粒間的內(nèi)摩擦力，能快速破壞聚集狀態(tài)的絮凝結(jié)構(gòu)，使得水泥與水的活性增加，水泥水化均勻、充分且迅速，有利于膠結(jié)作用的漿體強度快速生成。振動使集料間的碰撞幾率增加，有利于凈化集料表面，更均勻的漿體黏性能更充分地包裹集料表面，有利于提高集料與混合填充料的結(jié)合強度。因此，振動攪拌的混合料在相同的養(yǎng)護(hù)條件下強度都高于普通強制攪拌混合料，而且強度生成速度也更快；同時振動攪拌的水泥穩(wěn)定碎石強度變異性大幅減小，這對提高水泥穩(wěn)定碎石的承載能力和耐久性能有重大意義，同時也驗證了振動力對攪拌過程影響的分析結(jié)果。

(1)水泥摻量與強度的關(guān)系

混合料強度代表值與水泥用量的擬合曲線見圖5。由圖5可以看到，不同攪拌方式下混合料的強度水平與水泥摻量呈高度的線性正相關(guān)關(guān)系。隨著水泥摻量的減小，不管是哪種攪拌方式制備的混合料強度代表值都同步減小，強度變異系數(shù)卻在同步增大，水泥摻量在2％和3％時常規(guī)攪拌的2種混合料強度變異系數(shù)都大于15％，而且強度代表值都在2ＭPa以下，顯然在這2種工況下常規(guī)攪拌已經(jīng)難以將混合料攪拌均勻。而同樣攪拌時間，振動攪拌條件下低水泥摻量混合料平均強度都在2ＭPa以上，強度變異水平都在15％以下，仍然符合施工技術(shù)規(guī)范的要求，這表明振動力對水泥、水和細(xì)集料組成的混合填充料的力學(xué)性能有顯著影響，振動攪拌對混合料中細(xì)料均勻的作用更明顯。

(2)振動攪拌與常規(guī)攪拌水泥用量的關(guān)系分析

根據(jù)擬合曲線可分別計算出2種攪拌方式制備的混合料相同強度時所對應(yīng)的水泥摻量。2種混合料基于強度代表值的水泥摻量分布見圖6。

由圖6可以看出，2種攪拌方式在相同強度時所對應(yīng)的水泥摻量呈高度的線性關(guān)系。不同攪拌方式的水泥含量差的計算式為

由式(2)可知，不同攪拌方式水泥摻量差與水泥摻量呈線性正相關(guān)關(guān)系，隨著水泥穩(wěn)定碎石水泥摻量的增加，相同強度的常規(guī)攪拌與振動攪拌的水泥摻量差在增加，也就是說水泥摻量越高，單位質(zhì)量振動攪拌的混合料少用的水泥量越多。從式(2)可以得出，截距分別為0.854，1.0104，是不隨水泥摻量的變化而改變的一個絕對量，也就是說相對于振動攪拌的混合料，常規(guī)攪拌時這些添加的水泥量不對強度產(chǎn)生任何影響。這是因為這些水泥由于常規(guī)攪拌強度不夠，多以水泥團(tuán)簇存在，在初期的水化養(yǎng)生過程中沒有產(chǎn)生水化反應(yīng)。這些水泥團(tuán)在后期可能以2種形式存在：①在水泥穩(wěn)定碎石整個生命周期中都以水泥團(tuán)的形式存在于成型結(jié)構(gòu)中，也就是這些水泥被浪費掉了；②水泥穩(wěn)定碎石養(yǎng)護(hù)成型的后期隨著養(yǎng)護(hù)和強度生成過程的進(jìn)行，這些水泥團(tuán)再次遇水產(chǎn)生水化反應(yīng)，這時水化反應(yīng)就會伴隨吸水、釋放熱量、體積膨脹等一系列變化，這些變化對水泥穩(wěn)定碎石的其他技術(shù)性能如抗裂性非常不利。

振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石同強度節(jié)省水泥的百分率Ｆ可表示為

由式(4)可以看出，相同強度采用振動攪拌混合料水泥節(jié)約率Ｆ與水泥穩(wěn)定碎石水泥摻量Ｘ呈反比例函數(shù)關(guān)系，工程應(yīng)用中2≤Ｘ≤7。在這個取值區(qū)間，計算C－B－1型混合料基于強度代表值時，隨著水泥摻量的增加水泥節(jié)約率為66.77％～27.09％；C－B－3型混合料基于強度代表值時隨著水泥摻量的增加水泥節(jié)約率為71.36％～35.27％。

(3)微觀結(jié)構(gòu)分析

將養(yǎng)生7ｄ后水泥摻量為5％的圓柱形試件用角磨機(jī)進(jìn)行切割，制備成標(biāo)準(zhǔn)形狀的試件，將試樣進(jìn)行打磨、拋光、烘干等處理之后，再對試樣進(jìn)行真空噴金以使試件導(dǎo)電，采用掃描電鏡掃描制好的水泥穩(wěn)定碎石混合料試樣，得到的1000倍SEM圖，如圖7，8所示。

C－B－1型混合料自身的細(xì)集料占比大，常規(guī)攪拌使水、水泥與細(xì)集料較難實現(xiàn)微觀均勻，從圖7(a)可以看出，在相同的養(yǎng)護(hù)條件下，常規(guī)攪拌的水泥穩(wěn)定碎石試樣水化反應(yīng)不均勻，結(jié)構(gòu)松散，孔隙多且相互連通、呈網(wǎng)狀分布的態(tài)勢影響水泥穩(wěn)定碎石的強度。從圖7(B)可以看到，振動攪拌試樣的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙閉合程度更高且分布也更均勻。振動攪拌的試樣中有更多的C－Ｓ－Ｈ凝膠，而C－Ｓ－Ｈ凝膠是所有水泥基材料體系中的主要水化產(chǎn)物和結(jié)合相，決定了硬化混合物的強度［19－21］。由圖8(a)可以看到，C－B－3型混合料細(xì)集料中雖然有更多的水泥顆粒分布，但由于各組分顆粒間微觀分布不均勻，相比圖8(B)中振動攪拌的混合料C－Ｓ－Ｈ凝膠結(jié)構(gòu)少，其微觀結(jié)構(gòu)疏松，孔隙多，孔徑大且相互連通。與均勻分布的閉合孔隙相比，這種分布不均的連通孔隙，是引起水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)破壞的薄弱部位。由圖8(B)可以看到：振動攪拌的混合料有更多的C－Ｓ－Ｈ凝膠結(jié)構(gòu)，這些相互交織的C－Ｓ－Ｈ凝膠填充了試樣內(nèi)部的大孔，減小了孔尺寸和連通孔隙，減少大孔數(shù)量有利于使水泥穩(wěn)定碎石獲得更高的強度，同時也有利于耐久性的提升。

干縮性能對比試驗

混合料中的粗集料在干縮性能中是一個穩(wěn)定且有利的因素，而細(xì)集料、水和水泥是水泥水化與蒸發(fā)失水的主要載體，是材料干縮性能的不利因素，其干燥收縮性能對攪拌質(zhì)量更為敏感［22］，因此試驗選擇的粗集料較少，細(xì)集料、水泥與水相對占比較多的C－B－1型級配進(jìn)行試驗，更能直觀反映振動攪拌對水泥穩(wěn)定碎石干縮性能的影響。不同攪拌方式下制成的水泥穩(wěn)定碎石混合料，按照相同的標(biāo)準(zhǔn)制備400ｍｍ×100ｍｍ×100ｍｍ的中梁試件，在溫度20℃±1℃和濕度98％條件下養(yǎng)生6ｄ后，飽水24ｈ，然后在溫度20℃±1℃環(huán)境下自然風(fēng)干，為了研究不同攪拌方式制成試件的失水率和干縮系數(shù)隨齡期的變化，每天都讀千分表1次并稱量標(biāo)準(zhǔn)試件的質(zhì)量，連續(xù)不間斷測量21ｄ直至干縮系數(shù)變化基本趨于穩(wěn)定為止，測試結(jié)果見表6和圖9。

由表6可知：試驗結(jié)果的平均干縮系數(shù)變異系數(shù)均小于30％，同一種水泥穩(wěn)定碎石混合料在不同攪拌方式下的干縮性能有顯著差異。振動攪拌混合料試件的最大干縮應(yīng)變量要比常規(guī)攪拌混合料少20.4％，平均干縮系數(shù)要比常規(guī)攪拌混合料少18.7％；同時常規(guī)攪拌試件干縮應(yīng)變的變異性較大，表明其各試件間的材料收縮差異性更大。干縮應(yīng)變的不均勻是水泥穩(wěn)定碎石基層產(chǎn)生裂紋的重要原因［23－24］。振動攪拌的混合料干縮應(yīng)變的變異性較小，表明材料間收縮差異性小，有利于減少路面裂紋的產(chǎn)生。

由圖9(a)可知：干燥收縮試驗1ｄ，混合料主要失去的是自由水，在這個時期各組試件的失水率相差不大，常規(guī)攪拌試件只比振動攪拌試件多失水0.03％，但隨著試驗進(jìn)行到后期，常規(guī)攪拌的混合料失水率要高于振動攪拌，表明這期間常規(guī)攪拌的試件失水速率要比振動攪拌的快。隨著材料自由水的減少，此時主要失去的是自由水和存在于混合料微觀結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)管水、吸附水以及層間水。干縮觀測結(jié)束后，將標(biāo)準(zhǔn)試件放到烘箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量，由此計算得出振動攪拌試件的平均最大失水率為3.78％，常規(guī)攪拌試件的平均最大失水率為3.87％，表明常規(guī)攪拌的試件做飽水操作時試件的吸水量較多。這是由于常規(guī)攪拌混合料生成的膠凝漿體微觀結(jié)構(gòu)疏松，孔隙多，孔徑大且不均勻，飽水操作時飽含的水分就大，同時在水分自然蒸發(fā)時毛細(xì)水和吸附水容易快速散失產(chǎn)生收縮力，對干燥收縮進(jìn)程不利。振動攪拌的水泥穩(wěn)定碎石，在試驗開始前的養(yǎng)護(hù)過程中水泥水化更均勻而且完全，膠凝漿體中水泥水化均勻，微觀結(jié)構(gòu)致密，飽水操作時飽含的水分相對較小，存在于微觀結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)水、吸附水和層間水在自然蒸發(fā)時散失的也較慢，這種結(jié)構(gòu)對改善材料的干燥收縮也是有利的。

由圖9(B)可以看出：試驗初期所有試件的干縮系數(shù)都快速增大，干縮試驗后期干縮系數(shù)趨于平穩(wěn)，表明在試件水分蒸發(fā)的初期水泥穩(wěn)定碎石的干縮最為劇烈；但2種試件的平均干縮系數(shù)的變化量是不同的，在干燥收縮試驗的第1天，常規(guī)攪拌的水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)快速增大，其增幅是振動攪拌的2.4倍，這是由于混合料中還存在大量沒被破壞的水泥團(tuán)，在前期養(yǎng)護(hù)過程中膠凝漿體中水泥水化不充分且不均勻，這些水泥團(tuán)繼續(xù)水化產(chǎn)生較大壓應(yīng)力，同時水泥水化消耗水泥團(tuán)周圍的毛細(xì)水、吸附水和層間水，使這些區(qū)域的水相對更快速地減少，使局部干縮進(jìn)程加快，這一系列影響使得材料的干縮系數(shù)快速增加。振動攪拌的混合料使水泥與水以更小的顆粒形式均勻的分布在混合料中，水泥團(tuán)聚現(xiàn)象大幅減少，在前期養(yǎng)護(hù)過程中水泥水化完全，在干縮試驗過程中水泥繼續(xù)水化現(xiàn)象減少，從而在干縮試驗的初期對試件的干縮進(jìn)程影響較小。在干燥收縮后期由于試件的失水率比較平穩(wěn)，2種試件的干縮系數(shù)變化也趨平穩(wěn)，但由于失水率較大，常規(guī)攪拌試件的干縮系數(shù)仍高于振動攪拌。

結(jié)語

(1)水泥穩(wěn)定碎石的攪拌過程可分為4個不同階段：干料投入攪拌缸后的下落運動變?yōu)楦蓴嚢柽\動階段；加水后混合料不斷混合的彌散均勻階段；混合填充料裹覆粗集料階段和攪拌均勻階段。4個階段混合料的流變性能隨攪拌時間同步變化，由彈性體變化為彈－黏性體，最終變化為呈一定塑性的黏－彈性體。振動攪拌能顯著加快水泥穩(wěn)定碎石的攪拌進(jìn)程，振動力的作用下能快速使混合料中的細(xì)集料、水泥和水混合均勻，縮短混合彌散均勻階段的時間，顯著提升攪拌效率。

(2)相對于粗集料，振動力對細(xì)集料、粉料與水的攪拌均勻作用更加明顯。在相同的級配類型和水泥用量下，振動攪拌比常規(guī)攪拌的水泥穩(wěn)定碎石微觀結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙閉合程度更高且分布也更均勻，養(yǎng)護(hù)成型的材料強度更高且強度變異性更低。

(3)振動攪拌與常規(guī)攪拌方式下混合料的強度水平與水泥摻量呈高度的線性正相關(guān)關(guān)系，2種攪拌方式在相同強度時所對應(yīng)的水泥含量呈高度的線性關(guān)系；隨著水泥摻量的增加，單位質(zhì)量振動攪拌混合料節(jié)約的水泥量越多。

(4)攪拌方式與攪拌質(zhì)量是影響水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮性能的關(guān)鍵因素。振動攪拌的混合料養(yǎng)護(hù)成形后由于微觀結(jié)構(gòu)的改善，材料飽水含量降低，失水速率下降，干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)都比常規(guī)攪拌的材料低，改善了混合料的干縮性能。

(5)本文從攪拌過程和材料的強度與干縮性能方面探索了振動對水泥穩(wěn)定碎石性能的影響，為該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供了參考，下一步應(yīng)從振動攪拌對材料抗拉強度、彎拉強度、回彈模量等性能的影響著手進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步提高該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用水平。