【技术】振动搅拌耐久型水泥稳定碎石技术研究
摘要：振动搅拌耐久型路面基层技术是指基于振动搅拌革命性提升基层混合料微观均匀性核心技术的重大突破，充分挖掘和释放振动搅拌技术核心技术优势，建立与之相适应的原材料选择与配合比优化、搅拌、运输、摊铺、碾压、养生及评价等系列路面基层的设计施工成套技术。
关键词：振动搅拌；耐久型；水泥稳定碎石
1.研究背景
对流运动+扩散运动，实现微观均匀，激发材料潜能，振动式水泥稳定碎石搅拌机应运而生，世界振动搅拌技术发展史可以追溯到20世纪30年代。1931年苏联德国等国科学家发现混凝土微观重大缺陷，1972年苏联实验机（下置式振动）完成室内试验验证，1992年冯忠绪教授开启世界振动搅拌技术研究新时代，2009年西安德通创立并开启振动搅拌技术工业化进程，2012年世界首台混凝土振动搅拌机由西安德通研制成功，2014年西安德通振动式水泥稳定碎石搅拌机研制成功，2015年振动式水泥稳定土混凝土搅拌机多省份开始大规模应用，2016年振动式水泥稳定碎石搅拌技术已经普及全部大陆地区。
2. 振动搅拌耐久型路面基层技术关键指标
《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）结构层层底拉应力模量范围（3000～4200Mpa）， 考虑实际施工作业过程中最不利因素（下一个结构层施工养生7～28天，即进行上一层结构层施工，混合料运输载重车辆及施工机械已经开始对结构层进行破坏），7天取芯无侧限抗压强度平均值不小于6Mpa。传统水泥稳定碎石基层施工，7天取芯强度变异系数一般在20%以上，使用双拌缸技术的水泥稳定碎石基层7天取芯强度变异系数在17%左右，使用振动搅拌技术的基层取芯强度变异系数在7%左右，考虑到全国各地材料、气候、施工技术管控水平差异，强度变异系数设计为不大于12%。水泥剂量2.0～3.5%。7天取芯强度芯样100%完整，不允许出现“断根”现象；截取靠近底端部分进行无侧限抗压强度试验，获取数据（基层表面过度压实质量隐患及应对探索）。交工通车经历一次冬季收缩，路面反射贯通裂缝间距大于300米（不同地区有差异）。
3.振动搅拌机理
目前国内外搅拌功率的计算采用经验公式法。基于稳定土搅拌过程的模型化，根据相似理论和量纲分析法，采用数理统计的方法，可以得到搅拌功率的计算式，解决了极其复杂的稳定土搅拌过程的动力学计算难题，这对其他工程机械工作装置与介质的相互作用过程的定量化计算也具有参考价值。
传统意义的均匀是宏观均匀,如下两个指标:
当ΔM<0.8％和ΔG<5％时，可视为混凝土宏观匀质性合格。
微观均匀新概念是指当水泥颗粒3～80μm、粉煤灰颗粒45μm左右、水滴最小直径20μm、各种添加剂用量更少颗粒直径更小，以上各种细集料粘结料颗粒均匀分布才是微观均匀。
而传统搅拌机的搅拌运动方式为周向运动、轴向运动、径向运动。但是这三种混合方式不能让“粘结料团粒”充分弥散。振动搅拌机理颠覆式创新突破，搅拌过程可以模型化。振动搅拌采用将连续式搅拌机的物理模型与搅拌过程的数学模型结合起来的综合模拟方法，对复杂的搅拌过程进行模拟。基于连续式搅拌机的工作模型与扩散方程得到了搅拌过程中均匀性变化的数学表达式。
搅拌过程的均匀性表达式
。其中：V0—搅拌刚开始时组分含量的均匀系数；Vt—搅拌结束时组分含量的不均匀系数；t—搅拌时间；an，k，l--搅拌速度系数中的最小值；搅拌速度系数是由搅拌机结构参数与工作参数所决定的表征搅拌过程中三维方向混合发展速度的系数。
根据得到的均匀性表达式，得到搅拌曲线：比较完善的搅拌过程，物料的位移必须由良好配合的对流运动和扩散运动来完成，这就是冯忠绪教授提出的新的搅拌概念。这也为我们采用振动搅拌技术来强化扩散运动的振动搅拌方案提供了理论依据。
搅拌曲线
第1阶段，拌和主要是靠物料的循环流动来实现。搅拌过程在宏观水平进行，扩散现象不明显。
第2阶段，扩散分布加快，循环流动与扩散运动在拌和中起的作用趋于相近，各组分的重新分布已在微观水平上进行。
第3阶段，循环流动作用不大，扩散运动起主要作用。
根据数学模型，提出搅拌设备的优化目标：若在搅拌室内不同坐标方向达到给定的均匀度的搅拌时间是相近的，那么这种搅拌机械的搅拌时间将最短，其表达式为：
式中，搅拌平均时间的角标与搅拌速度系数中的角标相对应，表示圆筒形拌缸的三维坐标及其顺序。
振动搅拌机不但比普通搅拌机搅拌频率高，同时搅拌装置每分钟又释放1500次以上振动弹力波，搅拌装置每次对混合料撞击能量达到静力搅拌机至少10倍以上，水泥等细集料充分弥散，水泥水化更加充分，水泥水化产物与骨料表面牢固粘结，强度耐久性及耐冲刷性等指标革命性提升。振动搅拌,实现微观均匀,激发材料潜能振动搅拌，颠覆式创新，实现行业革命性提升。振动搅拌通用参数优于传统搅拌机独特功能是把粘结料细集料结团充分弥散对流运动+扩散运动。
4.振动搅拌混合料性能
4.1抗弯拉能力提升
水泥稳定碎石结构层底部的抗弯拉能力，是水泥稳定碎石结构层抗荷载疲劳能力形成的关键因素，振动搅拌水泥稳定碎石结构层，下半部及底部成型依然密实均匀，大大提升了抗弯拉性能，是增强路面耐久性的重要保证。
4.2耐久性提升
材料的强度高，无疑将会提高路面结构的承载能力，对提高路面结构的承载能力的耐久性，即结构的安全性有利。但对于无机结合料稳定材料单纯地提高强度将会导致材料的温度收缩开裂或干湿开裂程度的增加。
在实际工程中提高无机结合料稳定材料（主要是中、粗粒材料）的强度，首先是优选混合料的矿料级配，其次才是适当增加无机结合料的剂量。
降低混合料的变异性，在工程实施过程中就要改善现有的施工工艺，保证混合料的拌和、摊铺的均匀性。材料往往是在其薄弱位置首先开裂，减少材料的薄弱位置，保证其均匀性，是减少无机结合料稳定材料开裂的工艺要求。
综上所述，提高路面基层耐久性，关键在三点：一是强度要高；二是裂缝要少；三是减少材料的薄弱位置。振动搅拌技术对上述三条要求都有支撑作用。
5.存在问题及深度研究
目前水泥用量仍然偏高，在满足国家规范质量技术指标前提下，我们希望水泥用量控制在1.5～3.0%之间，在振动搅拌整站性能（配合比优化+搅拌站全系统精确计量）全面提升的支撑下，扩大试验，继续总结。不同的配合比形式对抗压回弹模量、弯拉强度、疲劳损伤的影响；不同地区（气候条件、原材料差异、工艺流程、技术管理水平）合适的《振动搅拌耐久型水泥稳定碎石设计施工技术》总结推广；对于细集料中含泥量大的混合料，振动搅拌技术与传统搅拌技术相比较，技术指标上虽然提升明显，但没有大幅提升。
水泥稳定碎石技术不是半刚性基层不适用，而是我们还没有找到修好半刚性基层结构的关键技术。振动搅拌技术是修好半刚性基层的关键技术之一，将传统搅拌主机直接更换为振动搅拌主机即可；双拌缸主机，将其中一级搅拌更换为振动搅拌主机即可。在降低施工成本的前提下，半刚性基层质量革命性提升，同时大幅减少路面后期养护费用，并且可以科学延长大修周期。
6.结论
振动搅拌水泥稳定碎石混合料，由于细集料充分弥散，均匀粘附于骨料表面，骨料间位移摩阻力大幅减小，容易形成嵌挤架构，压实效率提升，减少了结构层上部骨料过度受压破碎，使结构层整体刚度强度性能得到保证。振动搅拌耐久性水泥稳定碎石基层技术，让中国的公路工程师们有了更多的质量自信和成就感。