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1、基于振动拌和的骨架密实型水稳基层施工工法1、前言目前，公路工程建设里程越来越长，国内的高等级公路及重载交通路面的（底）基层多采用半刚性基层,水稳碎石（底）基层铺筑完成后具有较好的板体性、耐久性和水稳性以及较好的强度和刚度，因此它是很好的路面承重材料，因其强度高、整体性好等优势得到了广泛应用。但是在实际施工中，水稳碎石基层存在一定弊端，基层容易出现局部的破损或裂缝问题，且位置没有规律，发生概率也不同，其主要原因是基层在施工过程中混合料离析。当基层混合料出现局部离析时，该处基层成型后的板体性和承载力变差，且强度差异性变大,在载荷作用下板体发生应变突变性较大,极易发生疲劳损害，导致基层破碎，因此水泥
2、稳定碎石的均匀性是基层施工的主要控制指标。而造成水泥稳定碎石离析因素包括拌和、装料、摊铺等，其中混合料的拌合是最主要因素之一，搅拌环节极易出现拌和不均匀现象，从而导致混合料离析，最终影响工程整体质量。路面反射裂缝是半刚性基层公路建设与养护难题，稳定基层设计和施工中容易出现配合比设计和混合料搅拌不均匀因素的影响，在施工中容易出现离析现象，直接影响半刚性基层的强度和稳定性，后期在行车过程中受温度和湿度等原因诱发的基层干缩和温缩开裂，发展为反射裂缝，雨水的渗入加剧了病害的发展,影响道路的正常行车，缩短道路的使用寿命并危害交通安全。因此研究应用振动搅拌技术，提升道路水泥稳定性基层质量，改善由拌和质量不
3、均带来的各类水稳基层病害，是一种有效的方法。为解决基层离析问题，第三工程有限公司在基于双拌缸单振动拌合工艺下，综合控制装料、运输、摊铺等过程，以提高混合料的均匀性，降低（底）基层出现离析的概率，振动搅拌技术在水泥稳定级配碎石基层中的应用，并形成施工工法基于振动拌和的骨架密实型水稳基层施工工法，可有效解决上述问题，从而避免或消除水泥结块现象，提升水泥水化速率，保证拌和均匀性，且不会有混合料粘黏于设备之上，进一步提升施工效率，延长公路工程使用寿命，为同类工程提供借鉴和参考。2、工法特点2.1 和易性好、易压实：振动拌合使水泥充分水化，水泥水化物和细集料将粗骨料包裹均匀，大粒径的粗骨料表面相当于均匀
4、涂抹了一层“润滑剂”，骨料在移动时，其间的摩阻力降低，压实功更容易向下传递，振动拌合水稳基层大骨料分布上下均匀，取芯效果底部完整密实，基层整体耐久性显著提升。2.2 成型强度高、裂缝少：水稳振动拌和技术，可将混合料中的水泥团、灰团振碎，使其均匀分布在混合料中，有效防止混合料离析发生，其次混合料在振动拌合作用下充分搅拌均匀，相同配合比情况下强度可提高20%左右，科学减少水泥用量，减少半刚性基层裂缝发生。2.3 安全便捷：与普通拌和相比，振动拌和每天出料结束后只需用少量水简单冲洗即可，免除混合料粘附叶片清理费用，工作人员无需频繁进入搅拌主机内清理抱轴，从而降低重大安全事故风险。2.4 综合效能：水
5、稳振动拌和施工以专业化、标准化、精细化施工管理念，加强工程质量和施工安全监管制度，提高了工程质量和安全保障，有效的避免了因质量返工和安全事故造成的经济损失。3、适用范围本工法适用于采用水泥作为稳定剂的各种等级公路的道路基层和底基层施工、大型广场路面基层、机场路面基层、城市道路路面基层、改建道路路面基层等。4、工艺原理振动搅拌是传统搅拌的升级版，通过增加振动功能，可使集料、水泥、水等材料始终处于振动状态，从而避免或消除水泥结块现象，提升水泥水化速率，保证集料和水泥能够均匀分布，且不会在机械设备上粘黏混合料，施工效果更佳。其原理就是将振动作用添加到原有搅拌设备之上，传统搅拌设备多采用叶片式强制搅拌
6、，而振动搅拌技术则是叶片搅拌+振动轴的组合。在振动作用条件下，能够保证所有材料搅拌更均匀，防止结块、离析问题产生。此外，也能增加粒子动能，加快粒子运动速率，增强撞击强度与增加次数，保证骨料表面被水泥全面覆盖，从而构成一个完整的、强大的粘结层。5、施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺施工工艺流程见图5.Io图5.1施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1施工准备在施工基层前，现场准备中路肩土采用同步碾压，路肩土在该层水稳层铺筑前完成培筑。路肩土铺筑采用滑模型路肩成型机一次成型。基层（底基层）施工时连同路肩一同碾压，碾压不到位处用手扶振动夯夯实。路肩土培好后，根据其含水量情况进行适当补充洒水，并用塑
7、料薄膜包裹保湿，有效防止路面结构层工作面被污染、水稳混合料的水分被路肩土吸走。5.2.2拌和机拌缸要求现有工程中大多数拌和设备的拌缸长度小于5m,混合料在拌缸中的拌和时间不超过IOs,有的仅有5-6s,难以保证混合料拌和的均匀性，所以为保证混合料的均匀性，要求振动拌缸和普通拌缸的长度不小于5m,本工法均采用长度为7.6m的拌缸（双拌缸长度合计），满足长度要求的同时还应保证混合料在拌缸中的拌和时间大于IOso振动技术搅拌控制设备的振动技术主要原理是在普通的振动搅拌机上直接添加一个振动激振器，通过这个传动搅拌设备将振动力通过传递传送给搅拌设备的一个振动控制轴，使搅拌设备人员能够在对搅拌混合料主体实
8、施强制性振动搅拌的各种情况下同时加以控制振动。增加了所用混合料微观颗粒的整体运动增加速度，由于所用混合剂物料微观颗粒整体运动增加速度的不断增加，物料与其他细集剂物料微观颗粒间的相互碰撞频率和摩擦强度也会随之发生变化,水泥浆及细细粗集料在这些接触面受到这些碰撞力的相互影响后就均匀地直接附着在粗细细骨料的颗粒表面，不仅可以有助于大大减少所用水泥浆及其他细集剂物料所用水化剂在反应中的进程，也同时有助于大大改善所用混合料的整体微观颗粒结构，进而大大增加所用混合料的宏观强度和物料耐久性，防止混合料离析起到很好的作用。5.2.3拌和在拌和机卸料仓仓壁内正对传送带面加装防离析挡板，作用是将从传送带下落的水稳
9、混合料进行阻挡，防止由于惯性抛洒使混料粗细集料分离。在拌和机卸料仓仓壁内加“井字形”防离析装置，作用是将从传送带下落的水稳混合料进行分隔下落，防止粗细集料分离，出现在卸料仓内，中间细集料多，四周粗骨料滑落造成离析。为减小降低抛掷作用所带来的离析问题，需要降低拌和速度与产量，产量宜控制在最大拌和能力的80%左右，增强拌和混合料的均匀性。防离析挡板防离析井字架防离析挡板设置示意图卸料仓防离析挡机井字形防离析装置示意图5.2.4运输(1)拌和机出料配备带活门漏斗的料仓，由漏斗出料直接装车，装料时运输车五次装料法装料，减少混合料离析。(2)在拉运工程中自卸车都要覆盖篷布才可拉运，一是为了防止在拉运过程
10、中沿路的抛洒或灰尘对路面和环境的污染，二是在拉运混合料时防止混合料的水分或温度流失过快影响施工质量。目前自卸车覆盖篷布的方法多以人工覆盖为主，自卸车装满后司机爬上自卸车覆盖篷布，覆盖时间为5到10分钟，增加了拉运时间，在覆盖过程中司机还有摔伤的可能，为解决上述技术问题，采用自卸车自动蹩布覆盖装置，包括电机、篷布、篷布卷筒、篷布杆及弹簧，电机安装于自卸车车厢前端，通过控制器控制，电机与篷布卷筒连接，篷布杆设于车厢两侧,车厢两侧中下部设有支点，篷布杆的下端连接于车厢中下端支点上，可绕支点旋转，所述弹簧一端与篷布杆中部连接，一端与车厢肋板连接固定，篷布的一端连接于篷布卷筒，另一端连接于篷布杆的上端。
11、(3)如果运输距离较远时，沿途应根据情况设置自动补水点，防止水分流失。(4)摊铺过程中防止水分流失采取不揭开篷布卸料。(5)在混合料卸料车尾部加装“燕尾”防离析挡板，有效地避免大料滚落到摊铺机料斗的两侧，防止混合料粗集料滚落集中导致卸料离析。5.2.5立模两侧采用钢模进行加固，保证基础摊铺后宽度不小于设计值，避免“塌肩”现象。每块钢模板采用不少于两根角钢上下错开连接支撑，角钢另一端采用钢钎固定，模板之间紧密连接，立模时保证中线和边线所立钢模平、直、顺。5.2.6摊铺(1)采用单机全幅一次性摊铺工艺，避免了并机梯形作业时，泄料口物料滚落形成的竖向离析、并机接缝离析和温度离析；同时降低摊铺档最高行
12、走速度,使机器在大宽度、大厚度摊铺时变量液压泵排量增大，容积效率提高，减少摊铺机因负荷变化引起的速度误差，保证行走的平稳性，提高摊铺平整度。(2)配摊铺机1台，振动压路机3台，胶轮压路机1台，双钢轮压路机1台，摊铺速度每分钟根据拌和产量在L5m2m之间调整，标高控制方式采用弦线基准，两侧架设钢丝控制标高。(3)摊铺机依据放样钢丝的基准高程及横坡进行摊铺，摊铺时，设专人负责看护放样钢丝及高度传感器，避免扰动钢丝或钢丝与传感器分离。(4)根据拌和运输能力，合理控制摊铺机行走速度，匀速摊铺，避免中间停机待料。当各种机械准备就绪且现场已有4车以上存料时即开始摊铺作业。运料车先卸1/3左右，然后卡车随着
13、摊铺喂料而逐渐起斗，卸下余料。水泥稳定料摊铺时，摊铺机螺旋器两侧用人工辅助传料，使混合料一次到位摊铺成型。(5)施工人员检查铺筑高程、宽度、横坡、接缝、厚度、铺面的均匀性、平整度等。5.2.7碾压混合料摊铺成型一段距离后立即在全宽范围内碾压施工，碾压长度确定为2030m碾压段落较为适宜。碾压段落层次分明，设置明显的分界标志，碾压遵循试验路段确定的程序与工艺，遵循由低到高、先轻后重、先慢后快、先静压后振压的碾压原则。直线段由两侧向中心碾压；超高段由内侧向外侧碾压。每道碾压与上道碾压相重叠1/3轮宽。5.2.8接缝在摊铺过程中尽可能保证基层水稳碎石混合料施工连续，若不得不中断,且间断时间大于2h,
14、需做好接缝处理，也就是横向接缝设置。一般可通过人工方式，将两根高度与压实厚度一致的方木设于混合料一侧，随后采取砾石对方木另一侧进行回填，长度3m左右，相比方木，其高度应多一些。在混合料重新摊铺前，即可去除砂砾、碎石、方木等，并清理干净作业面，随后即可进行混合料摊铺施工。若未及时按照上述要求进行处理，需清理干净摊铺机下方的水稳碎石混合料，并要将完成压实工作的混合料末端挖成和路中心线垂直并垂直向下的断面，随后再进行混合料摊铺、压实。5.2.9养生采用标识牌对各养生区段进行划分。使用带有侧喷设备的洒水车，从侧向洒水养生，传统洒水车从侧面洒水时，水头过高，水量过于集中，对基层表面造成的冲击力过大，容易
15、造成基层表面细集料的冲刷。采用改进后的洒水装置(远近双喷头雾化洒水装置)进行侧喷养生，养生期不小于7天。养生的原则是少洒、勤洒、保持表面润湿。养生期间，封闭交通，除洒水车外不得通车，并设标识牌,养生期满7天验收合格后尽快进行基层施工。6、材料与设备6.1材料表6.1主要材料一览表序号材料名称规格主要技术指标备注1水泥P.C32.5水泥的初凝时间不小于4h,终凝时间不小于6h,10小时以内。不得使用快硬水泥、早强水泥及已受潮变质的水泥。2粗集料1926.5mm9.19mm4.759.5mm集料压碎值才26、针片状颗粒含量才203细集料02.36un2.364.75mm塑性指数IP35t良好低15
16、台8装载机50良好低8台7、质量控制(1)原材料控制措施：水泥：水泥要求使用低强度等级普通硅酸盐水泥，散装水泥进场后存放时间不少于7d且每罐车水泥经全部指标检验合格后方可使用。集料总体要求：同一标段的基层、底基层碎石应选用同一料场料源，片石饱和抗压强度大于40Mpa,杂石及软石含量不超过3%。细集料：细集料应洁净、干燥、无杂质、无风化，并有适当的颗粒集配。03mn集料必须严格控制大于2.36mm颗粒含量，35mm集料必须控制小于2.36颗粒含量。细集料的洁净度重点按照0.075颗粒含量进行控制。水：基层和底基层拌和与养生水满足生活饮用水卫生标准(GB5749)的饮水标准，如采用其他水源，应委托
17、有关部门化验鉴定，满足非饮用水技术要求。(2)严格控制混合料的含水率，碾压含水量不宜超过最佳含水量的1%,因含水量越大，则水泥稳定碎石蒸发散失的水分越多，形成的裂缝就越大。(3)水泥稳定碎石基层混料从拌和到碾压完成时间不得超过水泥初凝时间3个小时。(4)摊铺过程中如果表面局部出现离析现象，人工采用铁锹挖除离析料，换填合格的水泥稳定碎石混合料。(5)碾压必须要按照试验段总结的工艺工序进行，压实度满足设计及规范要求。(6)基层施工完毕后，养生时间不少于7天，在7天内应保持基层处于湿润状态，每日洒水车洒水养护，洒水车的喷头要用喷雾式，每天洒水次数应视气候而定，整个养生期间应始终保持水泥稳定碎石层表面
18、湿润。杜绝或干或湿，从而避免干缩裂缝的产生。8、安全措施8.1 水稳振动拌和施工前，先进行班前安全教育和安全检查，进入施工现场人员均须戴安全帽，穿反光背心。8.2 水稳振动拌合站场区设置专人指挥施工车辆，并在路口设置警示标志，引导交通，禁止社会车辆闯入施工区间。8.3 水稳振动拌和时，施工人员、车辆指挥人员禁止在拌合楼、拌和锅下部来回穿越，防止意外发生。8.4 振动拌和设备检修时，配专人管控控制室，其次再进行检修作业，操作人员一定要按照操作规程安全工作，操作人员需持证上岗，严禁酒后操作机械，杜绝事故隐患。8.5 振动拌和施工时，现场专职安全员每日巡检，发现问题及时解决。8.6 在振动拌和站内，
19、施工作业面现场周围，设置标志牌、改道牌、限速牌、指路标志等，夜间施工设红灯警示。8.7 振动拌和设备施工时，传送带周围容易掉落碎石，严禁人员在此逗留。9、环保措施9.1 振动拌和每日施工完后，清理搅拌锅的污水经过五级沉淀后在集中排放。9.2 振动拌和施工时，严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护法律、法规和规章。9.3 对于拌和过程中，产生废弃混合料应集中处理，尽量循环利用(可用于铺筑临时便道)。9.4 振动拌和设备维修时，产生的废油、废液集中储积，集中处理，严禁乱流乱淌，防止污染水源，破坏环境。9.5 水稳混合料运输时，防止车辆将泥土等带到公路上，污染水稳路面。如果施工车辆将泥土带到路面，
20、及时清理。对各类车辆、设备使用的燃油、机油、润滑油等应加强管理，所有废弃脂类均要集中处理，不得随意倾倒，更不得任意弃入水体内。9.6 自卸汽车在运输粗、细集料时，要用彩条布或篷布覆盖。10、效益分析10.1经济效益依据JTG/E51公路工程无机结合料稳定材料试验规程进行原材料和混合料试验，确定生产配合比供料比例为193L5mm碎石：9.519mm碎石：4.759.5mm碎石：04.75mm石屑=28%：36%：11%：25%；下基层目标配合比水泥剂量为4.3%,最大干密度为2.198g/cm3,最佳含水率为6.4%；中基层目标配合比水泥剂量为4.8%,最大干密度为2.199g/cm3,最佳含水
21、率为6.6%o进行振动拌和水泥稳定碎石与普通搅拌双拌缸下基层试验段的铺筑。水泥剂量为4.0%,各集料实际比例为19-31.5mm碎石：9.519mm碎石：4.75-9.5mm碎石：04.75mm石屑=200：440：130：230。根据细则要求对2种）行无侧线抗压强度试验对匕表10.1-1双拌缸普通昆合料进行室内试件成型，并对2组试验成型试件进S,结果如表10.1-1和表10.1-2所示。.拌和水泥稳定碎石下基层7d无侧限抗压强度双拌缸普通拌和水泥剂量4%1234567894.84.24.94.84.24.34.74.14.6平均值/MPa4.5标准差/MPa0.31变异系数Cv/（%）6.9
22、设计值/MPa3.0代表值/MPaRc(1-1.645CV)=4.6表10.1-2振动拌和水泥稳定碎石下基层7d无侧限抗压强度结果振动拌和水泥剂量4%1234567894.85.34.75.24.85.54.85.05.1平均值/MPa5.0标准差/MPa0.27变异系数Cv/（%）5.4设计值/MPa3.0代表值/MPaRc(l-1.645Cv)=4.6从表中可以看出，在4%水泥剂量下，双拌缸普通拌和时水泥稳定碎石强度代表值为4.OMPa,变异系数为6.9%,满足规范中高速公路、一级公路对基层强度的要求，而对4%水泥剂量的水泥稳定碎石采用振动搅拌时，水泥稳定碎石强度代表值为3.OMPa,变异
23、系数为5.4%。2组试验数据相比，振动搅拌比双拌缸普通搅拌强度提高15%,变异系数降低22%,具有良好的经济价值。加西项目水泥稳定碎石混合料161.7万吨，设计水泥剂量为5.0%,在采用振动拌和技术后实际水泥剂量调整为4.4%,可节约12%的水泥，水泥价格为399（含税）元/吨，因此可以节约成本计算如下：表10.1-3普通拌和施工工艺序号普通拌和工艺总费用项目投入量项目需用量项目费用1水稳混合料1617000吨水泥用量1617000x5%/(1+5%)=77000(t)水泥单价399元/吨总费用（万元）77000*399=3072.3万元表10.1-4振动拌和施工工艺.序号振动拌和工艺总费用项
24、目投入量项目需用量项目费用1水稳混合料1617000吨水泥用量1617000x4.4%/(1+4.4%)=68149.43(t)水泥单价399元/吨总费用（万元）68149.43*399=2719.16万元加西项目水泥稳定碎石混合料施工基层可节约水泥费用：3072.3万元-2719.16万元=353.14万元。西互项目水泥稳定碎石基层混合料81万吨，设计水泥剂量为5.0%,在采用振动拌和技术后实际水泥剂量调整为4.4乐可节约水泥12乐水泥价格为400（含税）元/吨，因此可以节约成本计算如下：表10.1-3普通拌和施工工艺序号普通拌和工艺总费用项目投入量项目需用量项目费用1水稳混合料810000
25、吨水泥用量810000x5%/(1+5%)=38571.43(t)水泥单价400元/吨总费用（万元）38571.43*400=1542.86万元表10.1-4振动拌和施工工艺序号振动拌和工艺总费用项目投入量项目需用量项目费用1水稳混合料810000吨水泥用量810000x4.4%/(1+4.4%)=34137.93(t)水泥单价400元/吨总费用（万元）34137.93*400=1365.52万元西互项目水泥稳定碎石混合料施工基层可节约水泥费用：1542.86万元-1365.52万元=177.34万元。茂湛项目水泥稳定碎石基层混合料43.8万吨，设计水泥剂量为5.0%,在采用振动拌和技术后实际
26、水泥剂量调整为4.4%,可节约水泥12%,水泥价格为530（含税）元/吨，因此可以节约成本计算如下：表10.1-7普通拌和施工工艺序号普通拌和工艺总费用项目投入量项目需用量项目费用1水稳混合料438000吨水泥用量438000x5%/(1+5%)=20857.14(t)水泥单价530元/吨总费用（万元）20857.14*530=1105.43万元表10.1-8振动拌和施工工艺序号振动拌和工艺总费用项目投入量项目需用量项目费用1水稳混合料438000吨水泥用量438000x4.4%/(1+4.4%)=18459.77(t)水泥单价530元/吨总费用（万元）18459.77*530=978.37万
27、元茂湛项目水泥稳定碎石混合料施工基层可节约水泥费用：1105.43万元-978.37万元=127.06万元。以上三个项目共节约成本353.14万元+177.34万元+127.06万元=657.54万元。10.2社会效益施工企业要求提高效益、节省成本，同时达到节能减排的要求，在这种背景下，工程施工围绕改进工艺和减低成本同时展开，在压缩成本、提高效率方面各搅拌站在规划、设计和建设期间，积极开展技术研发，进行环保达标、提质增效、技能减排、设备升级改造。根据工程施工季节性强的规律，每年4-10月是工程施工的黄金季节，冬季则是施工的淡季，施工旺季稳定土搅拌站产能往往满负荷运转也难以保障工程进度要求，采用
28、增加新设备提高产能不经济，也可能造成设备闲置时间长，所以企业往往采用最经济实用的方法，在现有设备基础上进行升级改造，提高产品质量和生产效率。在这样提质增效的背景下，采用振动拌和技术、缩短混合料拌和时间或提高拌和能力保证工程质量是一种相对有效的途径。采用振动搅拌技术，优化施工工艺。以双卧轴连续搅拌稳定碎石施工为例，设备正常工作时，拌筒中转动的搅拌臂及叶片存在速度梯度，设备圆形中心部分靠近圆筒轴的速度低，外侧靠近拌筒壁处比中心处的速度高，速度梯度的差异造成了拌筒内不同圆环带的均匀性存在规律性的差异。搅拌的低效率区域位于拌简中心部位，搅拌速度较低，采用振动搅拌技术作业，由于搅拌臂、搅拌叶片与搅拌轴等附加振动能量，振动力作用在周围的混合料上，消除了搅拌低效区，搅拌轴上黏附的细粉料结团明显减少，同时振动使搅拌结构与水泥稳定碎石之间的摩擦力减小，搅拌机构的磨损减小，延长了搅拌结构等易损件的使用寿命。采用振动搅拌技术，将强制搅拌与振动相结合，促进了混合料微观上扩散的速度，从而提高混合料的匀质性。振动搅拌通过搅拌轴的边振动边搅拌技术可以使粉料、细集料充分弥散，同时使水泥颗粒和水分子在粗骨料表面及间隙中均匀分布，大幅提升了水泥稳定碎石混合料的宏观及微观均质性，有利于工程按细则设计下限使用水泥，符合国家低碳可持续的交通发展要求，具有良好的推广价值和应用前景。
