碾壓混凝土基層在高速公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用

許新水

(廣東交科檢測有限公司，廣州 510550)

0 引言

沈陽至?？诟咚俟飞俏碴懾S至深圳龍崗段(簡稱深汕西高速公路)是聯(lián)系珠三角核心區(qū)與粵東的交通要道，也是通往福建等東部沿海地區(qū)的省際通道。深汕西高速公路于1996年建成通車，部分路段采用水泥混凝土路面，后于2008年進(jìn)行大修加鋪瀝青混凝土面層。隨著交通量不斷增大，雙向四車道公路已經(jīng)不能滿足車輛通行需求，因此于2019年進(jìn)行改擴(kuò)建施工。該路段原路面結(jié)構(gòu)層中充當(dāng)基層角色的水泥混凝土路面，在對(duì)應(yīng)的擴(kuò)建路側(cè)采用RCC基層進(jìn)行拼接處理。國內(nèi)RCC的應(yīng)用最早可追溯到上個(gè)世紀(jì)80年代，由交通部公路科學(xué)研究院與安徽省公路設(shè)計(jì)院合作進(jìn)行研究、鋪筑10余km試驗(yàn)段。在廣東省僅廣梧高速公路、云羅高速公路、廣樂高速公路、梅大高速公路等新建高速公路工程進(jìn)行應(yīng)用，約300km。關(guān)于RCC的路用性能，相關(guān)文獻(xiàn)[1-3]也指出其具有強(qiáng)度高、承載能力大等特點(diǎn)，并且可有效提高基層的強(qiáng)度和抗沖刷能力，在公路改擴(kuò)建工程中采用RCC基層，可以保證與原混凝土路面的剛度相匹配，有利于向?yàn)r青面層提供更為均勻的承載能力。

本文對(duì)深汕西高速公路改擴(kuò)建TJ5合同段RCC基層的原材料、配合比、施工質(zhì)量控制進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)其驗(yàn)收的關(guān)鍵指標(biāo)彎拉強(qiáng)度與芯樣劈裂強(qiáng)度進(jìn)行了回歸分析，供類似工程參考。

1 原材料試驗(yàn)與配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

(1)水泥為惠州塔牌P.0.42.5(緩凝型)普通硅酸鹽水泥，檢測結(jié)果見表1。

表1 水泥物理性能

(2)粗集料來源于項(xiàng)目的1#碎石加工廠，機(jī)制砂來源于機(jī)制砂生產(chǎn)線，其檢測結(jié)果見表2和表3。

表2 粗集料主要技術(shù)指標(biāo)

表3 機(jī)制砂主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1]，高速公路碾壓混凝土的配合比使用正交試驗(yàn)綜合設(shè)計(jì)方法，以滿足其彎拉強(qiáng)度、保證工作性和耐久性的要求后，盡可能地經(jīng)濟(jì)，因此，本文采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

1.2.1 設(shè)計(jì)要求

以28d抗彎拉強(qiáng)度指標(biāo)作為RCC試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)要求28d抗彎拉強(qiáng)度不小于3.5MPa。施工過程中，7d抗壓強(qiáng)度按12MPa控制；工作性以改進(jìn)的VC值評(píng)定，其值控制在30±5s。

1.2.2 配合比試驗(yàn)及選定

RCC配合比計(jì)算采用絕對(duì)體積法。通過正交試驗(yàn)分析，綜合設(shè)計(jì)得出最優(yōu)的級(jí)配、水泥和用水量，根據(jù)公式計(jì)算其強(qiáng)度為4.3MPa。

1.2.2.1 正交試驗(yàn)

根據(jù)集料篩分結(jié)果，設(shè)計(jì)了三個(gè)級(jí)配,見表4。

表4 粗細(xì)集料合成級(jí)配

表5 水平因素

1.2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析及配合比的選定

根據(jù)選定的級(jí)配、單位水泥用量及用水量，分別制備碾壓混凝土并測定其改進(jìn)VC值，按照壓實(shí)度98%進(jìn)行成型試件，脫模后按照規(guī)范要求進(jìn)行養(yǎng)生至相應(yīng)齡期，進(jìn)行抗彎拉強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 正交試驗(yàn)分析

從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，在滿足改進(jìn)VC要求的同時(shí)，6號(hào)配合比的強(qiáng)度指標(biāo)最好，即：2#級(jí)配，240 kg/m3的水泥用量，110kg/m3的用水量；但4號(hào)配合比的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于6號(hào)配合比，即：2#級(jí)配，220kg/m3的水泥用量,115kg/m3的用水量，其和易性、強(qiáng)度指標(biāo)均滿足要求。

從表6可以看出,影響VC值的因素順序?yàn)椋杭?jí)配>水泥用量>用水量，這也間接地說明級(jí)配及水泥用量是影響和易性的主要因素。影響7d抗壓強(qiáng)度的因素排序?yàn)椋杭?jí)配>水泥用量>用水量；影響28d彎拉強(qiáng)度的因素排序?yàn)椋杭?jí)配>用水量>水泥用量。說明不同因素對(duì)不同齡期的強(qiáng)度影響也不相同。

2 施工控制

碾壓混凝土基層的施工工序：拌合→運(yùn)輸→攤鋪機(jī)攤鋪(攤鋪前植入拉桿)→碾壓→養(yǎng)生→切縫、清縫→灌縫。本文根據(jù)實(shí)體工程應(yīng)用情況，總結(jié)施工質(zhì)量的控制要點(diǎn)。

2.1 拌和

根據(jù)配合比設(shè)計(jì)得出影響混合料質(zhì)量的重要控制指標(biāo)為級(jí)配、水泥及用水量，其中用水量直接決定了其改進(jìn)VC值的大小。針對(duì)用水量控制需要從拌料前開始，拌合前檢測各料倉集料的含水率，根據(jù)檢測結(jié)果填寫配合比通知單并下達(dá)拌和站，出料后立即檢測其實(shí)際的含水率、水泥用量及混合料級(jí)配。為精準(zhǔn)控制生產(chǎn)過程中的含水率，對(duì)拌合站進(jìn)行相關(guān)改造，在拌缸出口輸送帶位置安裝含水率探頭，結(jié)合主控系統(tǒng)，對(duì)混合料實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整用水量(圖1)。在混合料運(yùn)輸過程中覆蓋篷布，防止水分蒸發(fā)。

圖1 變頻補(bǔ)水裝置

2.2 攤鋪

RCC基層厚度設(shè)計(jì)為26cm，經(jīng)過試驗(yàn)段得出其松鋪系數(shù)為1.3；攤鋪前在新舊路面交界處植入拉桿，用于改善新舊板錯(cuò)動(dòng)和防止縱縫擴(kuò)大。后采用全自動(dòng)水泥漿灑布車對(duì)下承層灑布水泥漿，其水與水泥的比例為2:1、灑布量為1.5kg/，用來改善層間粘結(jié)強(qiáng)度，如圖2所示。

圖2 攤鋪前對(duì)工作面的處理

攤鋪時(shí)為避免產(chǎn)生縱向冷縫，采用兩臺(tái)攤鋪機(jī)成梯隊(duì)進(jìn)行連續(xù)攤鋪，其單臺(tái)功率為180kW，滿足施工需求。但由于松鋪厚度大，攤鋪時(shí)粗集料易向前滑落，造成粗、細(xì)集料分布不均勻，形成了豎向離析帶。為解決此問題，對(duì)攤鋪設(shè)備進(jìn)行局部改進(jìn)，布料器前方加設(shè)擋料板、分動(dòng)箱安裝分料板(圖3)。攤鋪時(shí)控制前擋料板與下承層的間距盡可能地低于1cm，并保持混合料高于螺旋布料器2/3以上。通過改造攤鋪機(jī)，有效解決了縱向離析帶的問題，如圖4所示。

圖3 攤鋪機(jī)改造

圖4 RCC攤鋪

2.3 碾壓

碾壓是施工過程中質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)之一。在拌合、攤鋪過程中保證混合料均勻后，密實(shí)度大小是影響其強(qiáng)度的主要因素。RCC結(jié)構(gòu)層厚度比一般的基層厚，適當(dāng)提高初始?jí)簩?shí)度(攤鋪后的壓實(shí)度)可有效降低碾壓時(shí)對(duì)混合料推移形成的波浪；在正式碾壓時(shí)應(yīng)遵循先輕后重、先低后高的碾壓順序，以此減少碾壓對(duì)混合料的推移。根據(jù)試驗(yàn)段總結(jié)比較適宜的碾壓組合為：13t雙鋼輪初壓1～2遍+26t單鋼輪復(fù)壓3遍以上(以滿足壓實(shí)度為終止條件)+13t雙鋼輪終壓1～2遍收面。新舊路面拼接處因空間狹小，需同步采用小噸位的壓路機(jī)進(jìn)行補(bǔ)壓，以保證其密實(shí)度，同時(shí)杜絕快速啟動(dòng)、緊急剎車，且嚴(yán)禁設(shè)備在施工面掉頭。

2.4 養(yǎng)生

碾壓混凝土基層經(jīng)檢測合格后應(yīng)立即覆膜養(yǎng)生，養(yǎng)生薄膜相互搭接長度建議大于20cm,并用砂袋進(jìn)行輔助壓邊(圖5)。養(yǎng)生期間需保持工作面的潮濕，在7d的養(yǎng)生期間，除補(bǔ)水車外，禁止其它車輛通行。

圖5 覆膜養(yǎng)生

2.5 切縫、清縫與灌縫

施工完成后，結(jié)合日平均氣溫及晝夜溫差確定合適的切縫時(shí)間，一般養(yǎng)生后24～48h左右進(jìn)行，以免因強(qiáng)度上升后產(chǎn)生收縮裂縫。正式切縫時(shí)，應(yīng)充分考慮10m的間距以及與舊路面板縫對(duì)齊，同時(shí)縫深應(yīng)大于鋪筑層后的1/4，且大于70mm，縫寬宜為5～8mm。切縫時(shí)產(chǎn)生的灰漿，需立即清理。養(yǎng)生結(jié)束、再次進(jìn)行清縫后，采用70#道路石油瀝青灌縫處理。

圖6 切縫深度與芯樣

3 劈裂與彎拉強(qiáng)度

《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F30-2014)僅提供了二級(jí)及二級(jí)以下公路的芯樣劈裂與標(biāo)準(zhǔn)小梁彎拉強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)公式，對(duì)高速公路、一級(jí)公路并未提供，但規(guī)范中也提到高速公路、一級(jí)公路應(yīng)采用各自工程的統(tǒng)計(jì)公式[4-5]。因此，對(duì)工程實(shí)際使用的配合比芯樣劈裂、標(biāo)準(zhǔn)小梁強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在施工時(shí)采集3d、7d、14d、28d的芯樣劈裂強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的小梁彎拉強(qiáng)度結(jié)果后進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，剔除特異值，最終統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)結(jié)果[6-10]，見表7。

表7 芯樣劈裂與標(biāo)準(zhǔn)小梁彎拉強(qiáng)度

3.2 擬合曲線

采用表7中的強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)不同齡期的劈裂強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)小梁強(qiáng)度、芯樣劈裂強(qiáng)度與齡期分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)公式及相關(guān)系數(shù)R2，如圖7～圖8所示。

圖7 劈裂強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)小梁強(qiáng)度關(guān)系

圖8 芯樣劈裂強(qiáng)度與齡期關(guān)系

圖9 強(qiáng)度差值與齡期的關(guān)系

4 結(jié)語

結(jié)合深汕西高速公路改擴(kuò)建工程碾壓混凝土基層的應(yīng)用實(shí)踐，本文從RCC基層的原材料、配合比及質(zhì)量控制等方面進(jìn)行分析與總結(jié)，并根據(jù)實(shí)體工程中芯樣劈裂強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過回歸分析得到了彎拉強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的換算公式。

(1)通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果分析，RCC的級(jí)配對(duì)改進(jìn)VC值、強(qiáng)度指標(biāo)影響最大，水泥用量對(duì)改進(jìn)VC值、7d抗壓強(qiáng)度指標(biāo)影響較大，綜合RCC的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，最終確定了最優(yōu)的配合比。

(2)通過工程應(yīng)用，總結(jié)了高速公路改擴(kuò)建工程中RCC基層各工序的施工要點(diǎn)及質(zhì)量控制方法。

(3)在改擴(kuò)建工程應(yīng)用碾壓混凝土基層可有效縮短建設(shè)工期，特別對(duì)于原結(jié)構(gòu)層采用白+黑或RCC基層的高速公路改擴(kuò)建工程，采用RCC基層進(jìn)行拼接施工較為合適，因此RCC基層在高速公路改擴(kuò)建工程中具有較好的應(yīng)用前景。