高性能混凝土在低等級公路建設(shè)中的應(yīng)用研究

摘 要：公路是重要的基礎(chǔ)交通設(shè)施，在各地生產(chǎn)、生活中發(fā)揮重要作用，這要求重視公路管理，包括建設(shè)管理在內(nèi)。本文以高性能混凝土的特點(diǎn)為切入點(diǎn)，分析其優(yōu)勢，以及其在低等級公路建設(shè)中的應(yīng)用方式，包括技術(shù)指標(biāo)分析、材料管理、施工規(guī)范性管理、養(yǎng)護(hù)工作等內(nèi)容。最后結(jié)合甘肅省某低等級公路項(xiàng)目，對上述理論做進(jìn)一步說明，服務(wù)高性能混凝土未來應(yīng)用，促進(jìn)交通事業(yè)持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土 低等級公路 技術(shù)指標(biāo) 材料質(zhì)量

低等級公路（Township Road）一般是指四級公路，主要作用在于連接各行政區(qū)域，是最基本、最常見的公路類型。我國幅員遼闊，但人口分布、各行政區(qū)交通運(yùn)輸負(fù)荷水平各有差別，基于提升交通服務(wù)水平、同時(shí)削減非必要支出的目的，各地普遍重視公路分級化建設(shè)，并將低等級公路作為重點(diǎn)工作內(nèi)容，這也為高性能混凝土的應(yīng)用提供了思路和空間。高性能混凝土具有一般混凝土的功能，同時(shí)在抗屈服強(qiáng)度、耐腐性、使用壽命方面更具優(yōu)勢，這使其滿足復(fù)雜路況的建設(shè)和使用需要、得到廣泛關(guān)注[1]。分析高性能混凝土在低等級公路建設(shè)中的應(yīng)用方法，具有一定的積極價(jià)值。

1 高性能混凝土的特點(diǎn)

1.1 高耐久性?

高性能混凝土應(yīng)用于低等級公路以及其他建設(shè)項(xiàng)目中，可以發(fā)揮其高耐久性優(yōu)勢，使工程的使用壽命得到提升，使用價(jià)值也得到一定改善。與普通混凝土相比，高性能混凝土的密實(shí)度、抗?jié)B性比較突出，車輛行駛、陽光照射、水浸等因素帶來的破壞雖然無法根本消除，但影響顯著降低，化學(xué)腐蝕和物理磨損水平得到一定控制。如大部分低等級工作路面可能在長期使用后出現(xiàn)不同程度的形變、塌陷問題，高性能混凝土的強(qiáng)度可達(dá)到100MPa甚至180MPa以上，即便通行壓力較大，仍可保持路面穩(wěn)定，使用耐久性理想[2]。

1.2 應(yīng)用性能理想?

高性能混凝土的?應(yīng)用性能也較為理想，體現(xiàn)在易加工、便于澆筑等方面。大部分高性能混凝土需要應(yīng)用各類外加劑，以實(shí)現(xiàn)理化性能的改進(jìn)，用于低等級公路施工的高性能混凝土，可通過加入改性材料、外加劑等方式，實(shí)現(xiàn)流動性的改善，組織路面澆筑時(shí)便利性提升，可減少混凝土堵管、流動性不高、澆筑死角等的發(fā)生率。同時(shí)，也可以通過參數(shù)調(diào)整、預(yù)分析等方式提升高性能混凝土的可塑性。如彈性模量，普通混凝土的彈性模量大多在20～25GPa之間，高性能混凝土彈性模量可以達(dá)到40GPa、50GPa以上，整體性能得到改善[3]。

1.3 高體積穩(wěn)定性?

應(yīng)用于低等級公路、建筑工程中的高性能混凝土，也具有低收縮特點(diǎn)，可以控制低溫度變形等問題，便于確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和長期安全性。甘肅等北方省份冬季、深秋以及早春，室外溫度較低，常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)可能在低溫條件下出現(xiàn)損壞，影響使用性能和交通安全。應(yīng)用高性能混凝土，此問題得到一定程度的控制，如上文所述的彈性模量指標(biāo)，可以將混凝土結(jié)構(gòu)90天內(nèi)干縮值降低至0.05%甚至更低水平，維持其體積穩(wěn)定[4]。干燥徐變的控制方面，高性能混凝土也有一定優(yōu)勢，匹配甘肅室外較干燥的氣候特點(diǎn)，維持混凝土結(jié)構(gòu)性能和道路質(zhì)量。

1.4 高強(qiáng)度

高性能混凝土的基本特點(diǎn)在于強(qiáng)度較高。大部分用于道路建設(shè)的混凝土，其強(qiáng)度不超過50MPa，多在25～30MPa之間，加工得當(dāng)?shù)母咝阅芑炷?，其抗壓?qiáng)度可以達(dá)到60MPa、100MPa、150MPa以上，即便通行壓力大、載重車輛行駛頻繁，路面、路基各處也能應(yīng)對來自垂直方向的負(fù)載影響，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，進(jìn)而提升道路的使用壽命和綜合性能[5]。此外，高性能混凝土具有水化熱水平較低的特點(diǎn)，這一特點(diǎn)意味著其澆筑早期、干凝過程中，出現(xiàn)裂縫、中空等質(zhì)量問題的可能性較低。而常規(guī)混凝土可能在水化熱影響下出現(xiàn)內(nèi)部質(zhì)量隱患，降低強(qiáng)度水平，較低的水化熱對應(yīng)提升了高性能混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善了低等級公路質(zhì)量。

2 高性能混凝土在低等級公路建設(shè)中的應(yīng)用方式

2.1 確定技術(shù)指標(biāo)

低等級公路建設(shè)過程中應(yīng)用高性能混凝土，需要提前做好技術(shù)指標(biāo)分析，原則上要求結(jié)合公路建設(shè)共性要求、建設(shè)方質(zhì)量指標(biāo)等，確定公路建設(shè)方案，并在技術(shù)部分寫明高性能混凝土有關(guān)指標(biāo)。包括水灰比、鋼筋使用量等混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)指標(biāo)，也包括膠凝材料總量、水膠比、粉煤灰摻量、總堿含量等與高性能混凝土直接相關(guān)的特殊指標(biāo)。按照一般要求，低等級公路工程高性能混凝土膠凝材料總量控制標(biāo)準(zhǔn)如下。

粉煤灰可以改善高性能混凝土的耐久性，優(yōu)化抗裂性能，其摻量也應(yīng)加以控制，一般而言，高性能混凝土中粉煤灰摻入總量應(yīng)低于膠凝材料總量的20%，部分地區(qū)使用環(huán)境比較特殊、戶外氣候干燥，可以適當(dāng)增加粉煤灰的摻量提升低等級道路性能，如甘肅、新疆等?。▍^(qū)）（自治區(qū)），可以按表2內(nèi)容進(jìn)行粉煤灰摻量有關(guān)控制。

總堿含量的控制一般以國家、行業(yè)硬性規(guī)定為基礎(chǔ)，在低等級道路施工前，需要對高性能混凝土的總堿含量進(jìn)行具體分析，原則上混凝土中的氯離子含量應(yīng)作為重點(diǎn)，要求其不應(yīng)超過膠凝材料總質(zhì)量的0.10%，如果道路采用預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)，則總量不應(yīng)超過膠凝材料總質(zhì)量的0.06%。

2.2 做好制備管理

高性能混凝土的制備包括兩種模式，即現(xiàn)場制備、遠(yuǎn)程制備。部分道路建設(shè)區(qū)域空間開闊，可以組織現(xiàn)場制備，反之則組織遠(yuǎn)程制備并在制備完成后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。制備高性能混凝土過程中，重點(diǎn)關(guān)注材料質(zhì)量、運(yùn)輸管理（非現(xiàn)場制備模式下）等工作，材料質(zhì)量又包括水泥、礦物摻合料、外加劑、骨料等部分。

低等級公路的通行總體壓力較小，對水泥的要求相對不高，普通硅酸鹽水泥即可用于施工。質(zhì)量要求方面，要求鋁酸三鈣（C3A）的含量在8%以下，細(xì)度應(yīng)在10%以下，堿含量不高于0.8%，且存放時(shí)間不應(yīng)超過3天，采買完成后盡快應(yīng)用于高性能混凝土制備。礦物摻合料以粉煤灰為主，確定道路建設(shè)對該材料的一般需要后，應(yīng)保證粉煤灰的細(xì)度不超過20%、燒失量不超過5%、含水量應(yīng)低于0.01%。外加劑方面，不同工程需求各有差別，以聚羧酸系列產(chǎn)品為例，其減水率應(yīng)超過20%，硫酸鈉含量、堿含量均應(yīng)低于10%，含氣量應(yīng)高于3%。骨料質(zhì)量也應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)加以確定，一般低等級公路的細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)要求為2.3～3.0、粗骨料最大粒徑不超過25mm，壓碎指標(biāo)不大于8%。

各類材料均應(yīng)自正規(guī)渠道采買，并做好信息標(biāo)注，入場前組織檢測，以抽樣檢測的方式隨機(jī)選取若干份材料，核對信息、檢測理化指標(biāo)。確保材料合格后再允許入場施工。遠(yuǎn)程制備的混凝土，在運(yùn)輸過程中需要重視保溫、保濕，可利用苫布進(jìn)行覆蓋，借助車輛在混凝土制備完成30min內(nèi)將其運(yùn)輸至施工現(xiàn)場。其間為避免高性能混凝土出現(xiàn)流動性下降問題，可以適當(dāng)進(jìn)行灑水保濕。

2.3 保證施工規(guī)范

高性能混凝土制備、運(yùn)輸完成后，可組織現(xiàn)場施工。可根據(jù)低等級公路設(shè)計(jì)要求，首先組織立模，選取木質(zhì)、合金模板均可，要求確保立模牢固，能夠應(yīng)對施工影響無形變問題。立模完成后組織混凝土澆筑，考慮到公路工程規(guī)模大多較大，一般應(yīng)組織泵送，借助設(shè)備完成澆筑。澆筑參數(shù)方面，泵送模式下，每小時(shí)可完成60m3以上澆筑。在此過程中需要提供人工輔助，主要面向澆筑難以觸及的死角進(jìn)行處理，澆筑的同時(shí)進(jìn)行振搗，考慮到高性能混凝土的流動性較強(qiáng)，振搗時(shí)間10～15s即可。

部分低等級公路建設(shè)過程中使用了鋼筋，施工過程中還應(yīng)關(guān)注鋼筋質(zhì)量分析以及施工質(zhì)量控制。要求鋼筋滿足設(shè)計(jì)要求，抽樣檢測合格后再允許入場，校準(zhǔn)混凝土前，根據(jù)方案進(jìn)行鋼筋處理，使其規(guī)格滿足道路施工需要。澆筑過程中應(yīng)適當(dāng)降低作業(yè)速率，以避免高速率澆筑模式下混凝土材料沖擊力過強(qiáng)、鋼筋移位等問題。所有鋼筋應(yīng)處于路面、路基范圍內(nèi)，對于外露的鋼筋一律進(jìn)行剪除，并對外露區(qū)域進(jìn)行封堵，避免鋼筋銹蝕影響混凝土性能、加速老化。對于施工范圍較大的低等級公路，可以采用分段、分別施工的模式，也可以多個(gè)工段同步組織施工，但應(yīng)提前做好施工組織設(shè)計(jì)，避免物資、材料以及設(shè)備使用緊張的情況。

2.4 加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)

澆筑完成后，要求做好養(yǎng)護(hù)工作。高性能混凝土干凝前，應(yīng)組織灑水養(yǎng)護(hù)、支模養(yǎng)護(hù)，避免擠壓以及其他形式的外荷載破壞。

立模工作在澆筑過程中完成，一般保留模板至少21d，必要時(shí)可延長到28d，保證模板位置牢固、穩(wěn)定，并在拆模前做好警示標(biāo)記，避免人員、車輛等進(jìn)入施工區(qū)域造成破壞，達(dá)到預(yù)期干凝時(shí)間后再組織拆模。灑水養(yǎng)護(hù)自施工完成當(dāng)日即著手進(jìn)行，要求以2h為間隔，持續(xù)向各結(jié)構(gòu)進(jìn)行灑水，保證高性能混凝土各處得到充分浸潤。施工當(dāng)日到第三天，養(yǎng)護(hù)間隔不應(yīng)超過2h，澆筑完成后第三天到第七天，可延長養(yǎng)護(hù)間隔到3～4h左右。甘肅等氣候較干燥的地區(qū)，可考慮適當(dāng)增加用水量。第七天到第十四天，養(yǎng)護(hù)間隔可延長到6h以上，持續(xù)進(jìn)行14天養(yǎng)護(hù)。部分低等級道路周邊人員、車輛活動頻繁，還應(yīng)做好綜合管理，詳細(xì)對施工區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，避免堆放雜物影響路面、路基干凝。

3 案例分析

3.1 應(yīng)用背景

甘肅省某地組織低等級工作建設(shè)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為4級公路，寬度5.9m，設(shè)計(jì)速度35km/h，雙車道。因本地經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快，原有公路老化問題嚴(yán)重，需要重新進(jìn)行建設(shè)，基于提升交通服務(wù)能力的目的，該公路工程在等級不變的情況下，決定使用高性能混凝土改善使用性能。工程2023年7月啟動，工期260個(gè)日歷日，投資1.63億元。最終如期完成，現(xiàn)對其高性能混凝土的應(yīng)用情況進(jìn)行針對性分析，具體如下。

3.2 應(yīng)用過程

施工前，施工方技術(shù)人員與建設(shè)方進(jìn)行交流，對施工區(qū)域的一般環(huán)境、建設(shè)質(zhì)量要求等進(jìn)行分析，結(jié)合分析結(jié)果初步確定使用高性能混凝土的思路，之后進(jìn)入施工現(xiàn)場各區(qū)域進(jìn)行信息采集。從特點(diǎn)上看，本地氣候干燥、全年少降水，道路通行壓力持續(xù)增加。據(jù)此擬定了不同方案，并組織對比。

A方案。以高性能混凝土為主，設(shè)計(jì)道路使用壽命30年，采用C40混凝土，粉煤灰摻量15%，水膠比0.45，粉煤灰的含碳量1.5%；

B方案。以高性能混凝土為主，設(shè)計(jì)道路使用壽命30年，采用C50混凝土，粉煤灰摻量20%，水膠比0.40，粉煤灰的含碳量2.0%

C方案。以高性能混凝土為主，設(shè)計(jì)道路使用壽命25年，采用C40混凝土，粉煤灰摻量20%，水膠比0.40，粉煤灰的含碳量2.0%。

利用BIM技術(shù)進(jìn)行模擬，采用加速模擬模式，加速參數(shù)1∶100000（每進(jìn)行1min模擬，相當(dāng)于道路使用約694天）。調(diào)取本地道路記錄檔案，確定道路工作壓力參數(shù)，在不考慮其他干擾因素的情況下，獲取模擬結(jié)果。重點(diǎn)分析三類方案的初期投資、運(yùn)維成本、路面磨損率、建設(shè)難度。

結(jié)合模擬結(jié)果，決定采用B方案進(jìn)行施工，其特點(diǎn)在于運(yùn)維成本總體較低，磨損問題能夠得到控制，考慮到道路使用壽命較長，初期建設(shè)難度高、投資大的問題可以接受。施工過程中，采用分段作業(yè)的方式，分別設(shè)定22個(gè)標(biāo)段，不同標(biāo)段同步組織土方、石方開挖等一般工作，由于現(xiàn)場施工場地較開闊，確定了施工組織設(shè)計(jì)后，于施工現(xiàn)場進(jìn)行混凝土制備。所有材料入場前，通過建設(shè)方、施工方以及監(jiān)理方的聯(lián)合檢查，合格后再用于施工作業(yè)。制備過程中加強(qiáng)現(xiàn)場管理，確?？傮w規(guī)范、參數(shù)得當(dāng)。澆筑過程中，控制澆筑速率為45～50m3/h，以泵送方式組織施工。養(yǎng)護(hù)工作原定持續(xù)14d，考慮到本地氣候較干燥，額外組織3d灑水養(yǎng)護(hù)，28d后拆模，驗(yàn)收無異常后，投入使用。

3.3 結(jié)果概況

該道路投入使用以來性能良好，未見任何異常，無裂縫、鋼筋外露、塌陷等質(zhì)量問題。為進(jìn)一步了解道路質(zhì)量，額外采用BIM技術(shù)，對道路的使用性能進(jìn)行虛擬評估，結(jié)果表明道路滿足使用需要、壽命可以達(dá)到30年以上，質(zhì)量合格、達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

綜上所述，高性能混凝土的功能理想，在低等級公路建設(shè)中應(yīng)用高性能混凝土有助于提升公路工作能力，減少運(yùn)維支出。具體工作中，要求結(jié)合建設(shè)要求以及區(qū)域環(huán)境特點(diǎn)，做好高性能混凝土技術(shù)指標(biāo)分析，之后組織制備、施工應(yīng)用等工作，最后組織混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)，直到強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。結(jié)合甘肅省某地低等級公路建設(shè)項(xiàng)目，可知高性能混凝土的應(yīng)用發(fā)揮了預(yù)期作用，能夠改善公路的使用性能，盡管早期建設(shè)成本、難度較高，但長期效益理想，未來可加強(qiáng)應(yīng)用、推廣。

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