碾压混凝土基层配合比设计及应用

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　　摘要：碾压混凝土基层在国内应用较少，尚未形成完善的施工工艺。基于大量室内试验和阳阳高速公路的实际应用探讨了碾压混凝土基层组成材料对其性能的影响，提出了材料控制指标；介绍了碾压混凝土配合比综合设计方法，提出了配合比设计指标。实践表明，设计的碾压混凝土混合料能够满足施工要求，且可有效地节约施工费用。
　　关键词： 碾压混凝土；基层；配合比设计
　　国内高速公路路面结构中常采用水泥稳定材料作为基层，由于交通量的增加，车辆轴载以及重车比例的增大，国内已建高速公路路面出现了较多的早期破坏。根据调查发现，在高等级公路尤其是重交通路段，由于水泥稳定基层存在耐冲刷性、抗裂性和强度不足等缺点造成路面早期损坏，因此需要采用新的强度更高的基层材料，以保证路面的使用品质。碾压混凝土是一种单位用水量较少、坍落度为零的超干硬性混凝土，适用于大体积混凝土工程。自1981年日本建成世界上第一座碾压混凝土重力坝一坝高89m的岛地川坝以来，碾压混凝土技0 引言
　　术在世界各国得到了广泛应用。碾压混凝土不仅适用于坝体工程，也适用于同样属于大体积混凝土工程的道路工程，它的主要特点是强度高、板体性强、承载能力大。本文依托某高速公路探讨了碾压混凝土基层原材料技术要求、配合比设计的控制指标，对配合比设计方法进行研究。
　　1 原材料技术要求
　　1．1 水泥
　　根据《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(下称施工规范)相关规定，碾压混凝土用作基层时，可使用各种硅酸盐类水泥。不掺用粉煤灰时，宜使用强度等级32．5以上的水泥。掺用粉煤灰时，只能使用道路水泥、硅酸盐水泥和普通水泥。根据不同的施工条件和工程条件也可以选择矿渣水泥及火山灰水泥。最好采用凝结时间稍长，强度增长快、干缩性小的水泥。针对夏季炎热天气及不掺加缓凝剂时，考虑水泥凝结时间对混合料的运输、碾压的影响，宜参考《公路路面基层施工技术规范》的要求，应选用初凝时间3h以上和终凝时间较长(宜在6h以上)的水泥。
　　1．2 粗集料
　　粗集料应使用质地坚硬、耐久、洁净的碎石、碎卵石和卵石。碾压混凝土可使用Ⅲ级粗集料。由于RCC用水量低，粒径较大的集料会引起离析而影响路面的平整度，碾压混凝土基层粗集料的最大公称粒径不应大于31．5mm。集料中针、片状颗粒含量最好控制在15％ 以内。集料中含泥量大易造成混凝土内界面缺陷而降低混凝土的强度、耐磨性和耐久性，所以也要严格控制，含泥量不宜大于1．5％ 。
　　1．3 细集料
　　细集料宜采用质地坚硬、耐久、洁净的天然砂、机制砂或混合砂，碾压混凝土基层可采用Ⅲ级砂。研究资料表明石屑可代替部分砂用于碾压混凝土基层，但要求不具有塑性或塑料指数低，否则会增大混合料的用水量及收缩性。由于河砂资源短缺，而开采石料用做混凝土粗集料的同时，常伴随着石屑的产生，石屑代替部分砂用于普通混凝土、碾压混凝土的可实施性也已经得到证实。石屑的加入虽会加大混凝土的用水量，但粗糙多棱角的石屑颗粒在砂浆中起着骨架的作用限制了水泥石的变形及骨料颗粒的滑动，同时石屑与水泥石有良好的黏结界面使界面空隙少，减少了应力集中，石粉提高了水化产物的结晶程度.
　　2 原材料试验
　　2．1 水泥
　　本项目水泥采用中材天山（云浮）水泥有限公司生产的天山牌普通硅酸盐水泥P•C 32．5复合硅酸盐水泥，水泥
　　的各项指标检测结果见表1。
　　2．2 粗集料
　　本项目的粗集料来源于建业石场生产的10～30mm、10～20mm碎石，碎石的各项指标检测结果见表2。
　　
　　2．3 细集料
　　本项目采用的细集料为河砂和石屑，河砂产于漠阳江砂，表观密度为2．640 g／cm3 ，含泥量为0．3％；石屑产于建业石场，表观密度为2．690 g／cm 3。
　　2．4 其它材料
　　本项目水泥采用复合硅酸盐水泥，因此不掺人粉煤灰，考虑施工拌和便利性及节约成本的考虑，不掺人外加剂。
　　3 配合比设计
　　3．1 碾压混凝土基层配合比设计指标
　　碾压混凝土配合比设计的基本思想是满足设计弯拉强度、工作性、耐久性和经济性的要求。因此碾压混凝土基层配合比设计时主要考虑的是前3项技术要求，在满足上述前3项技术要求的前提下，碾压混凝土配合比应尽可能经济，以单位重量水泥(胶材总量)获得的弯拉强度最大为经济性评价标准。
　　3．1．1 强度指标
　　由于我国尚未制定碾压混凝土基层相应的技术规范指标及施工控制指标，此种混凝土水泥剂量与贫混凝土大体相当，基于路面结构中碾压混凝土用作刚性基层，弯拉强度指标可参考贫混凝土。《公路沥青路面设计规范》(JTG D50―2006)所述贫混凝土刚性基层的强度要求如表3所示，碾压混凝土基层可参考采用28d抗弯拉强度为设计指标，采用7d抗压强度作为RCC施工的主要控制指标，同时其28d抗弯拉强度用于工程验收评定。
　　
　　3．1．2 施工和易性
　　碾压混凝土基层的工作性采用改进VC值来评定，碾压混凝土出搅拌口的VC值宜为5～10 s，碾压时的改进VC值宜控制在30±5s.
　　3．2 配合比设计方法
　　碾压混凝土配合比设计方法有多种，主要有填充包裹法、经验公式法、正交试验法、综合试验法等。这些方法各有其特点，但其主要是适应于碾压混凝土坝及碾压混凝土面层，对于碾压混凝土基层，不能一味套用。在比较分析后，本文参照综合设计法进行碾压混凝土基层配合比设计。综合设计法是根据设计要求及原材料性能，试算混合料级配确定集料组成比例，按照经验初选用水量及水泥用量；采用绝对体积计算，进行初步试拌；根据初步试拌情况，选用正交试验因素及水平，通过正交试验，优选出满足弯拉强度要求及施工和易性的理论配合比；通过现场试拌，再经修正，得到施工配合比。
　　3．2．1 设计要求
　　根据试验路段要求，碾压混凝土基层28d抗弯拉强度≥3．0MPa，7d抗压强度要求≥15．0MPa，改进VC值30±5s。
　　3．2．2 配合比设计方法及步骤
　　3．2．2．1 试算及确定级配
　　施工规范规定碾压混凝土基层的级配要求同《公路路面基层施工技术规范》水泥稳定料粒的级配规定，采用计算机试算，确定各组成材料的百分比，石屑取代砂的百分率为20％。为比较不同级配对碾压混凝土性能的影响，设计出三种级配，其中1 级配接近《公路沥青路面设计规范》骨架密实结构级配，2 、3 级配符合级配范围要求，如表4所示。
　　
　　3．2．2．2 计算配合比试配强度
　　参考施工规范里碾压混凝土试配弯拉强度的计算公式，计算试配弯拉强度，计算公式如下：
　　
　　按计算公式及选取如下参数可计算得试配强度为3．73MPa。
　　式中:fc 一碾压混凝土试配弯拉强度／MPa；
　　fr一碾压混凝土设计弯拉强度标准值／MPa；
　　s一碾压混凝土弯拉强度试验样本的标准差，选取1．25;
　　t一保证率系数，按样本数n和判别概率P参照施工规范相关要求选取0．45；
　　3．2．2．3 配合比正交设计
　　根据试拌结果，设定正交试验水平、因素组合表。从组成材料分析可得出制约碾压混凝土性能的因素主要为水泥用量(水胶比)、用水量、级配，设计水平因素组合见表5。
　　
　　按照正交试验方法确定各个混凝土理论配合比，采用“绝对体积法”(假设空隙率为零)进行配合比材料用量计算。按照试验号对应的试验条件分别进行7d抗压强度、28d抗折强度和改进 值的试验。碾压混凝土试件成型采用《水泥及水泥混凝土试验规程》中T 0552―2005碾压混凝土抗弯拉试件的制作方法，试件密实度为97％；抗压、抗折试验分别采用T 0558―2005水泥混凝土抗弯拉强度试验方法和T0562―2005水泥混凝土抗弯拉试件断块抗压强度试验方法；VC值测定方法采用T 0524―2005碾压混凝土拌合物稠度试验方法

　　(改进VC法)。用数理统计方法对试验数据整理得到正交试验分析(表6).
　　3．2．2．4 试验结果分析
　　从表6中的R值可以看出，在表6所列出的用水量和水泥用量范围之内，各因素对w 值的影响大小为：用水量>水泥用量>级配；对7d抗压强度及28d抗弯拉强度的影响相一致，大小为：水泥用量>用水量>级配。这说明了用水量对改进VC值起决定性作用，水泥用量对7d抗压强度及28d抗折强度起决定性作用，所选用的3种级配对强度及VC值影响不大。
　　
　　3．2．2．5 选定最佳配合比
　　以满足设计指标要求及最经济角度选择最佳配合比，从强度指标分析水泥用量应该选择A2，从施工和易性指标VC值分析用水量的选择最优选择为B2，配合比性能指标次要因素的级配，最优选择为C3，所选配比恰好是正交试验里面的5号配比。试验结果表明，选定配合比改进VC值为28s，28d抗折强度为3．87MPa，7d抗压强度为17．5MPa，优于相应设计指标。
　　3．2．2．6 施工配合比的确定
　　室内试验配合比要通过试验路检验其对于施工设备的适应性(包括可碾性、易密性和抗分离性能)，确定施工参数(包括铺层厚度、碾压遍数、施工层面允许间隔时间等)和冷缝处理措施等。根据现场碾压试验结果，必要时对配合比进行调整，得出施工配合比。
　　4 试验路段简介
　　碾压混凝土基层施工在广东阳阳高速公路LK2+500~LK5+154段铺筑碾压混凝土基层试验段。碾压混凝土基层厚度为18cm。基层采用单幅机械化施工（拌和机厂拌、自卸汽车运料、摊铺机摊铺，压路机碾压的施工方法）。
　　4．1 试验路段施工CCS底
　　4．1．1 拌和
　　本试验段拌和楼采用徐工筑路机械有限公司XC500型连续式水泥稳定土拌和楼。根据设计配合比确定施工配合比，准确地进行配料，即通过调整料斗下面的电机转速和斗门高低来控制各种材料的流量，达到要求的配合比。同时还要严格控制好水泥剂量和拌和时的含水量。每次生产前应测定集料含水量，以确定拌和过程中的加水量。拌和厂与摊铺现场保持联系，应根据气温变化和现场混合料含水量变化及时调整加水量。拌和时混合料含水量应略大于最佳含水量1．O％ ～1．5％，以补偿摊铺及碾压过程中的水分损失。实时对拌和楼进行质量控制，随时观察混合料有无灰条、灰团，色泽是否均匀，有无离析现象，异常时立即进行检查。
　　4．1．2 摊铺
　　摊铺前要洒水保持下承层的湿润，如果气温较高须及时地均匀补充洒水。本工程摊铺使用2台RP951A型水泥稳定土摊铺机，2台摊铺机间距5～8m成梯队摊铺，摊铺速度控制在1．2～1．8 m／min。在摊铺机后面应设专人消除粗细集料离析现象，特别应注意铲除局部离析形成的粗集料“窝”，并用新拌混合料填补。
　　4．1．3 碾压
　　碾压混凝土的密实度主要取决于外界机械的压实效果，故压实工序直接关系到道路碾压混凝土的最终质量。本试验段碾压设备配备了2台BW 203 AD一4(自重13．2t)双钢轮振动压路机、1台DYNAPAC CA602D(自重18．6t)单钢轮振动压路机、1台徐工XP一261(自重加配重24t)胶轮压路机组合碾压。具体碾压顺序见表7。
　　
　　4．1．4 养生及切缝
　　碾压完成后，采用薄膜养生，养生期间保持长期湿润。养生时间根据强度增长情况确定，不应小于7d。养生期间禁止车辆通行。在碾压完成后36h进行切缝，切缝深度为板厚的1／3，切缝间距为10m。灌缝前从底清除横缝内的杂物，灌缝时槽缝壁处于干燥，在开放交通前已将灌缝封好。
　　4．2 试验路段检测
　　试验路段检测主要内容为混合料强度、压实度、平整度、钻芯强度、路段裂纹检测。检测结果如表8所示。
　　
　　从表8可见，压实度检测结果满足要求，试验段芯样抗压强度满足要求，平整度达到设计要求。通过钻取芯样的检测可知全部芯样完整、均匀、密实，抽检混合料28d平均抗折强度达到3．66MPa，满足设计要求。
　　5 结语
　　碾压混凝土基层具有强度高、板体性强、承载能力大的特点，根据本文的研究结果，在有效控制含泥量指标和不提高基层材料其他技术指标，不掺用外加剂，施工工艺采用水稳厂拌式的情况下，能达到高等级重交通贫混凝土设计要求，因此在重交通高速公路中具有较好的应用前景。
　　碾压混凝土基层配合比设计强度指标可以28d抗弯拉强度为设计指标，施工和易性以 值为设计指标，7d抗压强度可作为施工控制指标，强度技术要求可参照贫混凝土的设计要求。
　　本文所介绍的综合设计法能有效及较快捷地优选设计出满足设计要求的配合比。在碾压混凝土配合比设计中用水量和水泥用量分别对改进值和抗压抗折强度具有显著影响。
　　参考文献：
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　　[2]邓红，郝趁义．石屑代砂碾压混凝土配合比设计研究[J]．石家庄铁路工程职业技术学院学报，2007，：
　　 [3]JTG F30―2003公路水泥混凝土路面施工技术规范[S]．北京：人民交通出版社，2005
　　
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