胡石堅(jiān)

(廣東省高速公路有限公司，廣東 廣州 510623)

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展推動(dòng)著高速公路建設(shè)不斷進(jìn)步，特長(zhǎng)隧道隨之日益增多。特長(zhǎng)隧道洞身路面首選混凝土路面，其施工存在工作面長(zhǎng)、混凝土方量大、施工器械多、施工周期長(zhǎng)等不利因數(shù)，一臺(tái)在不使用邊緣模板情況下將布料攤鋪、振動(dòng)刮平、擠壓成型、抹面及打設(shè)傳力桿等居多機(jī)械安裝在可自動(dòng)調(diào)整混凝土路面厚度和攤鋪行走方向的自行機(jī)械——三輥軸滑模攤鋪機(jī)運(yùn)用而生，三輥軸滑模攤鋪機(jī)憑借自身優(yōu)勢(shì)在特長(zhǎng)隧道路面施工中越來越普遍；同時(shí)，隨著交通量、車輛載重、車輛速度、行車舒適性等方面需求的提高，對(duì)高速公路路面功能要求也越來越高，耐久性好、低噪音、排水性強(qiáng)、反光系數(shù)小、抗滑性能好的露石水泥混凝土路面在特長(zhǎng)隧道中的應(yīng)用也在逐步增加。為驗(yàn)證隧道露石水泥混凝土路面三輥軸滑模攤鋪施工原材料要求，提高施工的應(yīng)用效果，有必要對(duì)其原材料及配合比等進(jìn)行集中設(shè)計(jì)并準(zhǔn)確、有效、經(jīng)濟(jì)地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果。

1 配合比設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

研究依托廣東潮惠高速公路蓮花山2#隧道，隧道長(zhǎng)5 108 m、單幅路面寬度12.3 m，使用三輥軸滑模攤鋪機(jī)，攤鋪機(jī)行走區(qū)每側(cè)0.7 m，滑模攤鋪寬度10.9 m，路面厚度26 cm，混凝土抗彎拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度5.0 MPa、抗彎拉彈性模量31 000 MPa。

2 原材料指標(biāo)要求

2.1 水泥

考慮水泥混凝土路面需要的抗滑性和耐久性，優(yōu)先使用低熱硅酸鹽水泥，低熱硅酸鹽水泥混凝土不僅耐久且后期強(qiáng)度高，其吸水率小、屈服黏度低的優(yōu)點(diǎn)也有助于提高低坍落度混凝土的體積穩(wěn)定性。

當(dāng)?shù)蜔峁杷猁}水泥供用困難時(shí)，可使用普通硅酸鹽水泥或道路硅酸鹽水泥，但水泥各齡期實(shí)測(cè)強(qiáng)度值、成分、物理指標(biāo)等需符合《公路工程水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》JTG/T F30—2014(下稱：《細(xì)則》)面層水泥混凝土用水泥的要求。

2.2 礦物摻合料

道路硅酸鹽水泥所配制的路面混凝土中可摻入粉煤灰、礦粉等摻合料，普通硅酸鹽水泥不應(yīng)摻入粉煤灰，但可摻用礦渣粉或硅灰。

礦粉的摻入能夠降低水泥混凝土的水化熱，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，改善水泥混凝土和易性，如附近地區(qū)有豐富的礦粉儲(chǔ)量，優(yōu)先采用?；郀t礦渣粉，礦渣粉級(jí)別宜為S95級(jí)及以上。礦粉及硅灰的指標(biāo)要求見表1。

表1 面層混凝土用礦渣粉及硅灰性能指標(biāo)要求

2.3 碎石

露石水泥路面混凝土的碎石技術(shù)指標(biāo)要比普通路面混凝土高，除滿足《細(xì)則》中Ⅱ級(jí)要求外，還需是經(jīng)過反擊破加工、質(zhì)地堅(jiān)硬、潔凈、有棱角的碎石，最大粒徑不宜超過16 mm，采用5～10 mm和10～15 mm兩檔單粒級(jí)混合摻配。其他指標(biāo)要求見表2。

表2 碎石技術(shù)指標(biāo)

2.4 砂

砂優(yōu)先使用質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、潔凈的天然河砂。當(dāng)天然河砂供應(yīng)不充足時(shí)，應(yīng)保證行車道用天然河砂，應(yīng)急帶(攤鋪機(jī)行走區(qū))用機(jī)制砂替代。

(1)天然河砂

路面混凝土主要依靠小顆粒(包括砂等)提供車輛前進(jìn)或制動(dòng)的摩擦力。顆粒細(xì)小，接觸面增大，抗滑性能增加；同時(shí)，天然河砂粒徑>2.36 mm時(shí)，會(huì)使得沙子中粗集料比例過大，做出的路面不美觀，還因粗砂和水泥漿的握裹面小，造成后期行車荷載作用下容易脫落，對(duì)路面耐久性造成不利影響。所以，天然河砂宜選用偏細(xì)中砂(可通過在砂場(chǎng)加篩孔過篩，去除>2.36 mm顆粒)，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不得低于《細(xì)則》中Ⅱ級(jí)砂。

(2)機(jī)制砂

機(jī)制砂應(yīng)使用專用設(shè)備生產(chǎn)，原料為堅(jiān)硬碎石，可用于雙層攤鋪工藝的混凝土下面層、應(yīng)急車道或攤鋪機(jī)行走區(qū)，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)參照《細(xì)則》。

2.5 混凝土外加劑

水泥混凝土外加劑宜采用滿足要求的復(fù)合型減水劑，出于對(duì)混凝土流變特性的具體需求，改善混凝土路面平整度的技術(shù)難題，需采用液體萘系緩凝減水劑及低坍落度混凝土專用液化劑，以保證混凝土在低坍落度下的工作性能，且萘系減水劑的固含量不低于20%。其他技術(shù)指標(biāo)詳見《細(xì)則》對(duì)混凝土外加劑的具體要求。

3 混凝土工作性能

混凝土工作性能是一項(xiàng)綜合技術(shù)性能，不僅包括流動(dòng)性、黏聚性和保水性，還與施工工藝相匹配，具體從以下幾方面體現(xiàn)。

3.1 混凝土坍落度

通過國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐及科研試驗(yàn)路發(fā)現(xiàn)，混凝土的坍落度大小，對(duì)混凝土的平整度有很大的影響。

低坍落度路面水泥混凝土源于解決普通路面水泥混凝土在高頻或低頻振搗條件下很難達(dá)到充分液化密實(shí)問題，這是混凝土在塑性階段產(chǎn)生微沉降致使路面平整度變差的主要誘因。通過低坍落度混凝土立模性高的品質(zhì)及摻入混凝土液化材料來激發(fā)低坍落度混凝土出漿性，可以架構(gòu)路面混凝土所需的調(diào)平功能層，能達(dá)到提高路面的平整度、抗滑性及耐久性等效果。

高速隧道露石水泥混凝土路面三輥軸滑模攤鋪配合比的出機(jī)坍落度不宜>6 cm，經(jīng)時(shí)坍落度≮3 cm，現(xiàn)場(chǎng)坍落度宜控制在2～5 cm之間(三輥軸配備>9 000 r/min的電動(dòng)高頻振搗棒，直徑>60 mm)。

3.2 振動(dòng)黏度系數(shù)及液化時(shí)間

混凝土的振動(dòng)黏度系數(shù)需考慮滑模攤鋪機(jī)的攤鋪速度、攤鋪厚度及振搗頻率。隧道路面厚度26 cm，滑模攤鋪速度一般控制在0.8～1.2 m/min，振搗頻率不低于90 000 r/min，振搗棒對(duì)混凝土有效的振動(dòng)時(shí)間為30s，也即混凝土液化時(shí)間最多不超過30 s，此時(shí)的混凝土振動(dòng)黏度系數(shù)200～500 Ns/m2(振動(dòng)黏度系數(shù)評(píng)定參見JTG/T F30—2014附錄A)。

3.3 砂漿層厚度

混凝土路面的砂漿層為抗滑耐磨功能層提供行車必要摩擦力，實(shí)現(xiàn)露石效果的露石水泥混凝土路面也是該部分被清掃沖洗后形成構(gòu)造深度提供行車摩擦力，其厚度檢測(cè)方法如下。

(1)目的及適用范圍

為掌握露石水泥混凝土路面施工中砂漿層厚度，引入了“混凝土砂漿厚度檢測(cè)方法”。

(2)儀器設(shè)備

混凝土砂漿厚度檢測(cè)儀：由一底部為坡口的外環(huán)刀(外徑80 mm、內(nèi)徑75 mm、壁厚2.5 mm、高70 mm、刀口高度6.5 mm)和一輕質(zhì)帶底的內(nèi)環(huán)筒(外徑74 mm、內(nèi)徑71 mm、壁厚1.5 mm、高100 mm)組成，其精度0.1 mm，外環(huán)刀和內(nèi)環(huán)筒均采用不銹鋼材質(zhì)，如圖1所示。

圖1 混凝土砂漿厚度測(cè)定儀

(3)試驗(yàn)步驟

①攤鋪面層施工完成后，在中間位置或在距離支護(hù)模板不少于100 mm的范圍選定測(cè)試位置。

②水濕潤(rùn)(利用濕布濕潤(rùn))外環(huán)刀和內(nèi)環(huán)筒后用外環(huán)刀套住內(nèi)環(huán)筒，放于平板上，記錄初始讀數(shù)位置，即此時(shí)外環(huán)刀頂部在內(nèi)環(huán)筒的刻線位置(一般為零)。

③測(cè)試時(shí)，先將外環(huán)刀的坡口朝下，套住內(nèi)環(huán)筒，將其輕輕放置提漿后的路面面板上，外環(huán)刀依靠自重坡口部位沉入水泥漿內(nèi)，輕質(zhì)帶底的內(nèi)環(huán)筒沉入水泥漿的深度小，可忽略不計(jì)。在內(nèi)環(huán)筒上標(biāo)有相應(yīng)的刻度，穩(wěn)定后依靠?jī)?nèi)環(huán)筒上的刻度可進(jìn)行讀數(shù)，讀數(shù)至0.1 mm，測(cè)定表面砂漿層厚度，相鄰近位置再測(cè)定兩次。

(4)試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果以三次試驗(yàn)的平均值為準(zhǔn)，平均值精確至0.1 mm。單次測(cè)量數(shù)據(jù)與平均值相差超過1.5 mm時(shí)，應(yīng)剔除該次數(shù)據(jù)重測(cè)并重新計(jì)算平均值。經(jīng)實(shí)驗(yàn)總結(jié)，混凝土路面的砂漿層厚度宜控制在3～5 mm，太厚及太薄均不利于抗滑性或耐久性。

3.4 立模特性

混凝土拌合物是賓漢姆體，具有流變性及可塑性，應(yīng)在無外力情況下能夠抵抗形變，在一定外力作用下具備可塑性強(qiáng)特點(diǎn)，一般用立模特性來評(píng)價(jià)混凝土拌合物流變性能。立模特性是平整度在塑性階段的表征形式，體現(xiàn)為混凝土拌合物側(cè)端滑模前后的形變差，即側(cè)端混凝土的豎直方向高差和水平方向差。立模特性測(cè)試方法如下。

(1)目的及適用范圍

為檢驗(yàn)塑性水泥混凝土的立模特性，通過實(shí)測(cè)試驗(yàn)槽內(nèi)水泥混凝土在抽掉側(cè)向鋼模板后兩側(cè)的塌邊高度，以此為指標(biāo)來表征水泥混凝土的立模性及靜變特性，此方法定義為“水泥混凝土側(cè)向坍落度檢測(cè)試驗(yàn)方法”。

(2)儀器設(shè)備

①側(cè)向坍落度試驗(yàn)槽為方形鋼槽520 mm×260 mm×260 mm，兩側(cè)鋼板可以抽出。

②量程大于50 kg、感量為10 g的電子稱。

③頻率范圍為150～200 Hz的振搗棒。

④抹子、料桶、鐵鏟等。

(3)試驗(yàn)步驟

①按照J(rèn)TG E30-2005要求的取樣方法進(jìn)行拌合與取樣。

②將新拌混凝土分兩層裝入試驗(yàn)槽，每層用棒振搗充分振搗至混凝土頂面無大氣泡冒出、浮漿飽滿為止，并用抹子抹平頂面。

③緩慢抽出試驗(yàn)槽鋼板(同時(shí)，用抹子在抽出鋼板的兩側(cè)各抹兩到三下)，待塌邊穩(wěn)定后用鋼尺測(cè)量頂面橫向變形和側(cè)面?zhèn)榷素Q向變形，每面各測(cè)5處，測(cè)點(diǎn)要包括最大值和最小值。

④試驗(yàn)結(jié)束后，清理試驗(yàn)槽內(nèi)混凝土，并對(duì)試驗(yàn)槽及各試驗(yàn)工具進(jìn)行清洗。

(4)結(jié)果

將水泥混凝土側(cè)向坍落度試驗(yàn)槽測(cè)得的混凝土塌邊高度和寬度分別求平均值，用求得的混凝土塌邊高(寬)度平均值表征混凝土側(cè)向坍落度。為保證滑膜效果，要求混凝土塌邊高度平均值(側(cè)端豎向變形)不大于3 mm，塌邊寬度平均值(橫向變形)不大于15 mm。

(5)說明

在水泥混凝土路面施工中，滑模施工已成為其主流施工方式?；Ｊ┕ぞ哂幸苿?dòng)成型的特點(diǎn)，攤鋪機(jī)過后，側(cè)向模板隨之滑除，水泥混凝土側(cè)向坍落度試驗(yàn)槽能客觀模擬滑模施工時(shí)的相應(yīng)施工工序，混凝土側(cè)向坍落度大小能有效量化混凝土振搗后的立模特性。

3.5 出漿量

在混凝土振動(dòng)時(shí)，內(nèi)部各組成成分都處于不斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種狀態(tài)大大降低了混凝土各成分顆粒間的嵌擠力和內(nèi)摩阻力，使得顆?；ハ嗝撾x，重力作用下粗骨料顆粒下沉，水泥漿體上涌，混凝土失去穩(wěn)定狀態(tài)而流動(dòng)，產(chǎn)生液化現(xiàn)象。為數(shù)據(jù)化這一現(xiàn)象，引入了“低坍落度混凝土出漿量測(cè)試方法”，該方法能檢驗(yàn)混凝土在作用功下漿體運(yùn)動(dòng)的速度、黏度的狀態(tài)，也能反映混凝土配合比漿集比的飽滿度。該方法試驗(yàn)儀器為“低坍落度混凝土出漿量測(cè)定儀”，具體試驗(yàn)方法如下。

(1)方法概述

低坍落度時(shí)，坍落度法、韋博稠度法、粘度系數(shù)法對(duì)混凝土液化效果的表征均不敏感，需要新的測(cè)試低坍落度混凝土液化效果的容器以及方法，即“低坍落度混凝土出漿量測(cè)試方法”。方法適用于低坍落度在5～30 mm間的水泥混凝土路面用混凝土拌合物的稠度測(cè)試，其碎石粒徑不能大于40 mm，通過模擬混凝土拌合物在固定振動(dòng)頻率作用下出漿情況來評(píng)價(jià)混凝土的液化效果。

(2)試驗(yàn)用儀器技術(shù)參數(shù)

圓孔篩筒為防銹合金制成的帶底圓篩，筒內(nèi)直徑240±2 mm，筒高為200±2 mm，壁厚3±0.2 mm，篩孔直徑5±0.1 mm，相鄰孔圓心間距8.0±0.2 mm。震動(dòng)臺(tái)外形尺寸為380 mm×500 mm×670 mm，重30 kg，電機(jī)功率250 W，震動(dòng)頻率3 000±200次/分，振幅0.5±0.1 mm。

(3)試驗(yàn)用儀器結(jié)構(gòu)

儀器由以下部分組成。

①圓孔篩筒通過定位螺栓，固定在震動(dòng)臺(tái)上。

②喂料口固定在立柱上，測(cè)桿通過旋轉(zhuǎn)架與立柱相連，測(cè)桿下部安裝有水平透明圓盤，并用定位螺釘把側(cè)桿固定在旋轉(zhuǎn)架的導(dǎo)向孔中，旋轉(zhuǎn)架利用十字凹槽通過固定螺絲固定在立柱上，就位后側(cè)桿及喂料口的軸線分別與出漿圓孔篩筒的軸線重合。

③透明圓盤(厚度10±2 mm、直徑230±2 mm)通過配重螺母固定在側(cè)桿下端，側(cè)桿、配重螺母及圓盤組成的滑動(dòng)部分總重量為2 750±50 g。

④搗棒為長(zhǎng)600 mm、直徑16 mm的鋼棒，端部磨圓。

⑤震動(dòng)臺(tái)參見“3.5.2試驗(yàn)用儀器技術(shù)參數(shù)”

(4)儀器的調(diào)平

操作臺(tái)與儀器底面的不平行度應(yīng)小于1 mm，即震動(dòng)臺(tái)放在操作平臺(tái)上后，震動(dòng)臺(tái)四角位置高度差應(yīng)小于1 mm。使用中如發(fā)現(xiàn)超差，必須通過修正四個(gè)機(jī)腳高度調(diào)平。

(5)儀器的操作步驟

①儀器放在堅(jiān)固的水平操作平臺(tái)上，利用濕布濕潤(rùn)用具內(nèi)壁。

②喂料口移至圓孔篩筒正上方，校正位置使圓孔篩筒軸線與喂料口軸線重合，然后擰緊蝶形螺母固定。

③稱量圓孔篩筒的質(zhì)量m1。稱取16 kg混凝土試樣用小鏟分三層裝入出漿圓孔篩筒內(nèi)，用搗棒均勻插搗每層試樣料25次，插搗深度需深入下層1～2 cm，每層料搗實(shí)后大概為1/3篩筒高，插搗完畢后抹平頂面。

④把透明圓盤轉(zhuǎn)至圓孔篩筒頂，放松固定螺絲，緩緩降下圓盤至混凝土頂面。

⑤按控制器“啟動(dòng)”按鈕，同時(shí)按下秒表計(jì)時(shí)，振動(dòng)至20 s時(shí)，瞬間按“停止”按鈕，待震動(dòng)臺(tái)停止振動(dòng)時(shí)，松開定位螺栓。將圓孔篩筒外的混凝土膠漿用摸布擦除干凈，并稱重為m2，數(shù)值精確值0.01 kg。出漿量m3按下式計(jì)算

m3=m1+16-m2

取兩次測(cè)試結(jié)果的平均值，如兩次結(jié)果數(shù)值超過平均值15%，則另取重做，如連續(xù)出現(xiàn)兩次上述現(xiàn)象，則本次拌和的混凝土不能做這項(xiàng)試驗(yàn)。

(6)結(jié)果

研究表明，對(duì)于低阻力低坍落度路面水泥混凝土而言，振動(dòng)出漿法下，出漿量控制在1.2 kg/16 kg～1.5 kg/16 kg范圍內(nèi)的液化效果較好。

(7)儀器的維護(hù)和檢查

①一次測(cè)試結(jié)束后，必須將用具洗凈，并且擦干(特別是電器部分)，以便下次使用。

②每次啟動(dòng)控制器前，必須檢查螺釘是否上緊，各部件(零件)是否牢固。

③如側(cè)桿、圓盤及配重螺母組成的滑動(dòng)部分總重量小于2 700 g，則需通過在頂端螺釘下方多固定50 g墊圈來增加配重，以滿足總重量為2 750±50 g。

3.6 路用性能控制指標(biāo)

隨著車流量的日益增加，公路水泥混凝土路面抗滑性能衰減加劇，行車安全問題凸顯。同時(shí)，伴隨著優(yōu)質(zhì)河砂資源匱乏，取而代之的機(jī)制砂應(yīng)用加劇了這一趨勢(shì)，因?yàn)闄C(jī)制砂的石粉及針片狀顆粒的大量存在，使得其抗滑耐磨性能較河砂大幅降低。針對(duì)目前優(yōu)質(zhì)河砂逐步面臨枯竭，河砂質(zhì)量越來越難以控制，被機(jī)制砂取代的情況越發(fā)普遍，數(shù)據(jù)化路面抗滑耐磨性能的控制指標(biāo)非常必要。

抗滑耐磨性能的控制指標(biāo)可以分解為耐磨性能和粗糙度，經(jīng)工程實(shí)際對(duì)比研究，面層混凝土的磨損量不大于2.5 kg/m2的情況下耐磨性能良好，刻槽前構(gòu)造深度>0.3、BPN20>55(雖然擺值用于瀝青路面摩擦系數(shù)的測(cè)定，但能很好的模擬剎車時(shí)輪胎與路面摩擦的狀態(tài)，通過制動(dòng)力的大小，能較好的評(píng)價(jià)露石混凝土路面抗滑性能)粗糙度良好。

4 配合比初步設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)方法及強(qiáng)度指標(biāo)

推薦按照正交試驗(yàn)法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度為5.0 MPa，計(jì)算方法詳見《細(xì)則》。

4.2 初步配合比

經(jīng)比選原材料指標(biāo)以及對(duì)實(shí)驗(yàn)室試拌混凝土關(guān)于混凝土工作性能的檢測(cè)，工程試驗(yàn)段用配合比初步選用三個(gè)，基本參數(shù)為：水灰比不大于0.4，膠凝材料用量380～400 kg/m3，采用4.75～9.5 m與9.5～13.2 mm兩檔碎石，砂用過2.36 mm篩孔的河砂，外加劑中選用低坍落度混凝土液化劑及與之匹配兼容的外加劑。

5 最佳配合比

經(jīng)試驗(yàn)段總結(jié)，3個(gè)配合比露石效果見圖2。

圖2 選用配合比試驗(yàn)段施工效果圖

3個(gè)配合比7 d彎拉強(qiáng)度均超過設(shè)計(jì)要求的5.0 MPa， 但從露石效果及考慮隧道溫濕度環(huán)境影響，采用4.75～9.5 mm與9.5～13.2 mm兩檔碎石(比例為0.3∶0.7)、水灰比為0.39、膠凝材料用量為380 kg/m3、粒徑<2.36 mm河砂等參數(shù)較為合理。結(jié)合隧道露石水泥混凝土路面三輥軸滑模攤鋪工作性要求，出機(jī)坍落度不宜>6 cm，經(jīng)時(shí)坍落度≮3 cm，現(xiàn)場(chǎng)坍落度宜控制在2～5 cm之間。比較實(shí)測(cè)破型混凝土強(qiáng)度和試驗(yàn)段施工效果，可以確定“配合比二”為最佳配合比,見表3。

表3 露石面板最佳配合比

該配合比施工效果見圖3。

圖3 確定的配合比效果圖

6 結(jié) 語

基于廣東潮惠高速公路蓮花山2#隧道露石水泥混凝土路面三輥軸滑模攤鋪的配合比應(yīng)用研究，檢驗(yàn)了碎石、砂、水泥、混凝土外加劑、礦物摻合料等原材料指標(biāo)要求的合理性，通過提出引入“混凝土砂漿厚度檢測(cè)方法”、“水泥混凝土側(cè)向坍落度檢測(cè)試驗(yàn)方法”、“低坍落度混凝土出漿量測(cè)試方法”及“瀝青路面摩擦系數(shù)(擺值)測(cè)定方法”等對(duì)實(shí)驗(yàn)室試拌露石水泥混凝土各項(xiàng)工作性能進(jìn)行量化檢驗(yàn)測(cè)試，得出的初選配合比能有效實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)段目的，對(duì)比試驗(yàn)段施工效果確定的最佳配合比可直接應(yīng)用于同類工程。