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        高強(qiáng)度水泥穩(wěn)定粒料原材料選取和配合比研究

        2022-04-26 03:58:18申林峰廉富強(qiáng)劉海民魏澤民
        運(yùn)輸經(jīng)理世界 2022年16期
        關(guān)鍵詞:施工

        申林峰、廉富強(qiáng)、劉海民、魏澤民

        (中交一航局第五工程有限公司,河北 秦皇島 066002)

        1 工程背景

        1.1 工程概況

        科特迪瓦阿比讓港是科特迪瓦最大的港口,也是西非最大的集裝箱港。科特迪瓦阿比讓碼頭堆場及通用工程項(xiàng)目位于阿比讓港第二集裝箱碼頭后方,陸域面積共計(jì)37.5 萬m,該碼頭堆場設(shè)計(jì)年吞吐量為200 萬集裝箱,項(xiàng)目包括地下水電管網(wǎng)、電氣設(shè)備、路場、灌注樁、軌道、房建等配套設(shè)施,其中路場結(jié)構(gòu)中路面為聯(lián)鎖塊,基層為水泥穩(wěn)定粒料(下文均稱為水穩(wěn)),水穩(wěn)總面積為34.8 萬m,為該項(xiàng)目的重點(diǎn)工程(見圖1)。

        圖1 科特迪瓦阿比讓碼頭堆場及通用工程項(xiàng)目

        1.2 采用高強(qiáng)度水穩(wěn)的原因

        該工程位于阿比讓港區(qū)內(nèi),結(jié)合土方平衡、砂石料運(yùn)輸以及工期等方面因素,水穩(wěn)強(qiáng)度由原案C8/10變更為C16/20,變更后水穩(wěn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度提高,設(shè)計(jì)厚度由63cm 降低為49cm(見圖2),其優(yōu)點(diǎn)如下:

        圖2 C8/10 和C16/20 水穩(wěn)基層斷面對比圖

        一是場地原有標(biāo)高較高,原案需要外棄土方約5萬m,變更后外棄土方接近為零,大大減少了土方外棄的工作量。

        二是變更前水穩(wěn)方量為20.6 萬m,其中石料用量47.1 萬t,水泥2.8 萬t,變更后水穩(wěn)為16.5 萬m,其中石料用量38.2 萬t,水泥3.1 萬t。砂石料減少8.9 萬t,水泥增加3000t,大大緩解了運(yùn)輸壓力,降低了原材料成本。

        三是按照規(guī)范水穩(wěn)分層厚度為20~27.5cm,原案63cm 需分三層鋪設(shè),優(yōu)化后49cm 僅分兩層施工即可,加快了施工進(jìn)展。

        四是底基層采用15cm 厚的級配碎石,解決了自卸車在沙地上運(yùn)輸問題,方案可實(shí)施性得以解決。

        五是水穩(wěn)配比通過試驗(yàn),分別測試強(qiáng)度,并建立配比曲線,找到最佳配比,保證水穩(wěn)質(zhì)量。

        基于高強(qiáng)度水穩(wěn)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性,結(jié)合影響水穩(wěn)質(zhì)量的因素,水穩(wěn)原材料的選擇和配合比成為需要研究的課題。

        2 水穩(wěn)原材料選擇

        該項(xiàng)目水穩(wěn)組成成分為水、水泥、粗集料和細(xì)集料。

        2.1 水

        為保證水穩(wěn)質(zhì)量,水采用港區(qū)內(nèi)的飲用水。

        2.2 水泥

        根據(jù)當(dāng)?shù)厮嗔显矗蠧PJ42.5N 和CPA42.5R 兩種水泥可供選擇,水泥性能參數(shù)如表1 所示。

        表1 水泥性能參數(shù)

        水穩(wěn)中水泥的選擇主要取決于抗壓強(qiáng)度,在其他因素相同的條件下,兩種水泥的抗壓強(qiáng)度均能夠滿足水穩(wěn)的強(qiáng)度要求,考慮成本因素,最終確定使用CPJ42.5N 水泥。此外,水泥的初凝時(shí)間雖然小于3h,但考慮到場區(qū)內(nèi)建立水穩(wěn)拌和站,運(yùn)輸距離較短,能夠滿足使用要求。

        2.3 粗集料

        該項(xiàng)目石料取自阿比讓PK54 地區(qū)的石礦,根據(jù)國標(biāo)水泥穩(wěn)定級配碎石以及C-B-3 推薦的級配范圍和該項(xiàng)目技術(shù)規(guī)范對水穩(wěn)碎石級配要求,結(jié)合石料來源,選擇粒徑為25-31.5mm、15-25mm、5-15mm 的碎石作為粗集料(見表2、3、4)。

        表2 水泥穩(wěn)定級配碎石以C-B-3 推薦級配范圍(%)為例

        表3 該項(xiàng)目技術(shù)規(guī)范中對水穩(wěn)級配要求范圍(%)

        表4 碎石試驗(yàn)檢測

        通過以上試驗(yàn)結(jié)果,說明所選取的石料符合規(guī)范要求,可作為水穩(wěn)粗集料使用。

        2.4 細(xì)集料

        水穩(wěn)的細(xì)集料可選材料有河沙、經(jīng)雨水沖洗過的海沙以及機(jī)制砂。

        2.4.1 河沙和經(jīng)雨水沖洗過的海沙的選擇

        當(dāng)?shù)睾由巢勺詾a湖,河沙運(yùn)距遠(yuǎn),顆粒細(xì),雜質(zhì)多,級配變化大,質(zhì)量不穩(wěn)定,因此河沙并非較好的選擇。

        該項(xiàng)目附近防波堤海沙淤積嚴(yán)重,即將進(jìn)入航道降低水深影響通航,可考慮浚深的同時(shí)二次利用海沙。海沙顆粒較粗,級配良好,沙子干凈,但檢測氯離子含量超標(biāo)??铺氐贤弋?dāng)?shù)亟涤曦S富,該項(xiàng)目場地內(nèi)吹填后的海沙經(jīng)雨水沖刷后經(jīng)檢測滿足指標(biāo)要求,因此考慮將防波堤淤積海沙取出后經(jīng)過雨水沖刷,然后檢測氯離子含量,達(dá)標(biāo)后投入使用。該項(xiàng)目業(yè)主類似項(xiàng)目有實(shí)施先例,在加納特碼港,該業(yè)主的承包商EFAGI 也在水穩(wěn)中使用了海沙(見表5、圖3)。

        表5 海沙經(jīng)雨水沖刷前后氯離子含量對比

        圖3 海沙篩分級配曲線圖

        此外,該項(xiàng)目處在港務(wù)局交通擁堵路段,路上運(yùn)輸河沙效率低,設(shè)備投入多,運(yùn)輸成本高,海沙運(yùn)輸跨越運(yùn)河,需要船舶二次倒運(yùn),結(jié)合本區(qū)域內(nèi)船機(jī)閑置優(yōu)勢,海沙倒運(yùn)不需要發(fā)生高額船機(jī)調(diào)遣和使用費(fèi)用。

        綜合對比后,經(jīng)過雨水沖刷過的海沙較河沙更適合作為水穩(wěn)的細(xì)集料之一。

        2.4.2 機(jī)制砂

        機(jī)制砂與粗集料來自同一產(chǎn)地,機(jī)制砂粒徑組成如圖4 所示。

        圖4 機(jī)制砂篩分級配曲線圖

        從海沙和機(jī)制砂的篩分曲線可以看出,海沙顆粒均勻,無大于2.5mm 以上顆粒,無小于0.063mm 以下顆粒,機(jī)制砂0.063mm 以下顆粒含量達(dá)到了10.9%,含石粉量較大,根據(jù)技術(shù)要求單獨(dú)使用海沙或者機(jī)制砂均不能滿足級配要求,因此考慮兩者結(jié)合起來使用,另外,海沙無黏聚性,機(jī)制砂有略微板結(jié)作用,機(jī)制砂中小于0.075mm 的顆??梢院退嘁黄鹛畛溆捎诤I硴搅看蠖斐傻目紫丁?/p>

        3 水穩(wěn)配合比研究

        3.1 原始級配確定

        根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及技術(shù)規(guī)范中級配的要求,原始級配采用合成曲線接近每個(gè)篩孔通過百分率中值的比例,如表6、圖5 所示,水泥摻量定為10%,將該配比委托第三方試驗(yàn),進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)確定最大干密度和最佳含水率,并測試28 天的抗壓強(qiáng)度。

        表6 原始級配

        圖5 原始級配曲線圖

        試驗(yàn)測得最大干密度為2.36g/cm,最佳含水率為6%,立方體試塊28 天抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果為25.8MPa,說明原始配比能夠滿足強(qiáng)度要求。

        3.2 施工工藝

        結(jié)合施工規(guī)范和其他項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn),確定施工方法為采用海沙和機(jī)制砂,兩者混合后將粗細(xì)集料在水穩(wěn)拌和站拌和,施工時(shí)檢測混合料含水率(見圖6),自卸車運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場使用攤鋪機(jī)進(jìn)行攤鋪,每層虛鋪厚度為27.5cm(壓實(shí)后為24.5cm)攤鋪后的1h 內(nèi)使用22t壓路機(jī)碾壓,采用靜壓2 遍,振壓4 遍,最后再靜壓2遍收面,使用灌砂法測試水穩(wěn)的壓實(shí)度,完成后使用土工布覆蓋,并灑水養(yǎng)護(hù)7d,7d 內(nèi)不允許交通放行。

        圖6 水穩(wěn)施工

        現(xiàn)場采用原始配比進(jìn)行試鋪出現(xiàn)表面裂紋較多重復(fù)碾壓收面也無法消除的情況,壓實(shí)度和試塊強(qiáng)度雖然能夠滿足要求,但是表面質(zhì)量不合格。分析原因?yàn)榧?xì)集料摻量過大,雖然級配符合要求,但碾壓的過程中料會(huì)產(chǎn)生推移且海沙無黏聚性容易出現(xiàn)裂紋(見圖7、表7、表8)。

        表7 原始級配水穩(wěn)抗壓強(qiáng)度測試

        表8 原始級配水穩(wěn)壓實(shí)度測試

        圖7 原始配比水穩(wěn)施工效果

        3.3 級配配比優(yōu)化

        根據(jù)原始配比,保持水泥和水的比例為10% 和6%,減少細(xì)集料用量,增加15-25mm 碎石,比例調(diào)整如下(見圖8、表9):

        表9 級配1

        圖8 合成級配1 曲線圖

        級配符合要求,集料略偏粗,使用相同的施工方法進(jìn)行試鋪,現(xiàn)場碾壓結(jié)束發(fā)現(xiàn)裂紋基本消除但表面仍粗糙,局部出現(xiàn)粗集料過多而造成的離析現(xiàn)象,分析原因?yàn)榧?xì)集料偏少(見圖9)。

        圖9 級配1 試鋪結(jié)果表面較為粗糙且局部離析

        保持水泥和水的比例為10%和6%,適當(dāng)提高海沙用量,減少5-15mm 碎石用量,調(diào)整比例為(見表10、圖10):

        表10 級配2

        圖10 合成級配2 曲線圖

        再次進(jìn)行試鋪,現(xiàn)場攤鋪碾壓結(jié)束后,表面幾乎無裂紋及離析現(xiàn)象,測試壓實(shí)度和試塊強(qiáng)度如下(見圖11、表11、表12):

        圖11 級配2 水穩(wěn)實(shí)施效果

        表11 級配2 水穩(wěn)抗壓強(qiáng)度測試

        表12 級配2 水穩(wěn)壓實(shí)度測試

        通過現(xiàn)場對三種級配的測試,總結(jié)見表13,根據(jù)分析,水穩(wěn)的粗細(xì)集料采用級配2。

        表13 三種級配現(xiàn)場試鋪表觀質(zhì)量對比

        3.4 水泥用量確定

        從表14 可以看出級配2 情況下水泥用量為10%時(shí),水穩(wěn)抗壓強(qiáng)度較要求的20MPa 高出較多,因此考慮調(diào)整水泥用量分別為9%、8%、7%。

        水泥用量調(diào)整后,使用相同施工方法試鋪,同時(shí)使用灌砂法測試壓實(shí)度,每次試鋪時(shí)室內(nèi)制件取樣采用擊實(shí)法制作六塊150mm×150mm×150mm 的立方體抗壓強(qiáng)度試件,達(dá)到7d 和28d 齡期各分別測試三塊,同時(shí)為了能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)水穩(wěn)的抗壓強(qiáng)度,每次試鋪的區(qū)域在達(dá)到7d 養(yǎng)護(hù)期,取樣6 個(gè)芯樣,芯樣直徑為100mm,長度為每層水穩(wěn)的厚度,即24.5cm,切割成高徑 比1∶1,其 中3 個(gè) 測 試7d 抗 壓 強(qiáng) 度,另 外3 個(gè) 測 試28d 抗壓強(qiáng)度,經(jīng)過測試所得結(jié)果如表14、表15、圖12所示。

        表14 不同水泥摻量對應(yīng)抗壓強(qiáng)度值

        圖12 現(xiàn)場取芯測試

        表15 不同水泥摻量對應(yīng)壓實(shí)度值

        在施工方法正確的前提下,根據(jù)壓實(shí)度進(jìn)行測試,7%~10%水泥含量均能夠滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)果得出水泥用量為7%時(shí),不能夠有效保證水穩(wěn)強(qiáng)度,水泥量達(dá)到8%以上時(shí),水穩(wěn)強(qiáng)度均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求之上,同時(shí)為避免水泥含量過高而造成水穩(wěn)后期開裂的現(xiàn)象,項(xiàng)目最終選用水泥摻量為8%作為正式施工的水泥摻量(見圖13)。

        圖13 現(xiàn)場水穩(wěn)實(shí)施效果

        4 結(jié)論

        一是高強(qiáng)度水穩(wěn)的配合比設(shè)計(jì)首先要選擇合適的材料,要求砂石料級配好,含泥量少。該項(xiàng)目結(jié)合自身特點(diǎn),就地取材,在滿足技術(shù)要求的條件下,使用經(jīng)過雨水沖刷過的海沙作為細(xì)集料之一,同時(shí)海沙級配良好且價(jià)格較低,與機(jī)制砂搭配使用,保障水穩(wěn)鋪設(shè)的效果。二是該項(xiàng)目水穩(wěn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C16/20,水泥的選擇不能低于42.5MPa,高強(qiáng)度水穩(wěn)中水泥起到主要膠結(jié)作用,粗集料提供骨架結(jié)構(gòu),細(xì)集料填充其中使其碾壓更加密實(shí),具有良好的穩(wěn)定性以及板體性,水穩(wěn)強(qiáng)度得到保障。三是高強(qiáng)度水穩(wěn)配合比需要把控每個(gè)環(huán)節(jié),從室內(nèi)試驗(yàn)到現(xiàn)場攤鋪、碾壓及養(yǎng)護(hù)等均需要把控好施工質(zhì)量。四是該項(xiàng)目水穩(wěn)強(qiáng)度由C8/10 變更為C16/20,是降低項(xiàng)目成本、縮短工期的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。項(xiàng)目在執(zhí)行環(huán)節(jié),應(yīng)該不斷挖掘設(shè)計(jì)優(yōu)化的潛力,在滿足使用要求的前提下,良好的設(shè)計(jì)變更使得施工可以達(dá)到事半功倍的效果。

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