陽 晏，劉朝輝，劉小清，劉 敬，何良玉

(湖北交投十巫高速公路有限公司，十堰 442000)

碾壓混凝土屬于超干硬性混凝土，其拌和物與水泥穩(wěn)定碎石混合料類似，呈松散狀態(tài)，無任何流動性，須經(jīng)振動碾壓密實成型，凝結(jié)硬化后具有混凝土的性能特征[1-2]。其早期主要用于水利筑壩工程，第一次世界大戰(zhàn)后逐漸被歐美國家用于原料儲存站、停車場地面及簡易軍事運輸?shù)缆饭こ?。隨著筑路機械設(shè)備的發(fā)展，我國在20世紀(jì)80年代率先由交通部公路科學(xué)研究院與安徽省公路勘測設(shè)計院合作，開始碾壓混凝土路面試驗研究[3]。相比普通水泥混凝土，碾壓混凝土具有水泥用量少、施工速度快以及養(yǎng)護周期短等特點，可有效縮短工期并降低工程造價。碾壓混凝土基層與傳統(tǒng)的半剛性水穩(wěn)基層相比，抗疲勞和抗沖刷能力更強、強度更高、重載敏感性更低，可大幅度延長基層使用壽命。其技術(shù)優(yōu)勢明顯且經(jīng)濟效益顯著，被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中[4-5]。

隧道基層碾壓混凝土一般以室內(nèi)成型試件的28 d抗彎拉強度(抗折強度)為設(shè)計指標(biāo)，但現(xiàn)場碾壓混凝土成型、養(yǎng)生工藝以及室內(nèi)條件存在較大差異，室內(nèi)試件的28 d抗彎拉強度難以真實反映現(xiàn)場施工質(zhì)量，存在室內(nèi)強度合格現(xiàn)場卻取不出完整芯樣的現(xiàn)象，在現(xiàn)場難以通過鉆芯或切割獲得小梁試件從而檢測抗彎拉強度。28 d抗彎拉強度在施工28 d后才能測得，使其上部瀝青鋪裝層施工嚴(yán)重滯后，難以發(fā)揮碾壓混凝土可縮短工期的優(yōu)勢。碾壓混凝土抗壓與抗折強度具有良好的相關(guān)性[6]，因此有必要研究不同齡期芯樣抗壓強度與抗折強度的關(guān)系，通過芯樣7 d抗壓強度計算出28 d抗彎拉強度，解決室內(nèi)試件不能真實反映現(xiàn)場施工質(zhì)量的問題，為碾壓混凝土施工質(zhì)量控制并加快施工進(jìn)度提供參考依據(jù)。以湖北某高速公路工程為依托，隧道橫斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于相同的碾壓混凝土基層混合料和壓實度標(biāo)準(zhǔn)，對不同齡期室內(nèi)試件的抗彎拉強度、抗壓強度和現(xiàn)場芯樣抗壓強度進(jìn)行分析。該高速公路隧道基層碾壓混凝土配比為水泥∶砂∶碎石∶水∶減水劑=271∶626∶1 460∶105∶2.71。

1 材料

1.1 水泥

P·O42.5普通硅酸鹽水泥，初凝時間>4 h，終凝時間6～10 h，經(jīng)檢驗各項技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)要求，水泥主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 粗集料

1#碎石規(guī)格19～31.5 mm、2#碎石規(guī)格9.5～19 mm、3#碎石規(guī)格4.75～9.5 mm，粗集料主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示，均符合相關(guān)規(guī)范與設(shè)計要求。

1.3 細(xì)集料

機制砂規(guī)格0～4.75 mm，細(xì)度模數(shù)2.70，細(xì)集料主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示，均滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計要求。

表3 細(xì)集料主要技術(shù)指標(biāo)

1.4 集料級配

粗、細(xì)集料級配范圍如表4所示，1#碎石∶2#碎石∶3#碎石∶細(xì)集料=20∶35∶15∶30，碾壓混凝土粗、細(xì)集料合成級配范圍如表5所示，碾壓混凝土粗、細(xì)集料合成級配曲線如圖2所示，滿足設(shè)計文件和《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)的相關(guān)要求。

表4 粗、細(xì)集料級配范圍

表5 碾壓混凝土粗、細(xì)集料合成級配范圍

1.5 減水劑

液體，聚羧酸高效減水保塑劑，減水率為26%，按膠材的1.0%摻配。

1.6 拌和水

自來水，符合飲用水要求。

2 試驗方法

2.1 室內(nèi)抗折試件成型方法

采用SJS-3型混凝土碾壓成型機，按《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG 3420—2020)[7]方法成型10 cm×10 cm×40 cm小梁試件。從攤鋪機料斗取料密封帶回試驗室，試件混合料用量m=10×10×40×ρ，ρ為根據(jù)現(xiàn)場壓實度檢測計算得出的濕密度，g/cm3。因碾壓混凝土的干硬性，表面混合料可剔除大石子并用相同質(zhì)量細(xì)料填平，以防出現(xiàn)影響強度的坑洞。

2.2 室內(nèi)抗壓強度檢測方法

參考水泥膠砂試塊抗壓抗折強度檢測方法，采用抗折試驗壓斷后的試塊切割打磨成10 cm×10 cm×10 cm試塊進(jìn)行抗壓試驗。

2.3 現(xiàn)場芯樣成型方法

在相同壓實度路段采用鉆芯取樣機，在規(guī)定齡期鉆取直徑為15 cm的芯樣，切割打磨成高徑比為1∶1試件后進(jìn)行抗壓試驗。

2.4 室內(nèi)試件養(yǎng)護方法

標(biāo)養(yǎng)，養(yǎng)護溫度為20 ℃±2 ℃，相對濕度>95%，試件間距>10 mm。

2.5 現(xiàn)場基層養(yǎng)護條件

碾壓混凝土施工完成后立即覆蓋土工布灑水養(yǎng)生，土工布濕透，養(yǎng)生7 d后，撤去土工布灑PC-2乳化瀝青透層油養(yǎng)生。

2.6 強度計算方法

為加大樣本容量、減小試驗誤差，同時考慮數(shù)據(jù)離散性的影響，不用普通水泥混凝土強度檢測計算方法而參考《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)[8]中強度試驗方法，室內(nèi)抗折試件制取30個(7 d和28 d試件各15個)，同一齡期高徑比為1∶1的現(xiàn)場芯樣試件制取15個做抗壓試驗；變異系數(shù)Cv≤10%時結(jié)果有效(數(shù)據(jù)處理時，按3倍標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)準(zhǔn)剔除異常數(shù)據(jù)，同一組樣本室內(nèi)抗折及現(xiàn)場芯樣抗壓異常值剔除不多于2個，室內(nèi)抗壓相應(yīng)不多于4個)?？拐蹚姸燃虞d速率為50 mm/min，抗壓加載速率為0.3～0.5 MPa/s。

3 碾壓混凝土力學(xué)性能研究

3.1 碾壓混凝土7 d抗壓、抗折強度研究

經(jīng)檢測，室內(nèi)標(biāo)養(yǎng)試件7 d強度如表6所示。

表6 室內(nèi)標(biāo)養(yǎng)試件7 d強度 (MPa)

7 d齡期時，在現(xiàn)場相同壓實度路段用取芯機鉆取15個芯樣，進(jìn)行切割打磨，如有必要涂抹早強水泥凈漿于端面，保證端面平整，芯樣7 d抗壓試驗結(jié)果如表7所示。

表7 芯樣7 d抗壓試驗結(jié)果 (MPa)

室內(nèi)試件7 d抗彎拉強度為3.94 MPa，變異系數(shù)Cv=4.2%，室內(nèi)試件7 d抗壓強度為20.7 MPa，變異系數(shù)Cv=6.0%；現(xiàn)場碾壓成型后覆蓋保濕養(yǎng)護7 d鉆芯取樣，芯樣抗壓強度為18.3 MPa，變異系數(shù)Cv=6.4%，變異系數(shù)均不大于10%，結(jié)果有效。室內(nèi)試件的7 d彎拉強度/室內(nèi)試件的7 d抗壓強度約為0.190，現(xiàn)場覆蓋保濕養(yǎng)護芯樣的7 d抗壓強度約為室內(nèi)標(biāo)養(yǎng)試件抗壓強度的88.4%。

3.2 碾壓混凝土28 d抗壓、抗折強度研究

經(jīng)檢測，室內(nèi)標(biāo)養(yǎng)試件28 d強度如表8所示。

表8 室內(nèi)標(biāo)養(yǎng)試件28 d強度 (MPa)

28 d齡期時，在現(xiàn)場相同壓實度路段用取芯機鉆取15個芯樣，進(jìn)行切割打磨，如有必要涂抹早強凈漿于端面，保證端面平整，芯樣28 d抗壓試驗結(jié)果如表9所示。

表9 芯樣28 d抗壓試驗結(jié)果 (MPa)

室內(nèi)標(biāo)養(yǎng)試件28 d抗彎拉強度為4.76 MPa，變異系數(shù)Cv=3.1%，室內(nèi)試件28 d抗壓強度為23.9 MPa，變異系數(shù)Cv=5.9%；灑水保濕養(yǎng)護7 d后噴灑乳化瀝青養(yǎng)護至28 d鉆芯取樣，現(xiàn)場芯樣抗壓強度為20.2 MPa，變異系數(shù)Cv=5.3%，變異系數(shù)均不大于10%，結(jié)果有效。室內(nèi)試件的28 d抗彎拉強度/抗壓強度約為0.199，現(xiàn)場芯樣的28 d抗壓強度約為標(biāo)養(yǎng)試件的84.5%。

比較7 d和28 d強度數(shù)據(jù)可知，碾壓混凝土強度早期發(fā)展較快，后期發(fā)展變慢，室內(nèi)成型標(biāo)養(yǎng)試件的7 d抗彎拉強度、抗壓強度分別達(dá)到28 d的82.8%和86.6%；現(xiàn)場芯樣的7 d抗壓強度達(dá)到28 d的90.6%。養(yǎng)護方式對碾壓混凝土強度發(fā)展有較大影響，標(biāo)養(yǎng)試件的強度高于現(xiàn)場養(yǎng)護試件強度，現(xiàn)場灑水保濕養(yǎng)護效果好于灑透層油養(yǎng)護；保濕養(yǎng)護7 d后灑透層油養(yǎng)生，強度增長緩慢，這主要是由于碾壓混凝土為干硬性混合料，含水量較低，后期透層油乳液無法提供充足的水分使混凝土中水泥進(jìn)一步水化反應(yīng)，故在條件允許的情況下可適當(dāng)延長現(xiàn)場保濕養(yǎng)護時間，以滿足混凝土后期強度發(fā)展需求。

在相同原材、配比和施工工藝的情況下，通過檢測其他路段取樣成型的7 d、28 d室內(nèi)試件抗彎拉強度與抗壓強度以及現(xiàn)場芯樣的7 d、28 d抗壓強度，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系與本研究十分接近，室內(nèi)試件7 d抗彎拉、抗壓強度分別達(dá)到28 d的80%和85%，現(xiàn)場芯樣7 d抗壓強度達(dá)到28 d抗壓強度的90%左右；現(xiàn)場芯樣7 d、28 d抗壓強度分別約為標(biāo)養(yǎng)試件抗壓強度的89%和84%;室內(nèi)試件7 d、28 d 拉壓比分別約為0.19和0.20，故此種方法具有較高的準(zhǔn)確性。現(xiàn)場芯樣7 d抗壓強度假設(shè)為x(強度單位均為MPa)，可得到其7 d抗彎拉強度約為a×x(a為試驗得到的7 d齡期時的拉壓比)，28 d 抗彎拉強度y≈b×(x/c)，b為試驗得到的 28 d 齡期時的拉壓比，c為芯樣7 d抗壓強度與 28 d 抗壓強度的比例系數(shù)。研究所依托高速公路隧道碾壓混凝土基層28 d抗彎拉強度設(shè)計值為4.0 MPa，則0.199×(x/90.6%)≥4，計算可得現(xiàn)場芯樣7 d抗壓強度x≥18.2 MPa，以此為內(nèi)控指標(biāo)，可有效解決室內(nèi)試件28 d抗彎拉強度難以真實反映現(xiàn)場施工質(zhì)量的問題，同時可加快施工進(jìn)度，有效解決28 d抗彎拉強度在施工28 d后才能測得，使其上部瀝青混合料鋪裝層施工嚴(yán)重滯后的難題。

4 結(jié)論

結(jié)合湖北某高速公路隧道基層施工工程，基于相同的混合料和壓實度標(biāo)準(zhǔn)，對碾壓混凝土力學(xué)性能進(jìn)行分析，主要得出以下結(jié)論。

(1) 碾壓混凝土早期強度發(fā)展較快，后期發(fā)展變慢，室內(nèi)成型標(biāo)養(yǎng)試件的7 d抗彎拉強度和抗壓強度分別達(dá)到28d的82.8%和86.6%，現(xiàn)場芯樣的7 d抗壓強度達(dá)到28 d的90.6%。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下碾壓混凝土強度發(fā)展更好，尤其是對后期強度的影響更加明顯，現(xiàn)場芯樣7 d(灑水保濕養(yǎng)護)、28 d(7 d后灑乳化瀝青養(yǎng)護)抗壓強度分別為相同齡期標(biāo)養(yǎng)試件的88.4%和84.5%；現(xiàn)場灑水保濕養(yǎng)護較乳化瀝青養(yǎng)護效果更好，更利于混凝土強度增長。

(3) 室內(nèi)成型標(biāo)養(yǎng)試件的7 d和28 d抗彎拉強度與抗壓強度比值分別約為0.190和0.199，拉壓比明顯大于普通水泥混凝土。

(4) 提出一種簡單有效的碾壓混凝土基層抗彎拉強度測試計算方法，在相同原材、配比和施工工藝情況下，由7 d芯樣抗壓強度可快速且較準(zhǔn)確地獲得碾壓混凝土28 d抗彎拉強度，從而了解基層施工質(zhì)量。