耿立才， 羅 滔， 馬福彬， 劉丁實， 劉 猛， 金春霞

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司機械化施工分公司， 成都 610200； 2.巴中市公路水運建設(shè)質(zhì)量服務(wù)中心， 四川 巴中 636600)

近年來，因受到路面瀝青混凝土承載能力和抗水害能力不足的制約，我國大部分高速公路瀝青路面深受開裂、坑槽、唧泥等早期病害的影響，給國家造成巨大的經(jīng)濟損失和不良的安全影響。與此同時，具備高強度、高耐久、高效率等特點的碾壓混凝土一方面能有效避免混凝土路面的早期病害，另一方面能滿足路面混凝土高效快速施工和材料巨量需求的要求，逐漸成為道路施工的理想材料[1-2]。

碾壓混凝土最初應(yīng)用于大壩的建設(shè)，兼?zhèn)淦胀ɑ炷梁蜔o機結(jié)合料優(yōu)點于一身，不僅能節(jié)省大量水泥用料，還成型較快，可使用大型機械縮短工期，一般主要應(yīng)用于道路基層施工。目前，歐洲和北美應(yīng)用碾壓混凝土最多、技術(shù)最成熟。近年來，英國、法國等應(yīng)用了一些新技術(shù)開發(fā)了鋼纖維碾壓混凝土，法國申請了技術(shù)專利FRCCTM。印度在公路路面鋪筑中應(yīng)用了新型的高摻量粉煤灰碾壓混凝土，取得了較好的經(jīng)濟效果。這些新技術(shù)推動了碾壓混凝土的應(yīng)用[3]。21世紀以來，我國碾壓混凝土技術(shù)的推廣應(yīng)用在規(guī)模和范圍都有得到突破，其中材料方面：先后在粉煤灰對碾壓混凝土的影響、碾壓混凝土的主要力學(xué)性能[4]、碾壓混凝土的VC值[5]、混凝土流變性能[6]等方面進行了研究；攪拌方式方面：對振動攪拌、連續(xù)攪拌[7-8]等進行了研究；成型方式方面：對碾壓混凝土成型時間、成型壓重、成型振動臺的振動參數(shù)[9]，碾壓混凝土壓實過程中經(jīng)歷的塑性階段、彈塑性階段以及彈性階段等方面進行了研究。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)：碾壓混凝土一般應(yīng)用于大壩、機場、道路基層的施工，若在高速公路路面應(yīng)用需對混凝土材料、配合比設(shè)計、機械配置、攤鋪碾壓方法等重新進行研究。同時碾壓混凝土路面會受到溫度收縮、干燥收縮的影響產(chǎn)生面層裂縫破壞路面結(jié)構(gòu)，對路面帶來不可逆的不良影響。因此需在碾壓混凝土路面合理鋸縫，使路面有規(guī)則的斷塊，以釋放混凝土的溫縮、干縮應(yīng)力，減少因收縮變形和翹曲變形受約束而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

四川省鎮(zhèn)廣高速王坪至通江段全長37.6 km，在短短15個月內(nèi)要全面完成橋隧比83.87%的山區(qū)高速，這在中國山區(qū)高速建設(shè)史上尚屬首次。因工期緊，任務(wù)重，為確保能按期保質(zhì)保量完成施工任務(wù)，項目首次提出將碾壓混凝土應(yīng)用于高速路隧道混凝土路面面層施工。欲通過對碾壓混凝土施工關(guān)鍵點的研究，達成以下目標：1) 設(shè)計出一套針對川東地區(qū)隧道路面特點并滿足施工性能和經(jīng)濟合理要求的混凝土配合比；2) 通過設(shè)備選型、數(shù)量配置、工作參數(shù)研究提升碾壓混凝土的攤鋪壓實質(zhì)量；3) 研究碾壓混凝土合理鋸縫參數(shù)，減少因不合理鋸縫導(dǎo)致的反射裂縫[10-11]；4) 開展碾壓混凝土路面效果分析，從效率、質(zhì)量、經(jīng)濟性等多方面分析其優(yōu)缺點。

1 試驗方法選取

采用絕對體積法正交試驗對碾壓混凝土進行配合比設(shè)計，通過挑選部分具有均勻分散、整齊可比的典型因素進行正交試驗，利用不同因素試驗結(jié)果極差的大小，通過較少次數(shù)試驗找出影響配合比的主次因素[12]。 極差分析的步驟如下：

1) 確定各因素水平試驗指標值之和Ki。

2) 確定各因素同一水平的平均值ki。

3) 計算不同因素的極差R。R=max(ki)-min(ki)。

4) 通過分析極差值R的大小，確定主次影響因素。

5) 選出最優(yōu)水平，組合最優(yōu)因素水平。

2 材料選取

水泥：采用強度等級不高、凝結(jié)時間不短、干縮性不大的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

粗集料：采用堅硬、耐久的碎石、破碎卵石或卵石，其粗集料最大公稱粒徑≤26.5 mm，應(yīng)篩分成2～4個粒級的規(guī)格集料隔離堆放。

細集料：采用堅硬、耐久的天然砂或機制砂。

拌和用水：采用符合現(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)要求的飲用水，不得使用含有油污、泥和其他有害物質(zhì)的水。

外加劑：采用聚羧酸高性能減水劑(緩凝型)。

3 配合比設(shè)計

3.1 混合料級配

根據(jù)《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細則》(JTG/T F30—2014)規(guī)定，碾壓混凝土應(yīng)為連續(xù)密級配。為保證碾壓混凝土的質(zhì)量均勻性和路面結(jié)構(gòu)的抗彎拉強度，必須限制19 mm 以上的粗集料用量以減少混凝土離析，控制細集料0.075 mm以下的顆粒含量以減少混凝土收縮。

3.2 試驗方法

碾壓混凝土彎拉試件制作、稠度檢測(改進 VC 法)、抗彎拉強度均參照《公路工程水及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG 3420—2020)要求進行。主要試驗設(shè)備采用HJW-60型單臥軸強制式攪拌機，如圖1所示，采用改進平板振動器成型試件，如圖2所示，振幅1 mm，頻率50 Hz±3 Hz。

3.3 設(shè)計目標

碾壓混凝土配合比設(shè)計須達到設(shè)計強度要求，且應(yīng)避免施工時離析，可碾壓成型，不塌陷?；炷连F(xiàn)場稠度應(yīng)滿足碾壓工藝要求，保證碾壓施工時混凝土的密實性和穩(wěn)定性。控制級配的最大粒徑，保證級配連續(xù)性、級配曲線順滑，避免折線現(xiàn)象。混凝土應(yīng)具有一定的粘聚性，便于施工過程中減少離析現(xiàn)象。

3.4 碾壓混凝土配合比正交試驗方案

根據(jù)絕對體積法，確定3個主要因素：水泥用量、水灰比、外加劑摻量，并根據(jù)資料及工程經(jīng)驗選定因素水平。配合比設(shè)計過程中，固定其他試驗條件，不考慮各因素之間的相互影響作用，只改變確定的3個主要因素水平。正交試驗如表1所示[13-14]。

表1 正交試驗

3.5 試驗結(jié)果

全程共計開展9次試驗并對結(jié)果進行分析，如表2所示。分析表2可見，稠度的主次因素排序為：水泥用量>水灰比>外加劑；對抗壓強度和抗彎拉強度的主次因素排序均為：水泥用量>水灰比>外加劑。通過綜合分析以及試配試壓，確定碾壓混凝土配合比為：水泥用量 260 kg/m3、水灰比 0.5、外加劑1.0%，該配合比經(jīng)試驗驗證，施工工作性較好，可用于隧道碾壓混凝土施工。

表2 正交試驗安排及結(jié)果分析

4 碾壓混凝土施工質(zhì)量控制

碾壓混凝土的原材料質(zhì)量、拌和物級配工作性、現(xiàn)場碾壓工藝都會影響碾壓混凝土質(zhì)量，施工過程中應(yīng)嚴格控制以下關(guān)鍵點。

4.1 原材料的質(zhì)量控制

原材料質(zhì)量是做好碾壓混凝土路面的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，其中壓碎指標、顆粒級配和含泥量是控制指標。原材料質(zhì)量不良會造成混凝土強度不足、易離析、難以壓實、平整度差等問題。

4.2 拌和運輸

1) 為滿足生產(chǎn)效率需求，采用連續(xù)式強制拌和機。拌和機混合料輸送帶應(yīng)設(shè)置刮料裝置，成品料輸送帶應(yīng)設(shè)置防離析擋板。2) 為保證混凝土工作性能，生產(chǎn)前應(yīng)準確測定粗、細集料含水率，如有變化及時調(diào)整用水量；提前將外加劑添加在一個外置5 t容量的容器內(nèi)，盡量精確計量每t混凝土的用水量。3) 為確?；炷良壟錆M足設(shè)計配合比級配，通過對計量系統(tǒng)進行精確標定、校準，并增加攪拌葉片數(shù)量及延長攪拌時間，以提高混凝土均勻性?，F(xiàn)場施工時應(yīng)至少保證30 s的攪拌時間。根據(jù)產(chǎn)量、運距等配備足夠數(shù)量的運輸車輛，混凝土必須用帆布覆蓋，卸料時應(yīng)緩慢升高貨箱，防止粗集料滾落。確保運達現(xiàn)場的拌和物具有較好的工作性，現(xiàn)場應(yīng)檢測拌和物的稠度。盡量縮短拌和物的停置時間，運輸過程宜控制在30 min內(nèi)，施工在2 h內(nèi)完畢，保證混凝土拌和物在工作性良好的狀態(tài)下完成碾壓[15]。

4.3 攤鋪

攤鋪時先將下承層表面打掃干凈，并灑適量的水潤濕；攤鋪機可采用水穩(wěn)攤鋪機全幅攤鋪，松鋪系數(shù)為1.35，松鋪厚度為35.1 cm，壓實厚度為26 cm。為精確控制隧道混凝土路面頂面高程、鋪筑厚度、平整度，現(xiàn)場采用路面3D智能攤鋪工法，減少隧道施工工人工作量，并提高工作效率。攤鋪機應(yīng)緩速起步以保持機身穩(wěn)定；在攤鋪過程中，為保證供料的連續(xù)性、攤鋪的均勻性、路面的平整性，應(yīng)嚴格控制攤鋪速度，一般為1 m/min左右。

4.4 碾壓

碾壓混凝土抗壓強度和抗彎拉強度的研究表明，關(guān)鍵影響指標是壓實度，在一定范圍內(nèi)隨著壓實度增大強度也會顯著增加。因此，在施工過程中，應(yīng)及時開展灌砂法對路面壓實度(不低于95%)進行監(jiān)測，從而保證路面的施工質(zhì)量。碾壓作業(yè)段長度受運距、環(huán)境、機械配置、攤鋪方法等多因素影響，為了按期保質(zhì)保量完成施工任務(wù)，作業(yè)段長度設(shè)置為30 m～50 m，避免因作業(yè)段長度過短導(dǎo)致壓路機頻繁掉頭換向，降低施工效率。壓路機機械配置為兩雙鋼輪一單鋼輪組合模式，其重量要求分別為雙鋼輪≥13 t，單鋼輪≥18 t。碾壓模式采用初壓(雙鋼輪靜壓2遍)+復(fù)壓(單鋼輪低頻高幅碾壓3遍，應(yīng)保證1/3-1/2鋼輪寬度的重疊量)+終壓(雙鋼輪靜壓2遍，消除褶皺裂紋和輪跡)。施工過程中應(yīng)準確控制最佳含水量以減少混凝土表面裂紋的產(chǎn)生，碾壓完畢后，面層不應(yīng)有可見微裂紋，呈光亮狀態(tài)。攤鋪及碾壓效果如圖1、圖2所示。

(a) 現(xiàn)場攤鋪照片

4.5 接縫施工

碾壓混凝土路面施工中斷后，為避免出現(xiàn)隱患及質(zhì)量問題，需在中斷處設(shè)置平順的施工縫。施工接縫施工時，應(yīng)在碾壓混凝土結(jié)硬后及時用鋸縫機全厚切除，受限時深度不小于80 mm，不合格段落混凝土，在攤鋪前清理好接縫并用水潤滑，同時噴灑水泥凈漿。

4.6 鋸縫

為解決碾壓混凝土因干縮變形和溫縮變形出現(xiàn)的裂縫斷板，需在碾壓混凝土完全凝結(jié)硬化前進行鋸縫施工以釋放這2種變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，而合理的鋸縫時間、鋸縫間距對鋸縫產(chǎn)生的效果有著重要的影響[16]。

4.6.1 合理鋸縫時間的確定

1) 經(jīng)驗法

通過調(diào)研相關(guān)技術(shù)規(guī)范，獲得普通混凝土經(jīng)驗鋸縫時間，如表3所示。

表3 普通混凝土經(jīng)驗鋸縫時間

由于碾壓混凝土的材料組成和普通混凝土有所區(qū)別，因此應(yīng)結(jié)合試鋸法進行鋸縫時間的現(xiàn)場試驗。

2) 試鋸法

對碾壓成型后的混凝土進行密切關(guān)注，根據(jù)經(jīng)驗以5 MPa混凝土強度為試驗強度，當強度到達這一強度時可進行試切。最佳鋸縫時間的判斷標準為不出現(xiàn)啃邊現(xiàn)象，碾壓混凝土鋸縫太早，鋸縫的位置容易啃邊，鋸縫太遲難度加大。

開展了2段試驗路：一段施工后不鋸縫，觀察自然裂縫情況；另一段施工后按設(shè)計好的不同溫度下的鋸縫時間鋸縫。通過結(jié)合經(jīng)驗法和試鋸法，碾壓混凝土鋸縫時間與氣溫的對應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 碾壓混凝土鋸縫時機與氣溫對應(yīng)關(guān)系

4.6.2 合理鋸縫間距的確定

碾壓混凝土的溫縮現(xiàn)象受到水泥用量減少的影響而減弱，因此縮縫間距可適當增加。為了得到適宜的縮縫間距，開展了2段試驗路：一段施工后不鋸縫，觀察自然裂縫情況；另一段施工后按設(shè)計好的間距(5 m、10 m、15 m、20 m)鋸縫。根據(jù)2段試驗段裂縫調(diào)查統(tǒng)計情況，為最大限度減少板破壞，增強板體性，碾壓混凝土橫向鋸縫間距選定為10 m，為便于灌縫，鋸縫寬度為1 cm，鋸縫深度約為板厚的三分之一。

4.7 養(yǎng)生

碾壓完畢后，應(yīng)及時覆蓋塑料薄膜養(yǎng)生，以防水分蒸發(fā)，根據(jù)天氣情況，1 d后可揭開養(yǎng)生薄膜，灑水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間一般需5 d～7 d，養(yǎng)生期間禁止車輛通行；碾壓混凝土不同于水泥穩(wěn)定層，水泥用量較多，在養(yǎng)護的前幾天還進行劇烈水化反應(yīng)，應(yīng)保證養(yǎng)生期間濕潤。

4.8 效果對比

4.8.1 施工效率對比

普通隧道路面混凝土施工分為調(diào)平層和道面2層?；炷潦┕み^程中，調(diào)平層與道面層能達到13 m/h，期間由于混凝土施工特性，2層混凝土中間間隔7 d才能進行下道工序，澆筑完道面混凝土后7 d車輛才能通行；且隧道路面混凝土施工需保證車輛通行，每次隧道道面混凝土只能進行半幅澆筑。

隧道碾壓混凝土可將調(diào)平混凝土與道面混凝土施工一次性全幅鋪筑碾壓成型。碾壓混凝土施工效率能達到33 m/h，鋪筑完成后3 d能保持車輛正常通行。

假設(shè)1 200 m隧道24 h作業(yè)，普通隧道路面混凝土全幅施工完到正常通車需要時間：(1 200/13+7×24+7×24)×2=856.6 h；隧道碾壓混凝土全幅施工完到正常通車時間：1 200/33+3×24=108.4 h。

4.8.2 經(jīng)濟效益對比

經(jīng)濟效益對比如表5所示。

表5 碾壓混凝土經(jīng)濟指標對比分析

根據(jù)表5中的合計費用，將C40、碾壓混凝土每t單價折算成每m3單價，分別為579元/m3、385.2元/m3。

4.8.3 施工質(zhì)量對比

養(yǎng)生結(jié)束后采用八輪平整度儀進行平整度檢測，標準差均值1.6 mm，隧道普通混凝土平整度2.2 mm，碾壓混凝土平整度提高了27%。碾壓混凝土不易離析，芯樣如圖3所示，級配顆粒排布合理，頂面浮漿較薄約0.4 cm，而普通混凝土由于流動性大，石子容易沉底，表面浮漿層厚度約0.8 cm～1 cm。

圖3 碾壓混凝土芯樣

5 結(jié)論

1) 根據(jù)正交配合比試驗方法確定碾壓混凝土配合比為：水泥用量宜控制在260 kg/m3、水灰比0.5、外加劑1.0%，其中水泥用量和水灰比對混凝土工作性影響顯著。

2) 碾壓混凝土現(xiàn)場施工工藝控制措施：對連續(xù)式強制拌和機改裝添加刮料裝置、防離析擋板；松鋪系數(shù)為1.35，松鋪厚度為35.1 cm，壓實厚度為26 cm，攤鋪速度1 m/min左右；碾壓模式采用為初壓(雙鋼輪靜壓2遍)+復(fù)壓(單鋼輪低頻高幅碾壓3遍，應(yīng)保證1/3-1/2鋼輪寬度的重疊量)+終壓(雙鋼輪靜壓2遍，消除褶皺裂紋和輪跡)。

3) 碾壓混凝土橫向縮縫施工鋸縫間距為10 m，鋸縫寬度為1 cm，鋸縫深度約為板厚的三分之一。

4) 碾壓混凝土較普通混凝土施工效率提高7～8倍，經(jīng)濟效益每m3可節(jié)約成本30%。