摘 要:弯拉强度是水泥混凝土路面的关键质量指标之一,直接关系到路面的使用功能和寿命。本文拟通过分析水泥混凝土路面弯拉强度的主要影响因素,结合国省道改建工程的特点,提出了使用大型滑模摊铺机施工时应采取的控制措施。
关键词:公路;施工;水泥混凝土路面;弯拉强度
水泥混凝土路面具有较高的抗压强度、弯拉强度和抗磨耗能力,较好的水稳性、热稳性和耐久性,较低的养护费用等优点,是我国高等级公路路面结构的主要类型。随着滑模摊铺机为主导铺筑设备的水泥混凝土路面机械化施工的逐步普及和施工技术的日臻成熟,使水泥混凝土路面无论在施工质量、施工速度和总体效益上,都得到较大的提高,近年来发展迅速。为使路面能够经受车轮荷载的多次重复作用、抵抗温度翘曲应力、并对地基变形有较强的适应能
力,混凝土板必须具有足够的弯拉强度,因此弯拉强度是水泥混凝土路面的三大关键质量控制指标之一。相比高速公路,国省道改建项目影响因素较多,更容易使水泥混凝土路面质量产生波动。本文将以某国道改建项目为例,通过对水泥混凝土弯拉强度的影响因素进行分析,提出相应的施工控制措施。
1 概况
某国道改建项目路基宽度17 m,双向4车道,采用水泥混凝土路面结构型式。面层35号混凝土,设计弯拉强度5.0 mpa,厚度26 cm。设计配合比(重量比)为水泥∶中砂∶大碎石∶小碎石∶水∶外加剂=1∶1.73∶2.34∶1.01∶0.44∶0.015,强度保证率系数1.15,配制弯拉强度5.75 mpa,坍落度5.0 cm,砂率34%,水灰比0.44。施工时采用装载机配料,水泥混凝土搅拌楼集中拌料,自卸汽车运输,挖掘机布料,水泥混凝土滑模摊铺机摊铺(每次摊铺半幅2车道),成型后喷洒养生剂,切缝后覆盖薄膜养护。施工过程中采用标准小梁法和钻芯劈裂法对水泥混凝
土面层弯拉强度进行抽检,结果见表1。从表1统计数据可以看出,采用钻芯劈裂法的混凝土弯拉强度平均值小于标准小梁法的平均值,另外实测统计变异系数cv也明显偏大,说明施工过程混凝土总体强度损失较多,施工控制水平和路面质量的均匀性相对较低。通过对施工日记、试验资料、材料来源等进行检查分析,以及对混凝土拌合物的拌和、运输、浇筑、振捣和切缝、养护等各道工序进行分析研究后,认为水泥混凝土弯拉强度损失是由多方面综合因素造成的。
2 水泥泥凝土弯拉强度的主要影响因素
2.1 原材料质量不稳定的影响
在各种原材料中,水泥的质量对混凝土强度的影响最大。施工高峰期正值市场水泥供应紧张,难以保证水泥的化学成份、物理性能、力学指标和总体质量的稳定性,试验数据也显示个别批量的水泥富余强度不大;另外供应紧张也导致部分水泥的冷却时间不足,温度过高容易引起温差裂缝。沿线的砂、石等材料虽储量丰富,但通过试验,适合用于路面混凝土的却不多。由于碎石的生产工艺较落后加之雨天生产等原因,造成碎石针片状含
表1 水泥混凝土弯拉强度抽检对照
量和含粉量较多,减弱了碎石与水泥砂浆的粘结力。砂的来源复杂,供砂料场较多,砂的细度模数、级配及含水率不稳定,造成砂总体质量不稳定。碎石、砂等材料质量的不稳定,使混凝土的施工配合比难以控制。为增大混凝土拌合物的和易性和粘聚性,减少离析和泌水现象,满足混凝土的弯拉强度和滑模施工的需要,使用了缓凝泵送减水剂,经检测其技术性能指标均能符合设计和技术规范要求。但是由于实际工程的混凝土所采用的原材料和配合比与检验减水率时的基准配合比有差别,从而达不到设计基准试验的减水效果,使混凝土拌合物的和易性和粘聚性降低,从而影响混凝土的整体强度。
2.2 水泥混凝土配合比的影响
普通水泥混凝土路面的配合比设计应满足弯拉强度、工作性和耐久性的要求。实际施工配合比应根据施工时的实际情况对设计配合比进行及时调整。如骨料含水量变化时须对用水量进行调整,否则将改变混凝土的水灰比,从而影响混凝土混合料的强度、和易性和混凝土收缩。另外,骨料含水量检测也存在一定误差,虽然搅拌楼配备有计算机自动称料和砂含水量自动反馈控制系统,但不同时期粗细骨料的级配肯定存在一定的差异,且含水量较大的湿砂时常包裹检测探头而引起测量偏差,这些都将影响混凝土施工配合比,从而影响混凝土的弯拉强度。
2.3 施工工艺的影响
2.3.1 混合料拌和的影响
运抵摊铺现场的混凝土拌和物质量的波动,将直接引起混凝土弯拉强度的波动。混凝土拌和物的质量,除了与组成混合料的材料质量有直接关系外,还与混合料的拌和工艺有密切联系。如用料的精确度、每盘拌和时间和拌和物的温度等将影响混凝土拌和物的质量。
2.3.2 摊铺工艺的影响
从芯样外观来看,个别混凝土内部小气孔较多,不够密实,可能与摊铺过程的控制水平有关。如螺旋摊铺器前的混凝土拌和物布料过高,摊铺机的行驶速度过快或过慢,摊铺机振捣频率不均匀,都能导致振捣不密实和气泡排放不充分,从而影响混凝土强度。
2.3.3 机械设备的影响
施工机械方面的影响因素很多,常见的有:装载机配料难以保证原材料级配的稳定性;运输时自卸汽车挡板关闭不严密造成漏浆;挖掘机布料不均匀;滑模摊铺机摊铺速度或振捣频率不均等。另外,搅拌站、运输车辆、滑模摊铺机以及其它的机械设备配套不合理也必然影响混凝土的弯拉强度。
2.3.4 养护不到位的影响
混凝土面层摊铺后养护不及时,养护期内跟踪管理不到位,都可能对强度造成影响。如人工喷洒养生剂不均匀,薄膜未贴紧混凝土表面或薄膜覆盖不及时,薄膜损坏后没有及时补充覆盖等。
2.3.5 施工气温的影响
冬季施工,夜间气温低,日夜温差大,造成混凝土早期强度形成慢,等待切逢时间过长,导致薄膜覆盖后养生保温不及时,影响了混凝土强度的增长。
2.4 国省道改建工程的影响
2.4.1 边施工边通车的影响
与高速公路路面施工的最大区别是:国省道改建工程不得中断交通,必须保证来往车辆的正常行驶,这将严重影响路面的正常施工,影响路面的施工进度和施工质量,故确保交通畅通是施工组织的重点和难点之一。该路段运输车辆较多,且多为超载超限货车。为了维持通车,路面施工只能分2个半幅进行,即半幅施工、半幅通车,而过往超载重车为了行车安全,通常采用洒水来冷却刹车器,更加剧了通车路基的坑槽。路况较差,致使混凝土拌和物在运输中产生颠簸密实,摊铺前就存在离析或泌水现象,以致砂浆流失,从而降低了混凝土的强度。芯样强度的统计数据也表明混凝土弯拉强度与运距有直接关系,如遇塞车则影响更大。
2.4.2 设计标准较低的影响
该国道改建工程为山岭重丘区二级公路标准,设计时速40 km/h,每侧路肩宽度仅0.75 m,设计标准较低。路线平、纵线形较差,弯多坡陡,连续弯道及反向弯道较多,超高横坡度大,这些都大大增加了滑模摊铺机连续作业、均衡施工的难度。另外,路肩较窄限制了滑模摊铺机的工作宽度,增加了施工难度。
2.5 质量管理不到位的影响
施工过程对路面质量管理的手段不够科学;缺乏对施工过程的动态检测、控制和管理,缺乏对试验资料的系统整理、科学分析和总结提高。
3 施工控制措施
3.1 严把原材料质量关
合格的原材料是保证混凝土质量的必要条件,原材料质量的波动,将直接引起混凝土弯拉强度的波动。因此,必须采取措施保证原材料的质量和料源的稳定,禁止使用不合格的材料。对每一批次的水泥,都应经过试验鉴定后才能使用,禁止使用安定性较差的水泥。各级骨料应分开堆放,防止混杂和二次污染;清除现有针片状较多、含粉量较高的面层碎石;改进碎石加工工艺,减少风化石、针片状碎石及石粉的含量,碎石的压碎指标和针片状含量一定要小于15%,含泥量小于1%;同一配合比用砂的细度模数变化范围不应超过0.3,砂的含泥量一定要小于2%;加大对砂石材料的抽检频率,发现问题及时解决;加紧备料,砂石储量必须满足正常施工10 d以上,以保证质量稳定;保持骨料的良好级配,以保证混凝土的施工和易性和各组成间的嵌锁质量。
3.2 严格控制混凝土配合比
控制混凝土配合比的关键是根据实际情况调整施工配合比和准确配料。对混凝土搅拌楼再次进行标定,确保拌和计量精确,保证混凝土拌和物的原材料用量精度。各种材料的配料精确度对水泥为±1%,砂为土±2%,碎石为±2%,水为土±1%,外加剂为±1%。每天施工完毕后应打印当天材料用量清单,及时核对。由于砂石料堆内外含水量不同和材料的清洁度存在差异,甚至当天气温变化引起的水份蒸发也导致集料含水量不同,因此必须根据实际情况及时调整施工配合比。调整的原则是保持水灰比和水泥用量不变。骨料含水量的变化,对混凝土的水灰比响很大,水灰比增大时,强度相应降低,因此必须经常测定骨料的含水率,特别是气候气温变化较大时,应增加检验次数,并调整各材料用量。必须按施工季节、气温和运距的不同对外加剂掺量进行微调,但不允许有大调整。
3.3 施工工艺的控制
混凝土的最佳拌和时间要根据机械性能准确掌握,结合拌合物的工作性能要求综合确定。一般情况下,采用行星立轴和双卧轴式搅拌机总拌和时间为60~90 s,最短纯拌和时间不宜短于35 s,以保证混凝土拌合物有足够的均质性、粘聚性和内聚力。最长总拌和时间不应超过高限值的2倍,以保证搅拌楼产量。混凝土路面施工开盘前,必须仔细检查各类机械设备的性能,确保状态良好,全部就位,严禁故障机具施工。要定期保养,以保证机械设备的正常运转。做好整个系统机械设备的配套,保证配料、拌和、运输、摊铺作业面等各个环节协调配合,确保施工作业的连续。混凝土运输过程中应防止漏浆、漏料和污染路面,车辆应减少颠簸,防止拌合物离析。自载车厢增加遮盖,以减少运输过程水分流失和拌合物离析。汽车总运力应比总拌和能力略有富余,确保新拌混凝土在规定时间内运抵现场,并具有适宜摊铺的工作性。禁止摊铺已初凝的混凝土拌合物。滑模摊铺机前的布料应尽量均匀,不得缺料,松铺高度应合理。控制合理的摊铺速度是确保混凝土摊铺质量的关键。操作滑模摊铺机应缓慢、匀速、连续不间断地作业。摊铺速度应根据拌合物稠度、供料情况和设备性能综合决定,摊铺速率宜控制在0.8~1.0 m/min左右。正常摊铺时,振捣频率宜控制在9 000转/min左右。混凝土振捣应均匀密实,防止过振或漏振。拌合物稠度发生变化时,应先调整振捣频率,后改变摊铺速度。摊铺过程应经常检查振捣棒的工作情况和位置。摊铺后的混凝土表面应无麻面,板侧垂直光洁,无塌边和露石。如少量麻面、气泡、边角坍陷等,应及时人工修整。为减少设计标准较低对施工质量造成的影响,必须建立测量基准系统,严格控制路面施工段的水准测量和中线测量。导线桩的设置间距直线段一般为10 m,在变坡和弯道段应加密至5 m。超高横坡度较大时,弯道外侧布料应略高于内侧。平曲线半径较小或纵坡较大时,摊铺速率一般不大于0.8m/min。混凝土摊铺作业完成后,即应开始养生并进行防护。加强养护管理,派专人负责,确保养生到位。改进养护措施,在切缝后增喷1遍养生剂,并洒水养护再覆盖薄膜。要掌握切缝的时机和确保切缝的深
度。根据季节变化的特点,应采取不同的措施,确保低温、雨季或高温的养生效果。低温季节施工,应随时检测气温、水泥、拌和水、砂石料和混凝土拌合物的温度,每工班至少测定3次。当施工现场气温低于0℃,或混凝土拌合物摊铺温度低于5℃时,应停止混凝土面板的施工。混凝土拌合物的运输、摊铺、振捣、表面修整等工序,必须紧密衔接,缩短工序间隔时间。
3.4 确保交通畅通的措施
为了保证路面施工的正常进行和工程质量,必须采取措施确保交通畅通和施工安全,做到文明施工。施工点应按规定设置足够的交通标志,安排专人指挥交通,配备足够的安全设施;夜间施工应配备足够的灯光照明和警示标志;机械停放处周围必须设置明显的安全标志,夜间设置警示灯。成立养护小组,每天上路巡查,用石屑填补路基坑槽,及时清除路障,保持道路整洁。雨天做好临时排水措施,旱季要洒水降尘。上路作业人员必须穿戴安全服。加大宣传力度,将附近交通示意图印制成小卡片发给过往司机,引导车辆分流;请交通主管部门协助解决超载超限货车问题,以减少交通压力。应控制交通车辆,避免在混凝土强度不足的条件下,过早开放交通。
3.5 实行施工质量动态管理
混凝土实测弯拉强度统计变异系数cv是用来评价混凝土质量均匀性的一种指标,直接体现了施工过程的控制水平。为了及时掌握并分析混凝土质量的变化情况,必须在施工过程中实行质量动态管理措施,发现问题及时处理。利用计算机建立工程质量数据库,随时将各种检测指标输入数据库,分阶段计算出弯拉强度的平均值、均方差及变异系数,并结合原材料、坍落度、水灰比等其他检测数据,整理分析。为了直观了解混凝土弯拉强度的波动情况,一般采用混凝土弯拉强度动态控制图。图中横坐标表示试验编号,纵坐标表示弯拉强度测定值,平均弯拉强度作为中心线(期望值),并标出相应的质控上限和质控下限(表示允许的施工正常波动范围),将连续测得的弯拉强度依次点人绘制成图。图1为混凝土弯拉强度动态控制示意图从混凝土弯拉强度动态控制图可推断施工情况是否正常。在正常情况下,弯拉强度测定值是处于质控上、下限之间,并在中心线附近波动的。当有超出质控上、下限范围时,应视为施工异常或试验数据异常。也可将质控上、下限作为自己强度管理目标的控制范围,当超出此范围时,即施工水平下降,应立即查明原因,研究解决。为了使小梁法和钻芯劈裂法的混凝土弯拉强度试验结果较为接近,可增加模拟现场混凝土弯拉强度的形成过程制作试件,在现场取样现场养护,通过试验得出标准小梁法、现场小梁法和钻芯劈裂法3者强度的关系,以便更好地控制路面混凝土的质量。另外也可制定7 d或14 d的混凝土弯拉强度要求,将路面质量控制关口前移,及时发现问题,及时处理。
4 结论
通过采取以上的施工控制措施,抽检结果显示水泥混凝土的弯拉强度和稳定性均得到一定的提高,同时显示现场小梁法与钻芯劈裂法试验结果较为接近。对比结果见表2。
表2 水泥混凝土弯拉强度抽检结果
影响水泥混凝土路面弯拉强度的因素很多,从材料的选择、配合比的设计到施工组织和工艺控制,从施工机械的选择和配套到养护方法选择,从公路设计等级到施工现场的交通维持,从拌和、运输、浇筑、振捣到切缝等工序方面,都可能对弯拉强度造成严重影响。为确保水泥混凝土路面的弯拉强度和总体质量,必须对症下药,严把原材料质量关、严格控制水泥混凝土施工配合比、改进施工工艺、完善施工组织、确保交通畅通和实行质量动态管理;必须采用
先进的施工设备、先进的施工方法和科学的管理手段,精心组织施工,不断总结,不断提高。
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