摘 要 混凝土的工作性是水泥路面滑模摊铺成败的关键,配合比设计要结合工程实际情况,掌
握工作性随时间、水灰比、外加剂掺量等因素的变化规律,以便施工时调整配合比。本文结合黄黄公路的应用实践论述了滑模摊铺混凝土的配合比设计方法。
关键词 滑模摊铺 混凝土 配合比
1 前言
与沥青路面相比,水泥路面具有使用寿命长,行车安全性好,维修养护周期长,应用资源广泛的
优点,特别适合于南方多雨地区。然而在我国已经建成的高速公路中,水泥路面所占的比例不高,其主要原因是水泥路面的舒适性不如沥青路面,也就是说水泥路面的动平整度不如沥青路面。目前国内部分高速公路中沥青路面平整度标准差已达到0.6 mm,而水泥路面则相差甚远。为提高水泥路面的平整度,我国曾进行过水泥路面轨道摊铺研究,但是未取得理想的成果,“八五”期间又进行了滑模摊铺课题研究并取得成功。利用滑模摊铺能将水泥路面平整度标准差提高到1.0 mm以内,可以预料滑模摊铺是水泥路面的重要发展方向。滑模摊铺必须克服塌边流角和蜂窝麻面的难关,其配合比设计是困扰工程技术人员的难题之一,也是滑模摊铺成败的关键。
2 滑模摊铺混凝土配合比设计要求
与普通混凝土配合比设计不同,滑模摊铺混凝土配合比设计首先要考虑工作性,其次是力学性能,再次是耐久性,最后才考虑经济性。
2.1 工作性
滑模摊铺机顺利施工的关键在于混凝土的工作性,它关系到滑模摊铺的成败,这也是滑模摊铺
混凝土异于普通混凝土的特殊要求。滑模摊铺混凝土不仅要有适宜的坍落度和和易性,保证滑模摊铺机能连续稳定地摊铺,混凝土能振捣密实,不出现蜂窝麻面现象;而且要有良好的粘聚性和稳定性,保证摊铺的路面易于成型,不出现塌边流角现象。
2.2 力学性能
弯拉强度是反映路面承载能力和使用寿命的一个重要指标,交通部颁《公路水泥混凝土路面设计规范》(jtj012-94)规定高速公路水泥混凝土路面弯拉强度不低于5 mpa。考虑到施工水平和材料变异的影响,试配弯拉强度应将理论强度乘以提高系数。
2.3 耐久性
路面耐久性主要是抗冻性和耐磨性。一般来说滑模摊铺混凝土含气量在3%左右,这对混凝土的抗冻性相当有利,掺入引气剂后可以改善抗冻性。配合比设计重点考虑耐磨性,根据国内外的研究成果,为保证路面有较好的耐磨性必须控制混凝土的水灰比、粉煤灰掺量、含气量和砂率,同时要保证混凝土有足够的抗压强度。
2.4 经济性
配合比设计的目的是在保证混凝土的工作性、力学性能和耐久性的条件下尽量节约成本。节约成本的有效方法是降低每方混凝土中的水泥用量,有以下三种途径:一是以粉煤灰代替部分水泥;二是掺入引气剂,降低砼容重;三是在满足摊铺机对骨料最大粒径要求的前提下,采用最佳的集料级配。
3 配合比设计方法
3.1 水灰比、水和水泥用量的确定水灰比是影响混凝土强度的主要因素,由于路面砼对抗弯拉强度要求高,因此配合比先按抗弯拉强度进行设计,然后进行抗压强度验算。为保证路面耐久性,减少路面开裂,我国规范规定路面砼水灰比不大于0.46,每方砼水泥用量不超过350 kg。考虑到施工水平和材料变异的影响,试配强度应以设计强度乘以提高系数,即:rh=c×ro,其中c= 1.0 ~ 1.5,为提高系数;ro和rh分别为设计强度和试配强度。水灰比按下式计算:
rh= - 1.009 7 + 0.345 8rs+
1.568 4 (c/w) (1)
然后按下式验算抗压强度:
rh1= 0.46rc(c/w - 0.52) (2)
其中:c/w——灰水比;
rc和rs——水泥胶砂28天抗压强度和抗弯
拉强度。
用水量按下式估算:
wo= 104.97 + 3.09ht+ 11.27(c/w) +
0.61sp(3)
其中:wo——用水量,一般控制在130 ~ 160
kg/ cm3的范围内;
ht——坍落度;
sp——砂率,%。
3.2 集料级配的确定和砂率的选择
滑模摊铺机对粗集料最大粒径有限制,一般不超过3 cm;为提高路面砼抗弯拉强度,最大粒径也不宜超过4 cm。故此对于滑模摊铺砼粗集料最大粒径以3 cm为宜。碎石加工时一般将按粗细筛分成几级,确定碎石级配的方法是将各级碎石按一定的比例混合在一起,使碎石堆积密度达到最大值。增加砂率有利于混凝土的工作性、路面构造深度和外观,但是砂率过大容易引起路面板塑性开裂、不耐磨,要达到规定的强度还必须增加水泥用量。因此砂率应根据砂的细度模数和集料最大粒径合理选择,路面砼用砂粒径以中粗为好,砂率以32%~38%为宜。
3.3 粉煤灰的使用
粉煤灰的某些固有性质使得粉煤灰混凝土具有以下几方面的优点:(1)代替部分水泥,降低成本;(2)有利于面板的抗弯拉强度;(3)改善混凝土的工作性,有利于面板的平整度和外观;(4)降低混凝土的泌水率,有利于混凝土的远距离运输;(5)延缓水泥水化速度,有利于防止路面板开裂。路面混凝土用粉煤灰不低于ii级灰标准,粉煤灰混凝土配合比根据《粉煤灰混凝土应用技术规范》(gbj146-90)规定的超量取代法计算,超量系数根据粉煤灰级别确定,i级灰取1.2,ii级灰取1.5。
3.4 外加剂的掺用
为防止路面塑性开裂,保证路面的耐久性,我国规范规定每方路面砼水泥用量不超过350 kg水灰比不大于0.46,而摊铺机适宜的集料最大粒径为30 mm,按此规定,要使新拌砼坍落度达到
20~80 mm,必须要用减水剂。根据国内外的研究成果,适量的含气量不仅有利于混凝土的工作性,而且有利于路面板的抗弯拉强度,为此还需掺入适量的引气剂。为延缓混凝土的初、终凝时间,保证摊铺时的坍落度,还必须掺入缓凝剂。实际施工时为方便外加剂的使用,要将三者复合成水剂。
4 施工配合比的调整
虽然各种摊铺机设计上存在差异,但对混凝土的坍落度要求一般都在0~5 cm之间。坍落度过大易塌边,过小则摊铺效率低,易出现蜂窝麻面,且不能保证平整度,适宜的坍落度范围在1~
3 cm之间。混凝土从拌合到摊铺过程中由于气温、风力和运距的影响,会出现坍落度损失,因此新拌混凝土必须考虑这种损失。在配合比设计时有必要找出水灰比—坍落度—时间的关系和外加剂掺量—坍落度—时间的关系,以便在施工过程中调整新拌混凝土的坍落度。
4.1 用水量的调整
理论配合比中的集料标准状态为饱和面干,施工时砂和碎石的含水量每天都在不断地变化,实际加水量应扣除砂石中的含水量。另外,混凝土在运输过程中水份也在发生变化,加水量也应根据当天的气温、风力、运距等因素进行调整。
4.2 外加剂掺量的调整
由于混凝土每天的运距都不同,气温和风力不一样,因此运输过程中的坍落度损失也不一样。
为保证混凝土摊铺时的坍落度,应根据外加剂掺量—坍落度—时间关系曲线调整外加剂掺量。
5 黄黄公路水泥路面的配合比设计
黄黄公路水泥路面设计抗弯拉强度为5mpa,抗压强度为35 mpa。主路面采用德国维特根公司生产的sp850型滑模摊铺机施工,该机要求的坍落度范围为0~35 mm。值得说明的是在部分欧洲国家,滑模摊铺混凝土砂率大(一般在38%以上),粗骨料最大粒径小(为20 mm),因而即使是零坍落度滑模摊铺机也能施工。在我国,砂率小、骨料最大粒径大,零坍落度对sp850摊铺
机是不合适的。实际上为保证摊铺效率及不出现塌边流角现象,sp850摊铺机理想的坍落度范围是10~30 mm。黄黄公路所用黄砂细度模数为2.8,碎石为10~30 mm和5~10 mm两种级配,经过试验,两者比例为78∶22时级配最佳。粉煤灰ii级灰,采用fdn-r带缓凝引气作用的复合减水剂。经过大量的配合比试验,优选出理论配合比(见表1),28天抗折抗压强度分别为6.1 mpa和45.5 mpa;同时找出了水灰比—坍落度—时间的关系(见图1)和外加剂掺量—坍落度—时间的关系(见图2)。
表1 混凝土理论配合比
说明:外加剂为固体重量;碎石中5~10 mm和10~30 mm两种级配碎石重量比为22∶78。施工配合比根据图1、图2进行调整,使混凝土摊铺时的坍落度达到理想的范围。黄黄公路路面摊铺经历了0~42℃温度变化,最大运距35km,没有出现因配合比不适当引起停机或工程质量问题。混凝土现场留样平均弯拉强度5.9 mpa,标准差0.28 mpa;路面取芯平均抗压强度44.0
mpa;zcd-95平整度测试车检测路面平均国际平整度指数iri=1.78m/km,标准差0.38m/km,达到国内领先水平。施工和检测数据说明滑模摊铺混凝土配合比设计是成功的。
图1 水灰比—坍落度—时间关系曲线
图2 外加剂掺量—坍落度—时间关系曲线 |
