摘要:滑模摊铺水泥混凝土路面技术是20世纪60~70年代在发达国家逐渐发展形成的水泥混凝土路面施工的智能化、现代化和快速机械化的高新技术。我们在黄黄公路的路面施工中进行了成功的实践,本文总结了在黄黄公路路面施工时,设备的选型配套、材料选择、配合比设计、施工管理及工艺要点等。
关键词:滑模摊铺;选型配套;工艺要点;施工技术
1 概述
黄黄公路是国家规划“两纵两横”中沪蓉国道主干线的组成部分,它北起黄石大桥北岸,东连安徽省的界子墩,全长约110 km,其中有78 km的水泥混凝土路面,主要技术标准为全封闭、全立交、四车道、路基宽度24.5 m(黄梅东段19 km为26.5 m)、设计行车速度为100 km/h、路面设计厚度24 cm、抗折强度5 MPa。水泥路面的施工方式经过了人工加小型机具、轨道式摊铺列车到滑模摊铺三个发展阶段。滑模摊铺水泥混凝土路面技术是20世纪60~70年代在发达国家逐渐发展形成的水泥混凝土路面施工的智能化、现代化和快速机械化的高新技术,根据不同的配置,可以完成不同结构形式水泥混凝土路面。为确保黄黄公路工程进度和提高路面的施工质量,省指挥部通过广泛调研后,决定路面施工抛弃传统的小标段人工与小型机具相结合的施工方式,采用先进大型滑模机械化施工的方式。通过广大建设者的共同努力,78 km水泥混凝土路面仅用5个月的时间就完成了任务,其中省指挥部投资的一套设备共承担了50 km的施工任务,通过检测,路面平整度δ=0.85~1.0,IRI=1.42~1.67,抗折强度Rz=5.5~7.0 MPa,抗压强度(岩芯)R=35~60 MPa,平均板厚全部合格。最高施工记录达1 600 m/d,在规模、质量、速度上都达到了国内的最好记录。
2 水泥混凝土路面滑模施工机械的选型配套
水泥混凝土路面滑模施工的主导设备是滑模摊铺机组、水泥混凝土搅拌站。主导设备的选择对整个机械化施工的机械配套是至关重要的。
2.1 滑模摊铺机的选择
滑模摊铺机选择在满足最大宽度、最大厚度和最大摊铺速度的情况下,还要综合考虑机器的结构形式、技术档次和有关功能。
(1)目前国际上的滑模摊铺机制造厂家主要在欧美国家,其中德国Wirtgen、美国CMI、G&Z、GOMACO这四个厂家的设备技术水平较为领先。由于滑模摊铺机是很关键的主导设备,在设备选型时应优先选择技术水平较为领先的产品,提高成套设备的可靠性。我们选用了两台德国维特根的SP850的滑模摊铺机。
(2)主车道、超车道加两侧路缘带的一般宽度为8.5 m,为减少中间的接缝和相邻板块的处理,高速公路一般要求两个车道进行一次摊铺,因此,摊铺机的最大摊铺宽度要大于8.5 m。在黄黄公路路面摊铺中,为了保证桥面的连续摊铺,左侧路缘带的50 cm在路缘石安装完后,用人工浇注。通过实践和其他省份的经验,滑模摊铺机的工作速度在2 m左右较为合适,路面的厚度25 cm左右,因此一般选择最大宽度9 m的摊铺机就可满足工程的要求。
(3)摊铺机按成型工艺流程分为两种形式,一是螺旋布料器放在振捣棒前面,按布料、振捣、成型的工艺流程进行;一是螺旋布料器放在振捣棒之后,工艺流程为振捣、布料、成型。如果选择单机作业,一定要选用第一种结构形式;选择第二种结构形式,必须配专门的布料机进行联合施工,因为这种摊铺机自带螺旋只起精平的作用,没有布料机布料难以保证路面的施工质量,如GOMACO的SP2500型摊铺机。
(4)摊铺机有二履带、三履带、四履带三种机型。二履带、四履带主要用于路面工程的摊铺;三履带的摊铺机主要用于防撞墙、硬路肩等摊铺。摊铺较窄的路肩,也可用四履带的摊铺机,把工作装置外悬作外侧摊铺,可以减少对路基边缘承载力的影响,这个方式我们在黄黄路面施工中已获得了成功。摊铺路面时,因为四履带的摊铺机具有二次找平的功能,比两履带的摊铺机具有更好的牵引性能,路面基层平整度对路面平整度的影响四履带比两履带要小1/2以上,一般应选择四履带的摊铺机。
(5)其他工作装置的选择,对于一次摊铺双车道以上的机型,一般应配置中间拉力杆打入器、侧向拉力杆打入器;对于6m以下的机型,一般只须配侧向拉力杆打入器。中间拉力杆打入器有前置式和后置式两种,从使用效果看,后置式的效果较好。纵向传力杆一般采用预埋方式,但随着重载路面的出现,有的路面设计采用了每个板块之间都设置中间传力杆、这种路面的施工最好选配DBI纵向传力杆打入器,这种方式埋置的传力杆效果较好,施工的效率高。
2.2 水泥混凝土搅拌站的选择
对于水泥混凝土搅拌站的选择一是要满足混凝土的供应量;二是要满足混凝土的质量。
(1)采用滑模施工工艺对混凝土供应量的要求非常大。混凝土供应量可用下式进行计算
Q=BHV/C
式中:Q—搅拌站的生产能力,m3;
B—摊铺宽度,m;
H—摊铺厚度,m;
V—摊铺速度,m/h;
C—搅拌站的利用率,按0.75~0.85取,对于进口搅拌站可取上限,国产搅拌站一般取下限。通过计算可以得到,当H=24 cm,V=2 m/min左右,B=8~8.5 m时,搅拌站的总生产能力需要250~350 m3/h左右。
(2)搅拌站的数量
搅拌站的台数以2~3台较为合适,其理由一是可以提高施工的可靠性,当一台机子有问题时,另一台还可以供料;二是场地占用少,管理容易;三是100~120 m3左右的机型较为普通、成熟;四是用产量小而台数多的机群来满足总产量,可能会使混凝土质量不稳定。目前搅拌站的产量国产较为普通的机型在50m3左右,进口或合资生产的机型在100~120 m3较多。选用进口搅拌站时,可以选用两台120 m3的,有条件的选用三台100m3的;选用国产机型时就得选用4~6台50 m3。
(3)对于路面用的干硬性混凝土,必须使用强制式搅拌机,所有的原材料都应能自动计量,精度要高,目前流行的是减量秤计量的方式。粉料罐的配备数量要足够。
(4)为克服国产搅拌机的不足,在黄黄公路施工中,我们与生产厂家、科研单位合作,总结了国内外的经验和教训,研制成功了100 m3和150 m3的连续式混凝土搅拌站,属于强制式搅拌站,搅拌质量好,经建设部建机检测中心检测,混凝土的匀质性、稳定性都较间歇式好,故障率和使用成本低。通过现场调试,基本达到无弃料,是今后发展大型混凝土搅拌站的一个方向。
2.3 运输车辆的选择
(1)混凝土路面滑模施工要求使用坍落度小的干硬性混凝土(维特根要求2~3 cm,美国的其他机型要求3~5 cm),使用混凝土搅拌运输车存在进出料困难、容易粘壁的问题,一般在路面滑模施工中使用自卸车运料。由于小型的自卸车卸料困难,加之混凝土的运输量又很大,而用特大型的自卸车运输所卸的料堆太大、不利于施工,摊铺路面时最好采用15~20 t左右的自卸车。要求自卸车的车斗要平整光滑、后门关闭紧密不漏浆。每次装料后车厢要进行清洗,每天收班后,车厢要进行清洁,车斗要平整光滑。
(2)混凝土运输车的配置,要从保证连续施工的角度,配备足够的车辆,在生产能力方面要符合:运输能力>搅拌能力>摊铺能力。运输车的数量可用下式进行估算
N= (2S/V+T)C
式中:S—搅拌站到摊铺现场的距离,km;
V—运输车的平均速度,km/h;
T—车辆装料卸料时间,h;
C—搅拌机的配备产量(m3/h)与运输车辆单台运力(m3)之比。
一般情况下,可按表1配置运输车
运输车辆按实际需要配,此外钢筋加工设备、小型机具、洒水车、测量仪器、试验仪器、移动式发电机组等按实际需要配备,配备时需要注意有一个合理的富余量。
3 水泥混凝土路面滑模机械化施工及工艺要点
水泥混凝土路面滑模机械化施工工艺是把质量合格的混凝土通过滑模摊铺机完成布料、振捣、成型、传力杆件的埋置、抹平等工序,加上拉毛养生、锯缝等辅助工序的工艺。在黄黄公路的施工中,我们在施工工艺方面进行了探索。
(1)在机械化施工组织中,一定要打破小生产的组织方式,将大工业化流水作业的思想贯穿于整个施工作业过程,水泥混凝土路面的施工,时效性很强,任何一个小的环节出问题,都会导致全面停工而造成损失。
(2)混凝土的原材料及配合比除遵循一般的混凝土的要求外,滑模混凝土还应具有良好的和易性、流动性及足够的粘聚性,良好的触变性,还应具有较好的保塌性能。在实际施工中,混凝土工作性能主要用坍落度来控制。配合比设计要视机型定,混凝土的初凝时间控制在2~2.5 h较为合适,其他性能主要在试验室完成,水灰比控制在0.42以内,总灰量不能高于400 kg,否则容易产生表面的不规则裂纹;混凝土含气量在3%左右,必须使用减水、引气、缓凝作用的复合高效外加剂,质量要达到一等品以上;7天抗折强度≥5.5 MPa。为保证混凝土达到以上要求,我们在原材料方面进行了严格的控制,粗集料的最大粒径≤30 mm;路面用集料的针片状含量≤15%,实际达到7%左右,为此专门购置了三套反击式联合碎石设备,以解决针片状的问题;砂采用细度模数2.6~3.0的中粗砂;水泥全部使用华新水泥厂的525#普通硅酸盐水泥,其抗折强度8~9MPa,碱含量≤0.6%,游离氧化钙、氧化镁含量≤1.5%;粉煤灰采用Ⅱ级以上的磨细粉煤灰,掺量控制在15%以内。
(3)在南方进行滑模施工,由于桥涵构造物较多,必须实现桥面连续摊铺,才能提高整体的路面质量。施工中应注意:一是事先固定好钢筋网,位置要准确,不要放偏或超宽,固定要牢固;二是事先在桥头作供履带行走斜坡构造,最好用混凝土,使用土或石料容易造成履带打滑;三是方便、快捷地将桥面混凝土送到要摊铺的桥面上。我们使用过布料机的侧向喂料、挖掘机和料斗联合喂料、搭施工便桥、吊车和料斗联合供料四种方式。通过实践,第一种的效果和效率都最好;第二种的效果好但效率较低;第三种的效率高但效果不好,经常会破坏预设的钢筋网;第四种方式不可行。喂料要适当,过低容易缺料,过高容易产生过大的阻力,使摊铺机打滑,影响摊铺质量,应优先采用第一、二种的供料方式。桥面标高要严格控制,摊铺前要进行测量,桥面超高时要提前进行处理,保证桥面铺装的厚度。桥面混凝土粗集料的最大粒径≤1/3桥面的厚度。
(4)路面摊铺操作时要注意匀速,一般应保持2 m/h左右的速度,尽量减少停机。卸料要均匀,要适当调整振捣棒的振捣频率,保证振捣密实和防止过振;要防止缺料和料堆过高及液化框内液面过高或过低。
(5)由于滑模施工的进度较快,路面养生用草袋或砂湿水、围堰保水等传统方式难以满足要求。单纯使用养生剂,不能保证养生效果,我们采用了喷洒养生剂同时覆盖塑料薄膜的方式进行养生,效果很好。薄膜厚度5μm,使用后不回收,成本大约只有8分/m2,也比较经济。养生剂最好选用水玻璃和聚丙烯类的复合养生剂。由于石蜡基的养生剂对施工的要求过高,保水效果不好,不宜采用。早期的温缩裂缝是滑模混凝土路面的常见病害,如果散装水泥的温度过高,新拌混凝土的温度在夏季可达到40℃,加之水化热的影响,更容易造成早期的温缩裂缝,我们采用养生剂喷完后马上覆盖较厚的薄膜的办法,避免了因阳光辐射和风导致面层水分蒸发,有效地解决了早期裂缝的问题,这种方法简单易行,值得推广。从实践来看,水泥温度最好控制在60℃以内,新拌混凝土温度最好控制在35℃左右。
(6)路面的锯缝时间一般控制在10~12 h左右,但随着环境温度和配合比的变化,时间将会有先后,要随时根据强度变化,及时据缝,防止断板。混凝土的用水量要根据新拌混凝土的质量进行现场微调,在季节变化和环境温度变化较大时,要适当调整混凝土的配合比,尤其是外掺剂的有效含量。
(7)水泥混凝土路面滑模施工材料和设备要准备充分,处理问题要当机立断,要建立一套完善的指挥体系。
4 结语
机械化施工技术是涉及机械、工程、材料、管理等科学的一门边缘学科,在机械化施工组织时要注意相互间的有机结合。我们在黄黄公路的路面施工中,从设备的选型配套、材料的选择、配合比的设计、施工的监督管理都贯彻了机械化施工组织的思想。黄黄公路的水泥混凝土路面滑模施工较为成功与之是分不开的。虽然黄黄公路的水泥混凝土路面的总体施工质量较好,但在路面的平整度和耐磨性方面都值得进一步提高。
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