机制砂水泥混凝土路面在广西二级公路中的应用

杨大田，陈富强

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2.广西壮族自治区公路管理局，广西 南宁 530001)

0 引 言

天然砂在广西部分地区已经出现短缺状况，为了铺筑水泥混凝土路面，往往需要到外地购买。长途运输不仅增加运输费用，而且增大能耗，不符合生态、和谐、环保和可持续的科学发展理念[1-2]。

为了充分利用当地资源，基于就地取材原则，在广西部分地区采用石灰石机制砂修筑水泥混凝土路面。石灰石机制砂主要由碳酸钙组成的石灰石按一定工艺生产而成的，由于其成分不含二氧化硅，因此较少应用在实际水泥混凝土路面中。

本次研究基于石灰石机制砂水泥混凝土应用于广西宾阳(思陇)经武鸣至隆安(那桐)公路。该公路为二级公路，路面结构总厚度为76 cm，结构为:26 cm水泥混凝土路面、沥青透层油(或2～3 mm稀浆封层)、20 cm水泥稳定碎石基层和15 cm级配碎石底基层、15 cm碎石垫层、路基压实。本次试验路段位于K32+260～K32+380,坡度为3%，属行车上坡段。

1 现场原材料与试验

1.1 集料筛分

粗集料采用干筛，细集料采用水洗法，筛分结果见表1[3]。

表1 试验路用粗、细集料筛分试验结果

将机制砂经水洗法筛分，发现小于0.075 mm的矿粉含量为17.9%。

1.2 粗集料物理力学性质

粗集料物理力学性质试验结果如表2所示。

表2 粗集料物理力学特性

1.3 机制砂物理力学

机制砂物理力学试验结果如表3所示。

表3 机制砂物理力学性能

2 矿料合成级配及水泥用量优化

根据表1筛分结果，利用Tatantuta分级筛余曲线[4-6]优化矿料合成级配，结果见图1。

图1 Tatantuta曲线

按照10～25 mm粗集料、5～10 mm粗集料和机制砂的质量的比例为42∶22∶36，分别称取其质量分别为5.92、3.10、5.07 kg并拌合均匀，分3次装入桶中，每层捣实25次，测取捣实堆积空隙率为22.7%。

按12.5倍捣实堆积空隙率的水泥净浆体积，计算水泥用量和用水量[7-8]。根据单位体积水泥用量，结合表1中筛孔尺寸9.5 mm的通过率(得到累计筛余率)和筛孔尺寸2.36 mm的通过率(计算累计筛余率)，计算合成混合集料加上水泥后的工作性指数CF，以及合成混合集料的粗细指数WF[9]。

式中：Q为筛孔尺寸为9.5 mm的累计筛余率(%)；R为筛孔尺寸为2.36 mm的累计筛余率(%)；P2.36为筛孔尺寸为2.36 mm的质量通过率(%)。

集料粗细指数代表粗集料(9.5 mm以上)与中间集料(2.36 mm以上)的比值；工作性指数代表细集料(砂)和水泥与粗集料与中间集料间的比值，计算结果见图2。

图2 试验路新拌机制砂混凝土工作性(Shilstone 图)

从图2可以看出，水泥用量和集料组成的比例工作指数和粗细指数均满足技术要求[5,9]，即CF为65.2，WF为34.1。

3 新拌机制砂水泥混凝土工作性

厂家推荐的聚羧酸高效减水剂掺量为1.0%，据此进行试拌(人工拌合)。

3.1 测试坍落度

坍落度试验结果见图3。从图3可以看出，塌落度为25 mm，满足相关规范[10]要求，黏聚性和保水性都较好。

3.2 盒子试验

图3 试验路新机制砂混凝土坍落度试验

盒子试验[11]主要有2个目的，一是观察振实混凝土试样侧面空隙率是否小于10%；二是在灰刀抹平试验中观察试样表面是否有水泥浆上浮，检验其可饰性。

把新拌的机制砂水泥混凝土装入一个盒子并捣实，称取其质量，计算捣实后的新拌机制砂水泥混凝土密度，再把捣实后机制砂水泥混凝土倒出，观察试样侧面情况，如图4所示。

图4 试验路新机制砂混凝土盒子试验

从图4可以看出，试样表面砂浆饱满，可饰性好，表面孔洞较少，因此水泥净浆体积为284 L是合适的。新拌机制砂水泥混凝土捣实密度为2 452.8 kg·m-3。机制砂水泥混凝土施工配合比见表4。

表4 试验路施工配合比(无水) kg

考虑到碎石和机制砂含水率，得到现场机制砂水泥混凝土实际配合比，见表5。

表5 试验路施工配合比(考虑集料含水) kg

4 机制砂水泥混凝土施工

4.1 清扫基层表面及铺筑反滤层土工布

基层表面的零星碎石等杂质必须清扫干净，减少面层与基层的摩擦，见图5。

图5 清扫半刚性基层表面碎石等杂物

当清扫基层顶面的杂物后，铺筑5 m宽的反滤层土工布，洒水，见图6。

图6 铺装土工织物

铺装反滤层土工布一方面可以减少面层与基层间的摩擦，使面层在温度和荷载耦合作用下能自由收缩，减少面层短板率，延长机制砂水泥混凝土路面使用寿命；另一方面，可防止机制砂水泥混凝土中水泥浆渗透到基层内部。水泥浆若渗透到基层内，会增大面层与基层间摩擦，面层与基层可能会连接成一个整体结构层；另外面层层底混凝土漏浆会形成初始缺陷。

4.2 机制砂水泥混凝土运输与卸料

机制砂水泥混凝土通过自卸车运输到施工现场进行现场坍落度测试，发现其坍落度减小到31 mm，保水性和黏聚性优良，见图7，可见机制砂水泥混凝土在运输过程中坍落度损失率比较大。

图7 现场坍落度测试

机制砂水泥混凝土在摊铺现场的坍落度为31 mm，满足相关规范中对三辊轴整平机组摊铺时混凝土现场塌落度为20～40 mm的要求。

装卸车卸料时，发现机制砂水泥混凝土经过了一定距离的运输后，出现沉淀现象，流动性变差，不利于卸料，因此需要挖掘机帮助。

4.3 机制砂水泥混凝土三辊轴施工

机制砂水泥混凝土经过连续振捣机振实(图8)后，料位应高于模板顶面5～15 mm，局部坑洼不得低于模板顶面。料位过高时应铲除，过低时应及时补料。

图8 振动棒振实混凝土

三辊轴整平机组作业时，应处理整平机前料过高或过低的情况，过高时应及时铲除，轴下的间隙应采用机制砂水泥混凝土补平，见图9。

图9 三辊轴机组整平作业

振动滚压完成后，升起振动辊，用甩浆辊抛浆整平一遍，再用整平轴前、后静滚整平，直到平整度符合技术要求，表面砂浆应该均匀，见图10。

图10 三辊轴机组甩浆作业

甩浆后，砂浆的厚度宜控制在4 mm±1 mm。过厚的稀砂浆应及时刮除丢弃，不得用于路面补平。

三辊轴整平机整平甩浆后，采用3 m刮尺，从横、纵两个方向精平饰面，横向不少于2遍精平，纵向不少于3遍精平。

当混凝土开始初凝，进行二次抹面。二次抹面可用1台手扶式抹平机，前后抹平抹光路面。

5 机制砂水泥混凝土路面养生

机制砂水泥混凝土路面养生按规定的方法与措施进行。在实践中，施工单位采用吸水保水强的土工布平铺在路面上，对机制砂水泥混凝土路面养生。

6 机制砂水泥混凝土路面刻槽

机制砂水泥混凝土路面养生期结束后，按相关规定，采用刻槽法制作宏观抗滑构造。

试验路面实测抗滑构造深度为0.58 mm，见图11，符合质量标准0.50～0.90 mm的要求。

图11 构造深度测试

7 现场抽样制作试样耐磨性试验

为了评估施工中机制砂水泥混凝土的耐磨性，在施工现场成型尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的试样(图12)，同等条件下养护28 d后进行标准耐磨性试验，试验结果为2.253 kg·m-2。

图12 现场抽样制作试样

现场抽样的试验结果小于3.5 kg·m-2，表明本研究使用的机制砂水泥混凝土组成设计方法和施工工艺是有效的。

8 结 语

石灰石机制砂的石粉含量为17.6%，亚甲蓝值为0.8。根据Tatantuta曲线，优化矿料合成级配为42(10～25 mm粗集料)∶22(5～10 mm粗集料)∶36(0～5mm机制砂)。依据此比例，得到合成矿料的捣实空隙率。利用水泥净浆富余系数法和Shilstone图，控制水泥用量，进而得到机制砂水泥混凝土。同时，发现机制砂水泥混凝土在运输过程中塌落度损失较大，和易性较差。机制砂水泥混凝土路面按三辊轴机组进行施工。在现场抽样制作了试样，在同等条件下养护，最后测试其磨损量为2.253 kg·m-2，满足相关技术要求。