高强度水泥稳定粒料原材料选取和配合比研究

申林峰、廉富强、刘海民、魏泽民

(中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇岛066002)

1 工程背景

1.1 工程概况

科特迪瓦阿比让港是科特迪瓦最大的港口，也是西非最大的集装箱港。科特迪瓦阿比让码头堆场及通用工程项目位于阿比让港第二集装箱码头后方，陆域面积共计37.5万m2，该码头堆场设计年吞吐量为200万集装箱，项目包括地下水电管网、电气设备、路场、灌注桩、轨道、房建等配套设施，其中路场结构中路面为联锁块，基层为水泥稳定粒料（下文均称为水稳），水稳总面积为34.8万m2，为该项目的重点工程（见图1）。

图1 科特迪瓦阿比让码头堆场及通用工程项目

1.2 采用高强度水稳的原因

该工程位于阿比让港区内，结合土方平衡、砂石料运输以及工期等方面因素，水稳强度由原案C8/10变更为C16/20，变更后水稳设计强度提高，设计厚度由63cm降低为49cm（见图2），其优点如下：

图2 C8/10和C16/20水稳基层断面对比图

一是场地原有标高较高，原案需要外弃土方约5万m3，变更后外弃土方接近为零，大大减少了土方外弃的工作量。

二是变更前水稳方量为20.6万m3，其中石料用量47.1万t，水泥2.8万t，变更后水稳为16.5万m3，其中石料用量38.2万t，水泥3.1万t。砂石料减少8.9万t，水泥增加3000t，大大缓解了运输压力，降低了原材料成本。

三是按照规范水稳分层厚度为20～27.5cm，原案63cm需分三层铺设，优化后49cm仅分两层施工即可，加快了施工进展。

四是底基层采用15cm厚的级配碎石，解决了自卸车在沙地上运输问题，方案可实施性得以解决。

五是水稳配比通过试验，分别测试强度，并建立配比曲线，找到最佳配比，保证水稳质量。

基于高强度水稳的实用性和经济性，结合影响水稳质量的因素，水稳原材料的选择和配合比成为需要研究的课题。

2 水稳原材料选择

该项目水稳组成成分为水、水泥、粗集料和细集料。

2.1 水

为保证水稳质量，水采用港区内的饮用水。

2.2 水泥

根据当地水泥料源，有CPJ42.5N和CPA42.5R两种水泥可供选择，水泥性能参数如表1所示。

表1 水泥性能参数

水稳中水泥的选择主要取决于抗压强度，在其他因素相同的条件下，两种水泥的抗压强度均能够满足水稳的强度要求，考虑成本因素，最终确定使用CPJ42.5N水泥。此外，水泥的初凝时间虽然小于3h，但考虑到场区内建立水稳拌和站，运输距离较短，能够满足使用要求。

2.3 粗集料

该项目石料取自阿比让PK54地区的石矿，根据国标水泥稳定级配碎石以及C-B-3推荐的级配范围和该项目技术规范对水稳碎石级配要求，结合石料来源，选择粒径为25-31.5mm、15-25mm、5-15mm的碎石作为粗集料(见表2、3、4）。

表2 水泥稳定级配碎石以C-B-3推荐级配范围（%）为例

通过以上试验结果，说明所选取的石料符合规范要求，可作为水稳粗集料使用。

2.4 细集料

水稳的细集料可选材料有河沙、经雨水冲洗过的海沙以及机制砂。

2.4.1 河沙和经雨水冲洗过的海沙的选择

当地河沙采自泻湖，河沙运距远，颗粒细，杂质多，级配变化大，质量不稳定，因此河沙并非较好的选择。

该项目附近防波堤海沙淤积严重，即将进入航道降低水深影响通航，可考虑浚深的同时二次利用海沙。海沙颗粒较粗，级配良好，沙子干净，但检测氯离子含量超标。科特迪瓦当地降雨丰富，该项目场地内吹填后的海沙经雨水冲刷后经检测满足指标要求，因此考虑将防波堤淤积海沙取出后经过雨水冲刷，然后检测氯离子含量，达标后投入使用。该项目业主类似项目有实施先例，在加纳特码港，该业主的承包商EFAGI也在水稳中使用了海沙(见表5、图3）。

表5 海沙经雨水冲刷前后氯离子含量对比

图3 海沙筛分级配曲线图

表3 该项目技术规范中对水稳级配要求范围（%）

表4 碎石试验检测

此外，该项目处在港务局交通拥堵路段，路上运输河沙效率低，设备投入多，运输成本高，海沙运输跨越运河，需要船舶二次倒运，结合本区域内船机闲置优势，海沙倒运不需要发生高额船机调遣和使用费用。

综合对比后，经过雨水冲刷过的海沙较河沙更适合作为水稳的细集料之一。

2.4.2 机制砂

机制砂与粗集料来自同一产地，机制砂粒径组成如图4所示。

图4 机制砂筛分级配曲线图

从海沙和机制砂的筛分曲线可以看出，海沙颗粒均匀，无大于2.5mm以上颗粒，无小于0.063mm以下颗粒，机制砂0.063mm以下颗粒含量达到了10.9%，含石粉量较大，根据技术要求单独使用海沙或者机制砂均不能满足级配要求，因此考虑两者结合起来使用，另外，海沙无黏聚性，机制砂有略微板结作用，机制砂中小于0.075mm的颗粒可以和水泥一起填充由于海沙掺量大而造成的孔隙。

3 水稳配合比研究

3.1 原始级配确定

根据经验以及技术规范中级配的要求，原始级配采用合成曲线接近每个筛孔通过百分率中值的比例，如表6、图5所示，水泥掺量定为10%，将该配比委托第三方试验，进行击实试验确定最大干密度和最佳含水率，并测试28天的抗压强度。

表6 原始级配

图5 原始级配曲线图

试验测得最大干密度为2.36g/cm3，最佳含水率为6%，立方体试块28天抗压强度测试结果为25.8MPa，说明原始配比能够满足强度要求。

3.2 施工工艺

结合施工规范和其他项目的经验，确定施工方法为采用海沙和机制砂，两者混合后将粗细集料在水稳拌和站拌和，施工时检测混合料含水率（见图6），自卸车运输到现场使用摊铺机进行摊铺，每层虚铺厚度为27.5cm(压实后为24.5cm)摊铺后的1h内使用22t压路机碾压，采用静压2遍，振压4遍，最后再静压2遍收面，使用灌砂法测试水稳的压实度，完成后使用土工布覆盖，并洒水养护7d，7d内不允许交通放行。

图6 水稳施工

现场采用原始配比进行试铺出现表面裂纹较多重复碾压收面也无法消除的情况，压实度和试块强度虽然能够满足要求，但是表面质量不合格。分析原因为细集料掺量过大，虽然级配符合要求，但碾压的过程中料会产生推移且海沙无黏聚性容易出现裂纹（见图7、表7、表8）。

表7 原始级配水稳抗压强度测试

表8 原始级配水稳压实度测试

图7 原始配比水稳施工效果

3.3 级配配比优化

根据原始配比，保持水泥和水的比例为10%和6%，减少细集料用量，增加15-25mm碎石，比例调整如下（见图8、表9）：

表9 级配1

图8 合成级配1曲线图

级配符合要求，集料略偏粗，使用相同的施工方法进行试铺，现场碾压结束发现裂纹基本消除但表面仍粗糙，局部出现粗集料过多而造成的离析现象，分析原因为细集料偏少（见图9）。

图9 级配1试铺结果表面较为粗糙且局部离析

保持水泥和水的比例为10%和6%，适当提高海沙用量，减少5-15mm碎石用量，调整比例为（见表10、图10）：

表10 级配2

图10 合成级配2曲线图

再次进行试铺，现场摊铺碾压结束后，表面几乎无裂纹及离析现象，测试压实度和试块强度如下（见图11、表11、表12）：

图11 级配2水稳实施效果

表11 级配2水稳抗压强度测试

表12 级配2水稳压实度测试

通过现场对三种级配的测试，总结见表13，根据分析，水稳的粗细集料采用级配2。

表13 三种级配现场试铺表观质量对比

3.4 水泥用量确定

从表14可以看出级配2情况下水泥用量为10%时，水稳抗压强度较要求的20MPa高出较多，因此考虑调整水泥用量分别为9%、8%、7%。

水泥用量调整后，使用相同施工方法试铺，同时使用灌砂法测试压实度，每次试铺时室内制件取样采用击实法制作六块150mm×150mm×150mm的立方体抗压强度试件，达到7d和28d龄期各分别测试三块，同时为了能够准确体现水稳的抗压强度，每次试铺的区域在达到7d养护期，取样6个芯样，芯样直径为100mm，长度为每层水稳的厚度，即24.5cm，切割成高径比1∶1，其中3个测试7d抗压强度，另外3个测试28d抗压强度，经过测试所得结果如表14、表15、图12所示。

表14 不同水泥掺量对应抗压强度值

图12 现场取芯测试

表15 不同水泥掺量对应压实度值

在施工方法正确的前提下，根据压实度进行测试，7%～10%水泥含量均能够满足设计要求。结果得出水泥用量为7%时，不能够有效保证水稳强度，水泥量达到8%以上时，水稳强度均能够达到设计要求之上，同时为避免水泥含量过高而造成水稳后期开裂的现象，项目最终选用水泥掺量为8%作为正式施工的水泥掺量（见图13）。

图13 现场水稳实施效果

4 结论

一是高强度水稳的配合比设计首先要选择合适的材料，要求砂石料级配好，含泥量少。该项目结合自身特点，就地取材，在满足技术要求的条件下，使用经过雨水冲刷过的海沙作为细集料之一，同时海沙级配良好且价格较低，与机制砂搭配使用，保障水稳铺设的效果。二是该项目水稳设计强度为C16/20，水泥的选择不能低于42.5MPa，高强度水稳中水泥起到主要胶结作用，粗集料提供骨架结构，细集料填充其中使其碾压更加密实，具有良好的稳定性以及板体性，水稳强度得到保障。三是高强度水稳配合比需要把控每个环节，从室内试验到现场摊铺、碾压及养护等均需要把控好施工质量。四是该项目水稳强度由C8/10变更为C16/20，是降低项目成本、缩短工期的一个重要环节。项目在执行环节，应该不断挖掘设计优化的潜力，在满足使用要求的前提下，良好的设计变更使得施工可以达到事半功倍的效果。