高強度水泥穩(wěn)定粒料原材料選取和配合比研究

申林峰、廉富強、劉海民、魏澤民

(中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島066002)

1 工程背景

1.1 工程概況

科特迪瓦阿比讓港是科特迪瓦最大的港口，也是西非最大的集裝箱港。科特迪瓦阿比讓碼頭堆場及通用工程項目位于阿比讓港第二集裝箱碼頭后方，陸域面積共計37.5萬m2，該碼頭堆場設計年吞吐量為200萬集裝箱，項目包括地下水電管網、電氣設備、路場、灌注樁、軌道、房建等配套設施，其中路場結構中路面為聯(lián)鎖塊，基層為水泥穩(wěn)定粒料（下文均稱為水穩(wěn)），水穩(wěn)總面積為34.8萬m2，為該項目的重點工程（見圖1）。

圖1 科特迪瓦阿比讓碼頭堆場及通用工程項目

1.2 采用高強度水穩(wěn)的原因

該工程位于阿比讓港區(qū)內，結合土方平衡、砂石料運輸以及工期等方面因素，水穩(wěn)強度由原案C8/10變更為C16/20，變更后水穩(wěn)設計強度提高，設計厚度由63cm降低為49cm（見圖2），其優(yōu)點如下：

圖2 C8/10和C16/20水穩(wěn)基層斷面對比圖

一是場地原有標高較高，原案需要外棄土方約5萬m3，變更后外棄土方接近為零，大大減少了土方外棄的工作量。

二是變更前水穩(wěn)方量為20.6萬m3，其中石料用量47.1萬t，水泥2.8萬t，變更后水穩(wěn)為16.5萬m3，其中石料用量38.2萬t，水泥3.1萬t。砂石料減少8.9萬t，水泥增加3000t，大大緩解了運輸壓力，降低了原材料成本。

三是按照規(guī)范水穩(wěn)分層厚度為20～27.5cm，原案63cm需分三層鋪設，優(yōu)化后49cm僅分兩層施工即可，加快了施工進展。

四是底基層采用15cm厚的級配碎石，解決了自卸車在沙地上運輸問題，方案可實施性得以解決。

五是水穩(wěn)配比通過試驗，分別測試強度，并建立配比曲線，找到最佳配比，保證水穩(wěn)質量。

基于高強度水穩(wěn)的實用性和經濟性，結合影響水穩(wěn)質量的因素，水穩(wěn)原材料的選擇和配合比成為需要研究的課題。

2 水穩(wěn)原材料選擇

該項目水穩(wěn)組成成分為水、水泥、粗集料和細集料。

2.1 水

為保證水穩(wěn)質量，水采用港區(qū)內的飲用水。

2.2 水泥

根據當地水泥料源，有CPJ42.5N和CPA42.5R兩種水泥可供選擇，水泥性能參數如表1所示。

表1 水泥性能參數

水穩(wěn)中水泥的選擇主要取決于抗壓強度，在其他因素相同的條件下，兩種水泥的抗壓強度均能夠滿足水穩(wěn)的強度要求，考慮成本因素，最終確定使用CPJ42.5N水泥。此外，水泥的初凝時間雖然小于3h，但考慮到場區(qū)內建立水穩(wěn)拌和站，運輸距離較短，能夠滿足使用要求。

2.3 粗集料

該項目石料取自阿比讓PK54地區(qū)的石礦，根據國標水泥穩(wěn)定級配碎石以及C-B-3推薦的級配范圍和該項目技術規(guī)范對水穩(wěn)碎石級配要求，結合石料來源，選擇粒徑為25-31.5mm、15-25mm、5-15mm的碎石作為粗集料(見表2、3、4）。

表2 水泥穩(wěn)定級配碎石以C-B-3推薦級配范圍（%）為例

通過以上試驗結果，說明所選取的石料符合規(guī)范要求，可作為水穩(wěn)粗集料使用。

2.4 細集料

水穩(wěn)的細集料可選材料有河沙、經雨水沖洗過的海沙以及機制砂。

2.4.1 河沙和經雨水沖洗過的海沙的選擇

當地河沙采自瀉湖，河沙運距遠，顆粒細，雜質多，級配變化大，質量不穩(wěn)定，因此河沙并非較好的選擇。

該項目附近防波堤海沙淤積嚴重，即將進入航道降低水深影響通航，可考慮浚深的同時二次利用海沙。海沙顆粒較粗，級配良好，沙子干凈，但檢測氯離子含量超標。科特迪瓦當地降雨豐富，該項目場地內吹填后的海沙經雨水沖刷后經檢測滿足指標要求，因此考慮將防波堤淤積海沙取出后經過雨水沖刷，然后檢測氯離子含量，達標后投入使用。該項目業(yè)主類似項目有實施先例，在加納特碼港，該業(yè)主的承包商EFAGI也在水穩(wěn)中使用了海沙(見表5、圖3）。

表5 海沙經雨水沖刷前后氯離子含量對比

圖3 海沙篩分級配曲線圖

表3 該項目技術規(guī)范中對水穩(wěn)級配要求范圍（%）

表4 碎石試驗檢測

此外，該項目處在港務局交通擁堵路段，路上運輸河沙效率低，設備投入多，運輸成本高，海沙運輸跨越運河，需要船舶二次倒運，結合本區(qū)域內船機閑置優(yōu)勢，海沙倒運不需要發(fā)生高額船機調遣和使用費用。

綜合對比后，經過雨水沖刷過的海沙較河沙更適合作為水穩(wěn)的細集料之一。

2.4.2 機制砂

機制砂與粗集料來自同一產地，機制砂粒徑組成如圖4所示。

圖4 機制砂篩分級配曲線圖

從海沙和機制砂的篩分曲線可以看出，海沙顆粒均勻，無大于2.5mm以上顆粒，無小于0.063mm以下顆粒，機制砂0.063mm以下顆粒含量達到了10.9%，含石粉量較大，根據技術要求單獨使用海沙或者機制砂均不能滿足級配要求，因此考慮兩者結合起來使用，另外，海沙無黏聚性，機制砂有略微板結作用，機制砂中小于0.075mm的顆粒可以和水泥一起填充由于海沙摻量大而造成的孔隙。

3 水穩(wěn)配合比研究

3.1 原始級配確定

根據經驗以及技術規(guī)范中級配的要求，原始級配采用合成曲線接近每個篩孔通過百分率中值的比例，如表6、圖5所示，水泥摻量定為10%，將該配比委托第三方試驗，進行擊實試驗確定最大干密度和最佳含水率，并測試28天的抗壓強度。

表6 原始級配

圖5 原始級配曲線圖

試驗測得最大干密度為2.36g/cm3，最佳含水率為6%，立方體試塊28天抗壓強度測試結果為25.8MPa，說明原始配比能夠滿足強度要求。

3.2 施工工藝

結合施工規(guī)范和其他項目的經驗，確定施工方法為采用海沙和機制砂，兩者混合后將粗細集料在水穩(wěn)拌和站拌和，施工時檢測混合料含水率（見圖6），自卸車運輸到現(xiàn)場使用攤鋪機進行攤鋪，每層虛鋪厚度為27.5cm(壓實后為24.5cm)攤鋪后的1h內使用22t壓路機碾壓，采用靜壓2遍，振壓4遍，最后再靜壓2遍收面，使用灌砂法測試水穩(wěn)的壓實度，完成后使用土工布覆蓋，并灑水養(yǎng)護7d，7d內不允許交通放行。

圖6 水穩(wěn)施工

現(xiàn)場采用原始配比進行試鋪出現(xiàn)表面裂紋較多重復碾壓收面也無法消除的情況，壓實度和試塊強度雖然能夠滿足要求，但是表面質量不合格。分析原因為細集料摻量過大，雖然級配符合要求，但碾壓的過程中料會產生推移且海沙無黏聚性容易出現(xiàn)裂紋（見圖7、表7、表8）。

表7 原始級配水穩(wěn)抗壓強度測試

表8 原始級配水穩(wěn)壓實度測試

圖7 原始配比水穩(wěn)施工效果

3.3 級配配比優(yōu)化

根據原始配比，保持水泥和水的比例為10%和6%，減少細集料用量，增加15-25mm碎石，比例調整如下（見圖8、表9）：

表9 級配1

圖8 合成級配1曲線圖

級配符合要求，集料略偏粗，使用相同的施工方法進行試鋪，現(xiàn)場碾壓結束發(fā)現(xiàn)裂紋基本消除但表面仍粗糙，局部出現(xiàn)粗集料過多而造成的離析現(xiàn)象，分析原因為細集料偏少（見圖9）。

圖9 級配1試鋪結果表面較為粗糙且局部離析

保持水泥和水的比例為10%和6%，適當提高海沙用量，減少5-15mm碎石用量，調整比例為（見表10、圖10）：

表10 級配2

圖10 合成級配2曲線圖

再次進行試鋪，現(xiàn)場攤鋪碾壓結束后，表面幾乎無裂紋及離析現(xiàn)象，測試壓實度和試塊強度如下（見圖11、表11、表12）：

圖11 級配2水穩(wěn)實施效果

表11 級配2水穩(wěn)抗壓強度測試

表12 級配2水穩(wěn)壓實度測試

通過現(xiàn)場對三種級配的測試，總結見表13，根據分析，水穩(wěn)的粗細集料采用級配2。

表13 三種級配現(xiàn)場試鋪表觀質量對比

3.4 水泥用量確定

從表14可以看出級配2情況下水泥用量為10%時，水穩(wěn)抗壓強度較要求的20MPa高出較多，因此考慮調整水泥用量分別為9%、8%、7%。

水泥用量調整后，使用相同施工方法試鋪，同時使用灌砂法測試壓實度，每次試鋪時室內制件取樣采用擊實法制作六塊150mm×150mm×150mm的立方體抗壓強度試件，達到7d和28d齡期各分別測試三塊，同時為了能夠準確體現(xiàn)水穩(wěn)的抗壓強度，每次試鋪的區(qū)域在達到7d養(yǎng)護期，取樣6個芯樣，芯樣直徑為100mm，長度為每層水穩(wěn)的厚度，即24.5cm，切割成高徑比1∶1，其中3個測試7d抗壓強度，另外3個測試28d抗壓強度，經過測試所得結果如表14、表15、圖12所示。

表14 不同水泥摻量對應抗壓強度值

圖12 現(xiàn)場取芯測試

表15 不同水泥摻量對應壓實度值

在施工方法正確的前提下，根據壓實度進行測試，7%～10%水泥含量均能夠滿足設計要求。結果得出水泥用量為7%時，不能夠有效保證水穩(wěn)強度，水泥量達到8%以上時，水穩(wěn)強度均能夠達到設計要求之上，同時為避免水泥含量過高而造成水穩(wěn)后期開裂的現(xiàn)象，項目最終選用水泥摻量為8%作為正式施工的水泥摻量（見圖13）。

圖13 現(xiàn)場水穩(wěn)實施效果

4 結論

一是高強度水穩(wěn)的配合比設計首先要選擇合適的材料，要求砂石料級配好，含泥量少。該項目結合自身特點，就地取材，在滿足技術要求的條件下，使用經過雨水沖刷過的海沙作為細集料之一，同時海沙級配良好且價格較低，與機制砂搭配使用，保障水穩(wěn)鋪設的效果。二是該項目水穩(wěn)設計強度為C16/20，水泥的選擇不能低于42.5MPa，高強度水穩(wěn)中水泥起到主要膠結作用，粗集料提供骨架結構，細集料填充其中使其碾壓更加密實，具有良好的穩(wěn)定性以及板體性，水穩(wěn)強度得到保障。三是高強度水穩(wěn)配合比需要把控每個環(huán)節(jié)，從室內試驗到現(xiàn)場攤鋪、碾壓及養(yǎng)護等均需要把控好施工質量。四是該項目水穩(wěn)強度由C8/10變更為C16/20，是降低項目成本、縮短工期的一個重要環(huán)節(jié)。項目在執(zhí)行環(huán)節(jié)，應該不斷挖掘設計優(yōu)化的潛力，在滿足使用要求的前提下，良好的設計變更使得施工可以達到事半功倍的效果。