南寧至武鳴公路高性能水泥混凝土路面修補(bǔ)材料性能探討

作者簡介：黃麗華（1977—），工程師，主要從事公路工程養(yǎng)護(hù)管理工作。

高性能水泥混凝土路面由于具有極高的剛性，故廣泛應(yīng)用于公路建設(shè)中。水泥混凝土路面服役較長時(shí)間后，難以避免出現(xiàn)諸多質(zhì)量問題，故針對其進(jìn)行修補(bǔ)是公路養(yǎng)護(hù)中重要的一環(huán)。文章以南寧至武鳴公路為例，采用坍落度>230 mm，且56 d設(shè)計(jì)強(qiáng)度為6 MPa的高性能水泥混凝土進(jìn)行剛性路面施工試驗(yàn)分析。經(jīng)初步評估發(fā)現(xiàn)，100 m長的試驗(yàn)段可在工期4.5 d內(nèi)完工通車，包括整地施工1.5 d及養(yǎng)護(hù)3 d;該高性能水泥混凝土3 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)25 MPa以上，56 d抗壓強(qiáng)度超過60 MPa，抗彎強(qiáng)度超過4.9 MPa。

混凝土路面;路面修補(bǔ);高性能水泥混凝土

U416.216A230783

0 引言

南寧至武鳴公路按二級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，全長17.38 km，路基寬度為8.5 m，路面寬度為7.5 m，路面為水泥混凝土路面，設(shè)計(jì)速度為60 km/h。最近一次養(yǎng)護(hù)發(fā)現(xiàn)，水泥混凝土路面破損較為嚴(yán)重，各種病害均有產(chǎn)生，對公路使用產(chǎn)生了極大的影響。在此背景下，擬對該公路路面進(jìn)行修補(bǔ)，根據(jù)各參建單位意見，先行挑選試驗(yàn)段，采用試驗(yàn)方法確定修補(bǔ)材料，再進(jìn)一步推廣到整條公路使用。

1 修補(bǔ)試驗(yàn)簡介

鑒于公路施工路段并非新建工程，且路寬多變化，各處不一，不易使用路面鋪筑機(jī)施工，必須使用較耗費(fèi)人力的簡易機(jī)具施工。設(shè)計(jì)單位考慮若使用低坍落度混凝土?xí)r，施工現(xiàn)場拌和不易，且施工速率較低，故選擇具有高強(qiáng)度和高流動(dòng)性的高性能水泥混凝土用以施工。這種高強(qiáng)度且高流動(dòng)性的高性能水泥混凝土路面，曾被用于南寧市區(qū)部分路段進(jìn)行試鋪，修補(bǔ)效果較好。由于公路上車輛啟動(dòng)及剎車頻繁，因此本次的剛性路面試鋪改用堅(jiān)韌耐磨的高性能鋼纖維水泥混凝土進(jìn)行面層試鋪，原則上采用接縫式鋼筋混凝土路面，路面底層沿用原剛性路面。

2 材料配比設(shè)計(jì)

混凝土由多種材料組成，性質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜，且影響其質(zhì)量的因素甚多。為了確保混凝土質(zhì)量能符合工程需求，應(yīng)從料源管制、制程管制、成品管制三個(gè)方面進(jìn)行嚴(yán)格管制及管理[1]。本次試鋪所使用的混凝土于施工前均進(jìn)行料源管制工作，除建立各項(xiàng)材料管制資料

庫外，還需進(jìn)行組成材料控管及各項(xiàng)試驗(yàn)，以確認(rèn)其符合ASTM規(guī)范要求，并確保其質(zhì)量的穩(wěn)定性及均勻性。由于在公路施工上無法使用大型機(jī)具，因此采用具有高工作性和自平性的混凝土，以節(jié)省人力并縮短施工時(shí)間，確保混凝土充分填充開挖面。

設(shè)計(jì)要求中，高性能水泥混凝土坍落度為250±20 mm，而面層的高性能鋼纖維水泥混凝土坍落度要求為230±20 mm，且不得有離析及泌水現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)上，以水膠比控制設(shè)計(jì)強(qiáng)度，為滿足3 d通車要求，

要求混凝土的抗壓強(qiáng)度3 d超過25 MPa、28 d超過45 MPa、且于56 d達(dá)60 MPa以上;要求混凝土的抗彎強(qiáng)度28 d為4.5 MPa以上，56 d為4.9 MPa以上。

高性能水泥混凝土及高性能鋼纖維水泥混凝土配比設(shè)計(jì)的基本質(zhì)量要求如表1所示，高性能水泥混凝土及高性能鋼纖維水泥混凝土的配比如表2所示。

高性能水泥混凝土及高性能鋼纖維水泥混凝土的配比設(shè)計(jì)是依據(jù)混凝土致密配比法則，考慮混凝土的工作性、安全性、耐久性、生態(tài)性及經(jīng)濟(jì)性，并依據(jù)試拌及模擬試驗(yàn)的結(jié)果加以確認(rèn)。配比依據(jù)上述質(zhì)量要求，另外在設(shè)計(jì)時(shí)考慮耐久性質(zhì)，采用低水量及低水泥漿量的配比邏輯，減少混凝土中孔隙的生成，減少有害物質(zhì)入侵的機(jī)會(huì)。混凝土配比上拌和水用量<140 kg/m3，水泥用量<300 kg/m3，減少造成干縮因子，以降低裂縫產(chǎn)生的概率，提高每公斤水泥所產(chǎn)生的強(qiáng)度效益，提升混凝土的經(jīng)濟(jì)性，并因降低高污染的水泥量及采用粉煤灰，而可落實(shí)生態(tài)性的環(huán)保觀念。混凝土采用的水膠比<0.07，因考慮避免混凝土產(chǎn)生自生收縮，故配比的水膠比>0.42。此外因公路易受車輛排放廢氣所侵蝕，故選擇水膠比<0.40，使混凝土符合工程需求。

3 模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 工程仿真試驗(yàn)

混凝土經(jīng)材料配比控管及驗(yàn)證后應(yīng)進(jìn)行工程仿真試驗(yàn)，制作100 cm×100 cm×30 cm的大型模型[2]。例如混凝土在預(yù)拌廠拌和后應(yīng)在預(yù)拌車上等待45 min，模擬運(yùn)輸上的路程時(shí)間，待45 min后再進(jìn)行整平試驗(yàn)，觀察其工作性。除確保混凝土穿越鋼筋達(dá)到自平效果外，還需測試自平后的坡度。為了節(jié)省鋼筋處理的時(shí)間，本項(xiàng)施工的試驗(yàn)采用點(diǎn)焊鋼筋網(wǎng)，將鋼筋綁扎時(shí)間改在工廠完成，以便在現(xiàn)場施工時(shí)只有吊放及安裝兩項(xiàng)作業(yè)，節(jié)省施工時(shí)間及免除交通堵塞。

3.2 高性能水泥混凝土的新拌性質(zhì)

高性能水泥混凝土及高性能鋼纖維水泥混凝土在施工前要經(jīng)過配比驗(yàn)證及工程仿真試驗(yàn)，以確保混凝土如蜂蜜般自行流平。同時(shí)，HPC具有60 s以上的流動(dòng)時(shí)間，保證混凝土的粘滯性，避免骨材分離，并確保混凝土可以保持流動(dòng)性，充分填滿角落及角鋼底部。傳統(tǒng)纖維混凝土雖然有提升韌性及抵抗裂縫形成的優(yōu)點(diǎn)，但在混凝土中因纖維的糾結(jié)作用，會(huì)使工作性大為降低。而傳統(tǒng)提升纖維混凝土工作性的方法是提高用水量及水泥用量，但選擇高用水量將造成混凝土的干縮及孔隙問題，不利于混凝土的耐久性，與添加纖維可以抑制裂縫生成的目的背道而行。本次施工調(diào)制高性能鋼纖維水泥混凝土的配比引入較新的觀念，以致密骨材為混凝土的基本架構(gòu)，以適當(dāng)?shù)挠盟考八酀{量促使混凝土能保持良好的流動(dòng)特性。通過現(xiàn)場測試高性能水泥混凝土及高性能鋼纖維水泥混凝土，顯示高性能水泥混凝土及高性能鋼纖維水泥混凝土在適當(dāng)?shù)恼{(diào)制配比下，用極少水量及漿量，仍可拌制出具有230 mm以上坍落度的混凝土。

3.3 質(zhì)量管理

為確保混凝土的質(zhì)量穩(wěn)定性并落實(shí)料源管制、制程管制及成品管制等三項(xiàng)管制作業(yè)，混凝土應(yīng)不斷地以PDCA循環(huán)進(jìn)行管理及修正，通過質(zhì)量管理圖進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，從而達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量及一致性。

4 施工步驟

4.1 澆筑混凝土板

該公路路面改建工程為避免對交通產(chǎn)生影響，選擇在深夜及清晨進(jìn)行澆筑作業(yè)，采用JRCP剛性路設(shè)計(jì)理念，

上下層鋼筋保護(hù)層厚度為7.5 cm，上層采用高性能鋼纖維水泥混凝土，下層采用高性能水泥混凝土。在施工作業(yè)流程上，第一工作日進(jìn)行道路封閉，開挖路面，第二工作日進(jìn)行路面夯實(shí)作業(yè)，第三工作日進(jìn)行點(diǎn)焊鋼筋網(wǎng)的鋪筑作業(yè)，并以護(hù)角角鋼確定路面高程。在角鋼鋪設(shè)完成后，即刻進(jìn)行混凝土澆筑。由于高性能水泥混凝土具有高工作性，可縮短澆筑時(shí)間。高性能水泥混凝土因未經(jīng)震動(dòng)而可自行流平故可節(jié)省人力及時(shí)間。

4.2 混凝土板養(yǎng)護(hù)

為求增加剛性路面的摩擦力，在混凝土板初凝前應(yīng)進(jìn)行混凝土表面的刷毛作業(yè)。待混凝土初凝時(shí)，立即進(jìn)行噴霧養(yǎng)護(hù)的工作。剛性路面于混凝土達(dá)到終凝后應(yīng)鋪蓋帆布，繼續(xù)澆水養(yǎng)護(hù)3 d，直到通車前才停止。養(yǎng)護(hù)對于混凝土質(zhì)量影響很大，在混凝土早期尤為重要[3]。在澆筑初期養(yǎng)護(hù)可抑制混凝土板的塑性收縮，并可確保混凝土強(qiáng)度發(fā)展。本項(xiàng)路面工程在混凝土初凝時(shí)曾產(chǎn)生塑性收縮裂縫，但因高性能水泥混凝土含有摻火山灰的石灰材料，因此具有自愈的功能，在經(jīng)過養(yǎng)護(hù)數(shù)日后已自行愈合。

5 成果評估

5.1 體積穩(wěn)定性

以傳統(tǒng)觀念設(shè)計(jì)混凝土包括配比設(shè)計(jì)法，通常提升工作性的方法是增加用水量，而提高強(qiáng)度的方法為選擇低水膠比及高水泥用量。然而混凝土過多的漿量容易導(dǎo)致較大的坍落度損失或骨材離析，且水泥水化將造成混凝土收縮，其收縮量或膨脹量系與用水量及水泥用量成正比。在大面積的工程上，混凝土干縮及膨脹所造成的問題尤為嚴(yán)重，路面表層混凝土在大氣中造成干燥收縮，而底層混凝土因接觸土壤濕潤造成膨脹，因而導(dǎo)致表面撓曲，兩邊向上翹起。為了避免此現(xiàn)象發(fā)生，本試驗(yàn)在配比設(shè)計(jì)上采用低用水量及低水泥用量，并降低混凝土的水固比（水與固體材料的比值），因此使混凝土的膨脹及收縮量降低[4]。

5.2 耐久性

本次試鋪道路采用接縫式鋼筋混凝土路面（JRCP）施工，鋼筋網(wǎng)分上下二層，上下保護(hù)層各為7.5 cm。下保護(hù)層采用高性能水泥混凝土（HPC），上保護(hù)層采用高性能鋼纖維水泥混凝土（HFRC）。剛性路面上的保護(hù)層使用高性能鋼纖維水泥混凝土，是因?yàn)楦咝阅茕摾w維水泥混凝土具有耐沖、抗裂的特性及較優(yōu)的韌性，可抵抗公車進(jìn)站臺(tái)時(shí)的緊急剎車及起步所造成的摩擦及沖擊。混凝土一旦開裂，纖維即可發(fā)揮作用，吸收能量而阻止裂縫的延伸。本試驗(yàn)段應(yīng)用高性能鋼纖維水泥混凝土的目的，在于使鋪筑表面具有耐久性及堅(jiān)韌耐磨。在工期上，本試驗(yàn)段若整體作業(yè)流暢，則從路面開挖至澆筑混凝土完成施工，應(yīng)該只要1.5 d，加上養(yǎng)護(hù)時(shí)間3 d，共計(jì)4.5 d即可通車。

高性能水泥混凝土雖然在配比上采用低水泥用量及低用水量，可降低裂縫產(chǎn)生的概率及數(shù)量，但在本次施工過程中，因工人仍然不習(xí)慣該方式而加以震動(dòng)搗實(shí)，且在終凝前未即刻覆蓋防水布，以致在部分路段產(chǎn)生8條長短不一的裂縫，但此現(xiàn)象經(jīng)過養(yǎng)護(hù)數(shù)日后已經(jīng)密合。在第二日施工由北往南的路段時(shí)，施工上不作震動(dòng)搗實(shí)，因此只產(chǎn)生1條裂縫。雖然以上的觀測僅發(fā)生少量裂縫，而且經(jīng)過再養(yǎng)護(hù)后裂縫均已密合，但若能嚴(yán)格驗(yàn)證及養(yǎng)護(hù)則可以減少裂縫的產(chǎn)生。另外混凝土因含有水分，收縮仍不可避免，裂縫處必須進(jìn)行鋸縫以疏解其應(yīng)力，因此剛性路面的鋸縫應(yīng)在終凝完成后第2 d即開始進(jìn)行，以免造成龜裂。

6 結(jié)語

（1）高性能水泥混凝土及高性能鋼纖維水泥混凝土，若于施工前確實(shí)進(jìn)行料源管制、制程管制及成品管制，則均可以確保混凝土的穩(wěn)定性、安全性及耐久性。

（2）以致密配比法拌制的高性能水泥混凝土，坍落度可達(dá)到250±20 mm;高性能鋼纖維水泥混凝土坍落度可達(dá)到230±20 mm，并且具有60 s以上的流動(dòng)時(shí)間。

（3）以骨材為基本架構(gòu)，若經(jīng)適當(dāng)配比設(shè)計(jì)，則可以利用460 kg/m3的膠結(jié)料（含水泥及摻火山灰的石灰材料），獲得設(shè)計(jì)強(qiáng)度56 d抗壓強(qiáng)度為68 950 kPa及抗彎強(qiáng)度為5 065 kPa的高性能水泥混凝土。

（4）剛性路面的施工采用鋼筋網(wǎng)配合高性能水泥混凝土及高性能鋼纖維水泥混凝土可以在工期4.5 d內(nèi)完工通車，因此適合作為道路搶修及公路使用。

（5）高性能水泥混凝土路面產(chǎn)生的裂縫，可以透過養(yǎng)護(hù)工作及設(shè)置道路伸縮縫予以控制。剛性路面的鋸縫工作應(yīng)在混凝土終凝完成后第2 d開始進(jìn)行。

[1]張雪華，艾 軍，姜正平.水泥混凝土路面快速修補(bǔ)技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].森林工程，2001（6）：50-52.

[2]李田生，王慶珍，宋寧強(qiáng).水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)技術(shù)探討[J].公路交通技術(shù)，2005（6）：36-40.

[3]李九蘇，曹 勇，唐勇斌.水泥混凝土路面多功能快速修補(bǔ)材料試驗(yàn)研究[J].混凝土，2012（8）：142-144.

[4]王甲春，許金鼓，李德輝.水泥混凝土路面快速修補(bǔ)材料的研制[J].低溫建筑技術(shù)，2009（10）：125-126.