南寧至武鳴公路高性能水泥混凝土路面修補材料性能探討

作者簡介：黃麗華（1977—），工程師，主要從事公路工程養護管理工作。

高性能水泥混凝土路面由于具有極高的剛性，故廣泛應用于公路建設中。水泥混凝土路面服役較長時間后，難以避免出現諸多質量問題，故針對其進行修補是公路養護中重要的一環。文章以南寧至武鳴公路為例，采用坍落度>230 mm，且56 d設計強度為6 MPa的高性能水泥混凝土進行剛性路面施工試驗分析。經初步評估發現，100 m長的試驗段可在工期4.5 d內完工通車，包括整地施工1.5 d及養護3 d;該高性能水泥混凝土3 d抗壓強度可達25 MPa以上，56 d抗壓強度超過60 MPa，抗彎強度超過4.9 MPa。

混凝土路面;路面修補;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準建設，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，設計速度為60 km/h。最近一次養護發現，水泥混凝土路面破損較為嚴重，各種病害均有產生，對公路使用產生了極大的影響。在此背景下，擬對該公路路面進行修補，根據各參建單位意見，先行挑選試驗段，采用試驗方法確定修補材料，再進一步推廣到整條公路使用。

1 修補試驗簡介

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施工，必須使用較耗費人力的簡易機具施工。設計單位考慮若使用低坍落度混凝土時，施工現場拌和不易，且施工速率較低，故選擇具有高強度和高流動性的高性能水泥混凝土用以施工。這種高強度且高流動性的高性能水泥混凝土路面，曾被用于南寧市區部分路段進行試鋪，修補效果較好。由于公路上車輛啟動及剎車頻繁，因此本次的剛性路面試鋪改用堅韌耐磨的高性能鋼纖維水泥混凝土進行面層試鋪，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 材料配比設計

混凝土由多種材料組成，性質相當復雜，且影響其質量的因素甚多。為了確保混凝土質量能符合工程需求，應從料源管制、制程管制、成品管制三個方面進行嚴格管制及管理[1]。本次試鋪所使用的混凝土于施工前均進行料源管制工作，除建立各項材料管制資料

庫外，還需進行組成材料控管及各項試驗，以確認其符合ASTM規范要求，并確保其質量的穩定性及均勻性。由于在公路施工上無法使用大型機具，因此采用具有高工作性和自平性的混凝土，以節省人力并縮短施工時間，確保混凝土充分填充開挖面。

設計要求中，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象。在設計上，以水膠比控制設計強度，為滿足3 d通車要求，

要求混凝土的抗壓強度3 d超過25 MPa、28 d超過45 MPa、且于56 d達60 MPa以上;要求混凝土的抗彎強度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計的基本質量要求如表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計是依據混凝土致密配比法則，考慮混凝土的工作性、安全性、耐久性、生態性及經濟性，并依據試拌及模擬試驗的結果加以確認。配比依據上述質量要求，另外在設計時考慮耐久性質，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，減少有害物質入侵的機會。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，以降低裂縫產生的概率，提高每公斤水泥所產生的強度效益，提升混凝土的經濟性，并因降低高污染的水泥量及采用粉煤灰，而可落實生態性的環保觀念。混凝土采用的水膠比<0.07，因考慮避免混凝土產生自生收縮，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 模擬實驗

3.1 工程仿真試驗

混凝土經材料配比控管及驗證后應進行工程仿真試驗，制作100 cm×100 cm×30 cm的大型模型[2]。例如混凝土在預拌廠拌和后應在預拌車上等待45 min，模擬運輸上的路程時間，待45 min后再進行整平試驗，觀察其工作性。除確保混凝土穿越鋼筋達到自平效果外，還需測試自平后的坡度。為了節省鋼筋處理的時間，本項施工的試驗采用點焊鋼筋網，將鋼筋綁扎時間改在工廠完成，以便在現場施工時只有吊放及安裝兩項作業，節省施工時間及免除交通堵塞。

3.2 高性能水泥混凝土的新拌性質

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過配比驗證及工程仿真試驗，以確保混凝土如蜂蜜般自行流平。同時，HPC具有60 s以上的流動時間，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性，充分填滿角落及角鋼底部。傳統纖維混凝土雖然有提升韌性及抵抗裂縫形成的優點，但在混凝土中因纖維的糾結作用，會使工作性大為降低。而傳統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，以適當的用水量及水泥漿量促使混凝土能保持良好的流動特性。通過現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的調制配比下，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 質量管理

為確保混凝土的質量穩定性并落實料源管制、制程管制及成品管制等三項管制作業，混凝土應不斷地以PDCA循環進行管理及修正，通過質量管理圖進行嚴格的質量控制，從而達到高標準質量及一致性。

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生影響，選擇在深夜及清晨進行澆筑作業，采用JRCP剛性路設計理念，

上下層鋼筋保護層厚度為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。在施工作業流程上，第一工作日進行道路封閉，開挖路面，第二工作日進行路面夯實作業，第三工作日進行點焊鋼筋網的鋪筑作業，并以護角角鋼確定路面高程。在角鋼鋪設完成后，即刻進行混凝土澆筑。由于高性能水泥混凝土具有高工作性，可縮短澆筑時間。高性能水泥混凝土因未經震動而可自行流平故可節省人力及時間。

4.2 混凝土板養護

為求增加剛性路面的摩擦力，在混凝土板初凝前應進行混凝土表面的刷毛作業。待混凝土初凝時，立即進行噴霧養護的工作。剛性路面于混凝土達到終凝后應鋪蓋帆布，繼續澆水養護3 d，直到通車前才停止。養護對于混凝土質量影響很大，在混凝土早期尤為重要[3]。在澆筑初期養護可抑制混凝土板的塑性收縮，并可確保混凝土強度發展。本項路面工程在混凝土初凝時曾產生塑性收縮裂縫，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，在經過養護數日后已自行愈合。

5 成果評估

5.1 體積穩定性

以傳統觀念設計混凝土包括配比設計法，通常提升工作性的方法是增加用水量，而提高強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，因而導致表面撓曲，兩邊向上翹起。為了避免此現象發生，本試驗在配比設計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，鋼筋網分上下二層，上下保護層各為7.5 cm。下保護層采用高性能水泥混凝土（HPC），上保護層采用高性能鋼纖維水泥混凝土（HFRC）。剛性路面上的保護層使用高性能鋼纖維水泥混凝土，是因為高性能鋼纖維水泥混凝土具有耐沖、抗裂的特性及較優的韌性，可抵抗公車進站臺時的緊急剎車及起步所造成的摩擦及沖擊。混凝土一旦開裂，纖維即可發揮作用，吸收能量而阻止裂縫的延伸。本試驗段應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韌耐磨。在工期上，本試驗段若整體作業流暢，則從路面開挖至澆筑混凝土完成施工，應該只要1.5 d，加上養護時間3 d，共計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，可降低裂縫產生的概率及數量，但在本次施工過程中，因工人仍然不習慣該方式而加以震動搗實，且在終凝前未即刻覆蓋防水布，以致在部分路段產生8條長短不一的裂縫，但此現象經過養護數日后已經密合。在第二日施工由北往南的路段時，施工上不作震動搗實，因此只產生1條裂縫。雖然以上的觀測僅發生少量裂縫，而且經過再養護后裂縫均已密合，但若能嚴格驗證及養護則可以減少裂縫的產生。另外混凝土因含有水分，收縮仍不可避免，裂縫處必須進行鋸縫以疏解其應力，因此剛性路面的鋸縫應在終凝完成后第2 d即開始進行，以免造成龜裂。

6 結語

（1）高性能水泥混凝土及高性能鋼纖維水泥混凝土，若于施工前確實進行料源管制、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，坍落度可達到250±20 mm;高性能鋼纖維水泥混凝土坍落度可達到230±20 mm，并且具有60 s以上的流動時間。

（3）以骨材為基本架構，若經適當配比設計，則可以利用460 kg/m3的膠結料（含水泥及摻火山灰的石灰材料），獲得設計強度56 d抗壓強度為68 950 kPa及抗彎強度為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生的裂縫，可以透過養護工作及設置道路伸縮縫予以控制。剛性路面的鋸縫工作應在混凝土終凝完成后第2 d開始進行。

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

[2]李田生，王慶珍，宋寧強.水泥混凝土路面裂縫修補技術探討[J].公路交通技術，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材料試驗研究[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材料的研制[J].低溫建筑技術，2009（10）：125-126.