隧道露石水泥混凝土路面滑模攤鋪配合比研究

胡石堅

(廣東省高速公路有限公司，廣東 廣州 510623)

經濟的發展推動著高速公路建設不斷進步，特長隧道隨之日益增多。特長隧道洞身路面首選混凝土路面，其施工存在工作面長、混凝土方量大、施工器械多、施工周期長等不利因數，一臺在不使用邊緣模板情況下將布料攤鋪、振動刮平、擠壓成型、抹面及打設傳力桿等居多機械安裝在可自動調整混凝土路面厚度和攤鋪行走方向的自行機械——三輥軸滑模攤鋪機運用而生，三輥軸滑模攤鋪機憑借自身優勢在特長隧道路面施工中越來越普遍；同時，隨著交通量、車輛載重、車輛速度、行車舒適性等方面需求的提高，對高速公路路面功能要求也越來越高，耐久性好、低噪音、排水性強、反光系數小、抗滑性能好的露石水泥混凝土路面在特長隧道中的應用也在逐步增加。為驗證隧道露石水泥混凝土路面三輥軸滑模攤鋪施工原材料要求，提高施工的應用效果，有必要對其原材料及配合比等進行集中設計并準確、有效、經濟地檢驗設計結果。

1 配合比設計指標要求

研究依托廣東潮惠高速公路蓮花山2#隧道，隧道長5 108 m、單幅路面寬度12.3 m，使用三輥軸滑模攤鋪機，攤鋪機行走區每側0.7 m，滑模攤鋪寬度10.9 m，路面厚度26 cm，混凝土抗彎拉設計強度5.0 MPa、抗彎拉彈性模量31 000 MPa。

2 原材料指標要求

2.1 水泥

考慮水泥混凝土路面需要的抗滑性和耐久性，優先使用低熱硅酸鹽水泥，低熱硅酸鹽水泥混凝土不僅耐久且后期強度高，其吸水率小、屈服黏度低的優點也有助于提高低坍落度混凝土的體積穩定性。

當低熱硅酸鹽水泥供用困難時，可使用普通硅酸鹽水泥或道路硅酸鹽水泥，但水泥各齡期實測強度值、成分、物理指標等需符合《公路工程水泥混凝土路面施工技術細則》JTG/T F30—2014(下稱：《細則》)面層水泥混凝土用水泥的要求。

2.2 礦物摻合料

道路硅酸鹽水泥所配制的路面混凝土中可摻入粉煤灰、礦粉等摻合料，普通硅酸鹽水泥不應摻入粉煤灰，但可摻用礦渣粉或硅灰。

礦粉的摻入能夠降低水泥混凝土的水化熱，提高混凝土強度等級，改善水泥混凝土和易性，如附近地區有豐富的礦粉儲量，優先采用粒化高爐礦渣粉，礦渣粉級別宜為S95級及以上。礦粉及硅灰的指標要求見表1。

表1 面層混凝土用礦渣粉及硅灰性能指標要求

2.3 碎石

露石水泥路面混凝土的碎石技術指標要比普通路面混凝土高，除滿足《細則》中Ⅱ級要求外，還需是經過反擊破加工、質地堅硬、潔凈、有棱角的碎石，最大粒徑不宜超過16 mm，采用5～10 mm和10～15 mm兩檔單粒級混合摻配。其他指標要求見表2。

表2 碎石技術指標

2.4 砂

砂優先使用質地堅硬、耐久、潔凈的天然河砂。當天然河砂供應不充足時，應保證行車道用天然河砂，應急帶(攤鋪機行走區)用機制砂替代。

(1)天然河砂

路面混凝土主要依靠小顆粒(包括砂等)提供車輛前進或制動的摩擦力。顆粒細小，接觸面增大，抗滑性能增加；同時，天然河砂粒徑>2.36 mm時，會使得沙子中粗集料比例過大，做出的路面不美觀，還因粗砂和水泥漿的握裹面小，造成后期行車荷載作用下容易脫落，對路面耐久性造成不利影響。所以，天然河砂宜選用偏細中砂(可通過在砂場加篩孔過篩，去除>2.36 mm顆粒)，質量標準不得低于《細則》中Ⅱ級砂。

(2)機制砂

機制砂應使用專用設備生產，原料為堅硬碎石，可用于雙層攤鋪工藝的混凝土下面層、應急車道或攤鋪機行走區，質量標準參照《細則》。

2.5 混凝土外加劑

水泥混凝土外加劑宜采用滿足要求的復合型減水劑，出于對混凝土流變特性的具體需求，改善混凝土路面平整度的技術難題，需采用液體萘系緩凝減水劑及低坍落度混凝土專用液化劑，以保證混凝土在低坍落度下的工作性能，且萘系減水劑的固含量不低于20%。其他技術指標詳見《細則》對混凝土外加劑的具體要求。

3 混凝土工作性能

混凝土工作性能是一項綜合技術性能，不僅包括流動性、黏聚性和保水性，還與施工工藝相匹配，具體從以下幾方面體現。

3.1 混凝土坍落度

通過國內外工程實踐及科研試驗路發現，混凝土的坍落度大小，對混凝土的平整度有很大的影響。

低坍落度路面水泥混凝土源于解決普通路面水泥混凝土在高頻或低頻振搗條件下很難達到充分液化密實問題，這是混凝土在塑性階段產生微沉降致使路面平整度變差的主要誘因。通過低坍落度混凝土立模性高的品質及摻入混凝土液化材料來激發低坍落度混凝土出漿性，可以架構路面混凝土所需的調平功能層，能達到提高路面的平整度、抗滑性及耐久性等效果。

高速隧道露石水泥混凝土路面三輥軸滑模攤鋪配合比的出機坍落度不宜>6 cm，經時坍落度≮3 cm，現場坍落度宜控制在2～5 cm之間(三輥軸配備>9 000 r/min的電動高頻振搗棒，直徑>60 mm)。

3.2 振動黏度系數及液化時間

混凝土的振動黏度系數需考慮滑模攤鋪機的攤鋪速度、攤鋪厚度及振搗頻率。隧道路面厚度26 cm，滑模攤鋪速度一般控制在0.8～1.2 m/min，振搗頻率不低于90 000 r/min，振搗棒對混凝土有效的振動時間為30s，也即混凝土液化時間最多不超過30 s，此時的混凝土振動黏度系數200～500 Ns/m2(振動黏度系數評定參見JTG/T F30—2014附錄A)。

3.3 砂漿層厚度

混凝土路面的砂漿層為抗滑耐磨功能層提供行車必要摩擦力，實現露石效果的露石水泥混凝土路面也是該部分被清掃沖洗后形成構造深度提供行車摩擦力，其厚度檢測方法如下。

(1)目的及適用范圍

為掌握露石水泥混凝土路面施工中砂漿層厚度，引入了“混凝土砂漿厚度檢測方法”。

(2)儀器設備

混凝土砂漿厚度檢測儀：由一底部為坡口的外環刀(外徑80 mm、內徑75 mm、壁厚2.5 mm、高70 mm、刀口高度6.5 mm)和一輕質帶底的內環筒(外徑74 mm、內徑71 mm、壁厚1.5 mm、高100 mm)組成，其精度0.1 mm，外環刀和內環筒均采用不銹鋼材質，如圖1所示。

圖1 混凝土砂漿厚度測定儀

(3)試驗步驟

①攤鋪面層施工完成后，在中間位置或在距離支護模板不少于100 mm的范圍選定測試位置。

②水濕潤(利用濕布濕潤)外環刀和內環筒后用外環刀套住內環筒，放于平板上，記錄初始讀數位置，即此時外環刀頂部在內環筒的刻線位置(一般為零)。

③測試時，先將外環刀的坡口朝下，套住內環筒，將其輕輕放置提漿后的路面面板上，外環刀依靠自重坡口部位沉入水泥漿內，輕質帶底的內環筒沉入水泥漿的深度小，可忽略不計。在內環筒上標有相應的刻度，穩定后依靠內環筒上的刻度可進行讀數，讀數至0.1 mm，測定表面砂漿層厚度，相鄰近位置再測定兩次。

(4)試驗結果

結果以三次試驗的平均值為準，平均值精確至0.1 mm。單次測量數據與平均值相差超過1.5 mm時，應剔除該次數據重測并重新計算平均值。經實驗總結，混凝土路面的砂漿層厚度宜控制在3～5 mm，太厚及太薄均不利于抗滑性或耐久性。

3.4 立模特性

混凝土拌合物是賓漢姆體，具有流變性及可塑性，應在無外力情況下能夠抵抗形變，在一定外力作用下具備可塑性強特點，一般用立模特性來評價混凝土拌合物流變性能。立模特性是平整度在塑性階段的表征形式，體現為混凝土拌合物側端滑模前后的形變差，即側端混凝土的豎直方向高差和水平方向差。立模特性測試方法如下。

(1)目的及適用范圍

為檢驗塑性水泥混凝土的立模特性，通過實測試驗槽內水泥混凝土在抽掉側向鋼模板后兩側的塌邊高度，以此為指標來表征水泥混凝土的立模性及靜變特性，此方法定義為“水泥混凝土側向坍落度檢測試驗方法”。

(2)儀器設備

①側向坍落度試驗槽為方形鋼槽520 mm×260 mm×260 mm，兩側鋼板可以抽出。

②量程大于50 kg、感量為10 g的電子稱。

③頻率范圍為150～200 Hz的振搗棒。

④抹子、料桶、鐵鏟等。

(3)試驗步驟

①按照JTG E30-2005要求的取樣方法進行拌合與取樣。

②將新拌混凝土分兩層裝入試驗槽，每層用棒振搗充分振搗至混凝土頂面無大氣泡冒出、浮漿飽滿為止，并用抹子抹平頂面。

③緩慢抽出試驗槽鋼板(同時，用抹子在抽出鋼板的兩側各抹兩到三下)，待塌邊穩定后用鋼尺測量頂面橫向變形和側面側端豎向變形，每面各測5處，測點要包括最大值和最小值。

④試驗結束后，清理試驗槽內混凝土，并對試驗槽及各試驗工具進行清洗。

(4)結果

將水泥混凝土側向坍落度試驗槽測得的混凝土塌邊高度和寬度分別求平均值，用求得的混凝土塌邊高(寬)度平均值表征混凝土側向坍落度。為保證滑膜效果，要求混凝土塌邊高度平均值(側端豎向變形)不大于3 mm，塌邊寬度平均值(橫向變形)不大于15 mm。

(5)說明

在水泥混凝土路面施工中，滑模施工已成為其主流施工方式?；Ｊ┕ぞ哂幸苿映尚偷奶攸c，攤鋪機過后，側向模板隨之滑除，水泥混凝土側向坍落度試驗槽能客觀模擬滑模施工時的相應施工工序，混凝土側向坍落度大小能有效量化混凝土振搗后的立模特性。

3.5 出漿量

在混凝土振動時，內部各組成成分都處于不斷運動狀態，這種狀態大大降低了混凝土各成分顆粒間的嵌擠力和內摩阻力，使得顆?；ハ嗝撾x，重力作用下粗骨料顆粒下沉，水泥漿體上涌，混凝土失去穩定狀態而流動，產生液化現象。為數據化這一現象，引入了“低坍落度混凝土出漿量測試方法”，該方法能檢驗混凝土在作用功下漿體運動的速度、黏度的狀態，也能反映混凝土配合比漿集比的飽滿度。該方法試驗儀器為“低坍落度混凝土出漿量測定儀”，具體試驗方法如下。

(1)方法概述

低坍落度時，坍落度法、韋博稠度法、粘度系數法對混凝土液化效果的表征均不敏感，需要新的測試低坍落度混凝土液化效果的容器以及方法，即“低坍落度混凝土出漿量測試方法”。方法適用于低坍落度在5～30 mm間的水泥混凝土路面用混凝土拌合物的稠度測試，其碎石粒徑不能大于40 mm，通過模擬混凝土拌合物在固定振動頻率作用下出漿情況來評價混凝土的液化效果。

(2)試驗用儀器技術參數

圓孔篩筒為防銹合金制成的帶底圓篩，筒內直徑240±2 mm，筒高為200±2 mm，壁厚3±0.2 mm，篩孔直徑5±0.1 mm，相鄰孔圓心間距8.0±0.2 mm。震動臺外形尺寸為380 mm×500 mm×670 mm，重30 kg，電機功率250 W，震動頻率3 000±200次/分，振幅0.5±0.1 mm。

(3)試驗用儀器結構

儀器由以下部分組成。

①圓孔篩筒通過定位螺栓，固定在震動臺上。

②喂料口固定在立柱上，測桿通過旋轉架與立柱相連，測桿下部安裝有水平透明圓盤，并用定位螺釘把側桿固定在旋轉架的導向孔中，旋轉架利用十字凹槽通過固定螺絲固定在立柱上，就位后側桿及喂料口的軸線分別與出漿圓孔篩筒的軸線重合。

③透明圓盤(厚度10±2 mm、直徑230±2 mm)通過配重螺母固定在側桿下端，側桿、配重螺母及圓盤組成的滑動部分總重量為2 750±50 g。

④搗棒為長600 mm、直徑16 mm的鋼棒，端部磨圓。

⑤震動臺參見“3.5.2試驗用儀器技術參數”

(4)儀器的調平

操作臺與儀器底面的不平行度應小于1 mm，即震動臺放在操作平臺上后，震動臺四角位置高度差應小于1 mm。使用中如發現超差，必須通過修正四個機腳高度調平。

(5)儀器的操作步驟

①儀器放在堅固的水平操作平臺上，利用濕布濕潤用具內壁。

②喂料口移至圓孔篩筒正上方，校正位置使圓孔篩筒軸線與喂料口軸線重合，然后擰緊蝶形螺母固定。

③稱量圓孔篩筒的質量m1。稱取16 kg混凝土試樣用小鏟分三層裝入出漿圓孔篩筒內，用搗棒均勻插搗每層試樣料25次，插搗深度需深入下層1～2 cm，每層料搗實后大概為1/3篩筒高，插搗完畢后抹平頂面。

④把透明圓盤轉至圓孔篩筒頂，放松固定螺絲，緩緩降下圓盤至混凝土頂面。

⑤按控制器“啟動”按鈕，同時按下秒表計時，振動至20 s時，瞬間按“停止”按鈕，待震動臺停止振動時，松開定位螺栓。將圓孔篩筒外的混凝土膠漿用摸布擦除干凈，并稱重為m2，數值精確值0.01 kg。出漿量m3按下式計算

m3=m1+16-m2

取兩次測試結果的平均值，如兩次結果數值超過平均值15%，則另取重做，如連續出現兩次上述現象，則本次拌和的混凝土不能做這項試驗。

(6)結果

研究表明，對于低阻力低坍落度路面水泥混凝土而言，振動出漿法下，出漿量控制在1.2 kg/16 kg～1.5 kg/16 kg范圍內的液化效果較好。

(7)儀器的維護和檢查

①一次測試結束后，必須將用具洗凈，并且擦干(特別是電器部分)，以便下次使用。

②每次啟動控制器前，必須檢查螺釘是否上緊，各部件(零件)是否牢固。

③如側桿、圓盤及配重螺母組成的滑動部分總重量小于2 700 g，則需通過在頂端螺釘下方多固定50 g墊圈來增加配重，以滿足總重量為2 750±50 g。

3.6 路用性能控制指標

隨著車流量的日益增加，公路水泥混凝土路面抗滑性能衰減加劇，行車安全問題凸顯。同時，伴隨著優質河砂資源匱乏，取而代之的機制砂應用加劇了這一趨勢，因為機制砂的石粉及針片狀顆粒的大量存在，使得其抗滑耐磨性能較河砂大幅降低。針對目前優質河砂逐步面臨枯竭，河砂質量越來越難以控制，被機制砂取代的情況越發普遍，數據化路面抗滑耐磨性能的控制指標非常必要。

抗滑耐磨性能的控制指標可以分解為耐磨性能和粗糙度，經工程實際對比研究，面層混凝土的磨損量不大于2.5 kg/m2的情況下耐磨性能良好，刻槽前構造深度>0.3、BPN20>55(雖然擺值用于瀝青路面摩擦系數的測定，但能很好的模擬剎車時輪胎與路面摩擦的狀態，通過制動力的大小，能較好的評價露石混凝土路面抗滑性能)粗糙度良好。

4 配合比初步設計

4.1 設計方法及強度指標

推薦按照正交試驗法進行配合比設計，設計彎拉強度為5.0 MPa，計算方法詳見《細則》。

4.2 初步配合比

經比選原材料指標以及對實驗室試拌混凝土關于混凝土工作性能的檢測，工程試驗段用配合比初步選用三個，基本參數為：水灰比不大于0.4，膠凝材料用量380～400 kg/m3，采用4.75～9.5 m與9.5～13.2 mm兩檔碎石，砂用過2.36 mm篩孔的河砂，外加劑中選用低坍落度混凝土液化劑及與之匹配兼容的外加劑。

5 最佳配合比

經試驗段總結，3個配合比露石效果見圖2。

圖2 選用配合比試驗段施工效果圖

3個配合比7 d彎拉強度均超過設計要求的5.0 MPa， 但從露石效果及考慮隧道溫濕度環境影響，采用4.75～9.5 mm與9.5～13.2 mm兩檔碎石(比例為0.3∶0.7)、水灰比為0.39、膠凝材料用量為380 kg/m3、粒徑<2.36 mm河砂等參數較為合理。結合隧道露石水泥混凝土路面三輥軸滑模攤鋪工作性要求，出機坍落度不宜>6 cm，經時坍落度≮3 cm，現場坍落度宜控制在2～5 cm之間。比較實測破型混凝土強度和試驗段施工效果，可以確定“配合比二”為最佳配合比,見表3。

表3 露石面板最佳配合比

該配合比施工效果見圖3。

圖3 確定的配合比效果圖

6 結 語

基于廣東潮惠高速公路蓮花山2#隧道露石水泥混凝土路面三輥軸滑模攤鋪的配合比應用研究，檢驗了碎石、砂、水泥、混凝土外加劑、礦物摻合料等原材料指標要求的合理性，通過提出引入“混凝土砂漿厚度檢測方法”、“水泥混凝土側向坍落度檢測試驗方法”、“低坍落度混凝土出漿量測試方法”及“瀝青路面摩擦系數(擺值)測定方法”等對實驗室試拌露石水泥混凝土各項工作性能進行量化檢驗測試，得出的初選配合比能有效實現試驗段目的，對比試驗段施工效果確定的最佳配合比可直接應用于同類工程。