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m，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(wǎng)、電氣設備、路場、灌注樁、軌道、房建等配套設施，其中路場結(jié)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m，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(nèi)，結(jié)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m，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m，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m，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(zhì)量。

基于高強度水穩(wěn)的實用性和經(jīng)濟性，結(jié)合影響水穩(wěn)質(zhì)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(zhì)量，水采用港區(qū)內(nèi)的飲用水。

2.2 水泥

根據(jù)當?shù)厮嗔显矗蠧PJ42.5N 和CPA42.5R 兩種水泥可供選擇，水泥性能參數(shù)如表1 所示。

表1 水泥性能參數(shù)

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(nèi)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(jù)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(jié)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

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

通過以上試驗結(jié)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(jīng)雨水沖洗過的海沙以及機制砂。

2.4.1 河沙和經(jīng)雨水沖洗過的海沙的選擇

當?shù)睾由巢勺詾a湖，河沙運距遠，顆粒細，雜質(zhì)多，級配變化大，質(zhì)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?shù)亟涤曦S富，該項目場地內(nèi)吹填后的海沙經(jīng)雨水沖刷后經(jīng)檢測滿足指標要求，因此考慮將防波堤淤積海沙取出后經(jīng)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(jīng)雨水沖刷前后氯離子含量對比

圖3 海沙篩分級配曲線圖

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(jié)合本區(qū)域內(nèi)船機閑置優(yōu)勢，海沙倒運不需要發(fā)生高額船機調(diào)遣和使用費用。

綜合對比后，經(jīng)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(chǎn)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(jù)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(jié)合起來使用，另外，海沙無黏聚性，機制砂有略微板結(jié)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(jù)經(jīng)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/cm，最佳含水率為6%，立方體試塊28 天抗壓強度測試結(jié)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(jié)合施工規(guī)范和其他項目的經(jīng)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?shù)浆F(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(nèi)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(nèi)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(zhì)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(chǎn)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(jù)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(diào)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(jié)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(jié)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(diào)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(jié)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(jié)見表13，根據(jù)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(zhì)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(diào)整水泥用量分別為9%、8%、7%。

水泥用量調(diào)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(nèi)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(jīng)過測試所得結(jié)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(jù)壓實度進行測試，7%～10%水泥含量均能夠滿足設計要求。結(jié)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(jié)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(jié)合自身特點，就地取材，在滿足技術要求的條件下，使用經(jīng)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(jié)作用，粗集料提供骨架結(jié)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(nèi)試驗到現(xiàn)場攤鋪、碾壓及養(yǎng)護等均需要把控好施工質(zhì)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。