混凝土預制塊體配合比設計及路面施工技術

趙培清，劉昌松

（湖南省建筑科學研究院有限責任公司，湖南 長沙）

在公路工程中，將混凝土預制塊體按照一定順序緊密排列，并在塊體之間的縫隙中填入砂子，可以構成聯鎖塊路面。這種路面具有較強的承載能力、荷載擴散能力和變形適應能力，在預防公路常見病害、延長公路使用壽命等方面發揮了良好作用。混凝土預制塊體的質量和施工技術，是決定連鎖塊路面質量的兩個關鍵因素，根據公路施工需要科學設計各物料的配合比，在此基礎上制作出抗壓強度、抗折強度等各項指標均符合要求的混凝土，然后使用專用設備制作混凝土塊體，經過鋪筑、填砂、碾壓后完成路面施工。

1 工程概況

某鄉鎮公路全長2 160 m，寬4.2 m，位于丘陵地區，是連接村鎮的主要道路。為了減少公路建設對沿線村民日常出行帶來的不便影響，需要在保證建設質量達標的前提下，盡量縮短工期。結合調查資料，該路段所在地區地質條件較好，無軟土、濕陷性黃土等不良地質，因此本工程中采取了混凝土預制塊體路面施工技術。

2 混凝土預制塊體配合比設計

2.1 原材料的選擇

制備混凝土預制塊體的原材料主要有4 類，分別是水泥、水、細集料（砂）和粗集料（石）。原材料的選擇要求如下：

（1） 水泥選用PO 42.5 普通硅酸鹽水泥，有制造成商提供的試驗檢測報告與合格證，無受潮結塊形象。對袋裝水泥進行抽樣檢測，抽樣數量不低于總數的5%，安定性、凝結時間、抗壓強度等各項指標的檢測結果見表1。

表1 PO 42.5 普通硅酸鹽水泥檢驗結果統計表

（2） 粗骨料的粒徑太大，混凝土容易出現離析，制成的塊體抗壓強度和抗折強度難以達到使用標準；相反，粗骨料的粒徑太小，配制混凝土使用的水越多，混凝土的可泵性變差[1]。因此，在制備C30 混凝土預制塊體時，選用粒徑為5～10 mm 的粗骨料。表觀密度、吸水率等指標的檢測結果見表2。

表2 粗集料性能檢驗結果統計表

（3） 細集料優先考慮級配良好、含泥量少的河沙；如果本地河沙較少，可用機制砂代替。在制備C30混凝土預制塊體時，選用的細集料表觀密度應大于2.5 g/cm3，含粉量不得超過5%。

2.2 配合比計算

2.2.1 配制強度

相比于普通塑性混凝土，干硬性混凝土具有水膠比小、密實性好、養護周期短、抗滲和抗凍能力強等特點，使用干硬性混凝土制成的預制塊體更符合路面施工要求。混凝土預制塊體的強度（F）計算公式為：

上式中，f 表示混凝土立方體抗壓強度標準值，以C30混凝土為例，這里取30 MPa；σ表示混凝土強度標準差，這里以5 MPa 計。將數據帶入上式后，可以求得F值為38.23 MPa。

2.2.2 水膠比

水膠比（W/B）也是影響混凝土配合比的重要因素，計算公式如下：

上式中，a1和a2均為回歸系數，本文配合比試驗中分別以0.53 和0.20 計；f1表示水泥在28 d 時的抗壓強度，對于P.042.5 普通硅酸鹽水泥來說，取42.5 MPa。將各項數據代入上式后，可以求得W/B 的值為0.53。該公式是以普通塑性混凝土為例求水膠比，而干硬性混凝土的水膠比要低于普通塑性混凝土，通常在0.35～0.45 之間[2]。本文將水膠比初步確定為0.38，1 m3混凝土用水量初步確定為135 kg，即m1=135 kg/m3。相應的，根據公式：

求得1 m3混凝土水泥用量（m2）為385.7 kg/m3。

2.2.3 砂率

參照《普通混凝土設計規程》(JGJ55-2011）中的有關規定，混凝土砂率在35%～40%之間。對于干硬性混凝土，對密實度有更高的要求，因此砂率略高于普通混凝土，通常在40%～50%之間。本試驗初步確定砂率（β）為42%。砂率的計算公式為：

上式中，m1表示1 m3混凝土中細骨料的用量，m2表示1 m3混凝土中粗骨料的用量，單位均為kg/m3。根據該式可以求得粗、細骨料的值，其中m1為728 kg/m3，m2為1 016 kg/m3。在確定原材料的配合比后，制作混凝土試件，并參照《混凝土結構設計規范》（GB50010-2020）中的有關規定開展抗壓強度試驗，結果見表3。

表3 混凝土預制塊體強度實驗表

3 混凝土預制塊體路面施工技術

3.1 混凝土預制塊體的制備與檢驗

預制設備為混凝土攪拌機和混凝土砌塊機，按照上文設計的配合比，將水泥、砂、石、水4 種原材料按照質量比倒入攪拌機中，設定好攪拌速度、攪拌時間等參數后，將原材料攪拌至均勻。通過料筒將制備的混凝土輸送到砌塊機中。在砌塊機內，混凝土進入專用磨具后依次完成壓實、成型、脫模3 道工序，即可得到混凝土預制塊體，最后將塊體放置在相應的場地進行覆蓋養護。對于脫模后無法成型的，或者是存在缺裂等質量問題的，需要重新返回攪拌機將其打碎，實現材料的回收利用。整個制作流程如圖1 所示。

圖1 混凝土預制塊體的制作流程

對于預制的混凝土塊體，還要進行嚴格的質量檢驗。根據設備的生產能力確定檢驗批次，例如某型號的混凝土砌塊機日產量為1.5 萬塊，則將1.5 萬塊混凝土塊體作為一批次，檢驗內容包括外觀檢測、尺寸允許偏差檢測、抗壓強度檢測等。以抗壓強度檢測為例，每批次的混凝土塊體中隨機抽取50 件（抽樣數量不低于5‰），將試件放入15～25 ℃的清水中浸泡24 h，保證試件全部沒入水中。之后將試件取出，瀝干水分后立即開展抗壓強度試驗[3]。抗壓強度（C）的計算公式為：

上式中，P 表示試件破壞荷載，單位為N；A 表示試件受壓面積，單位為mm2。50 塊試件中，合格試件超過45 件，即合格率大45%，評定為優良；合格率在70%～90%之間，評定為合格；合格率小于70%評定為不合格。

3.2 基層和墊砂層施工

在公路工程中，基層發揮了承重作用，提高基層施工質量對保證路面平整度、降低路面車轍、坑槽等病害的發生率有良好效果，基層施工流程如圖2 所示。

圖2 基層施工流程

基層施工所用碎石優先考慮質地堅硬、雜質較少的碎石以及含泥量較少的石屑；壓實度應達到98%以上。在基層上繼續鋪筑砂墊層，主要材料為粗砂，采用機械撒布與人工平整配合的方式進行施工，可以起到穩定混凝土預制塊體，以及保證相鄰塊體之間相互嵌鎖的效果。

3.3 預制塊體鋪筑

鋪筑混凝土預制塊體是路面施工的重要環節，也是影響公路使用性能的關鍵因素。預制塊體的鋪筑方法如下：

（1） 測量放樣。參照施工圖紙在路面的邊線和中線上布置邊樁和中樁，同時按照順序標記出樁號，以及路面的設計高程。其中，直線段每10 m 設1 樁，曲線段每5 m 設1 樁。

（2） 預制塊體的鋪筑。使用自卸汽車將混凝土預制塊體運送到施工路段，鋪筑順序為先鋪兩側邊線，再鋪中線，最后鋪邊線和中線之間的部分[4]。目的時利用邊線和中線作為引導，提高鋪筑質量。使用機械鋪筑雖然能夠加快施工效率，但是成本較高，對于農村公路仍然以人工鋪筑為主。在公路邊線上擺放縱向排列的3 行預制塊體，長邊方向與行車方向一致，邊線與中線之間的塊體可采用比較簡單的橫向排列的鋪砌方式（如圖3），或者是較為復雜的“人”字型或者“工”字型鋪砌方式。

圖3 路面邊緣混凝土預制塊體鋪砌形式

對于公路的曲線部位，考慮到公路內側曲線長度要小于外側，在曲線兩端的直線段將整個曲線段切割成一個扇形，這種情況下要根據曲率半徑的不同采取相應的鋪筑方法。如果彎曲路段的曲率半徑較大，這種情況下平面線性的變化不太明顯，通過調整混凝土預制塊體的接縫寬度或者是改變鋪筑形式，即可適應曲線段的變化；如果彎曲路段的曲率半徑較小，上述方法不能滿足施工要求。這種情況下常用的施工方法為：在扇形兩邊仍然沿用直線段的鋪筑方式，靠近扇形中線時，將預制塊體進行切割加工，使其能夠剛好填入中間剩下的小三角形區域，從而完成扇形區域的鋪筑。

（3） 碾壓。完成路面混凝土預制塊體的鋪筑后，向塊體之間的縫隙中撒鋪嵌縫砂，使用掃帚將表面殘留的砂全部掃入接縫內，然后開始碾壓。為了提高壓實效果，碾壓分2 次進行，初壓采用噸位為10 t 的輕型鋼輪壓路機，以3 km/h 的速度勻速靜壓，碾壓遍數2～3 遍即可[5]。完成初壓后，觀察是否有沉陷、位移或破損的塊體，如果有需要及時校正、更換。然后按照同樣的方式，撒布第二遍嵌縫砂，并進行復壓。復壓時選擇15 t 的鋼輪壓路機，行駛速度為2 km/h，碾壓遍數為2 遍；然后將行駛速度調整為2.5 km/h，再勻速靜壓4 遍。復壓結束后，進行路面灑水并清掃，然后開放交通。

4 結論

將混凝土預制塊體應用到公路工程中，相比于瀝青混凝土公路能夠節約施工成本和養護成本，同時還能改善公路性能，預防車轍、坑槽等常見病害。從現有的施工經驗來看，混凝土預制塊體應用中應重點加強配合比設計、生產、鋪筑等方面的管理，才能發揮預制塊體的應用優勢，切實提高公路工程的施工質量。