高钛重矿渣在重载公路路面工程中的应用

刘燕华, 陈 波

(1.中国水利水电第五工程局有限公司第一分局,四川 成都 610066;2.四川二滩国际工程咨询有限责任公司,四川 成都 610072)

1 概 述

观音岩水电站位于攀枝花市境内的金沙江上,格观公路为该电站建设进场公路,其中庄观段于 2004年 7月由我公司中标承建。庄观段位于拉罗箐沟与金沙江交汇处(庄上村),起点桩号为 K0+000.0,设计高程为 1 036 m;终点位于观音岩附近,桩号为 K6+224.577,设计高程为 1 046.881 m,路线全长 6 224.577 m。根据电站建设需要,庄观公路段的设计标准为:路面宽 8 m,路基宽 9.5 m,混凝土路面。路基宽度组成为:两侧路肩 2×0.75 m+行车道 2×4.0 m=9.5 m。设计荷载:汽车 -63,挂车 -200。

庄观标段主要工程项目为:路基工程、路面工程、排水及涵洞工程、防护工程等。2004年 7月中标签约时天然建筑材料价格:砂为 62元/m3,碎石为 37元/m3,合同工期 17个月。根据设计计算,路面工程的级配碎石底基层、水泥稳定碎石基层和混凝土面层的材料需用量为碎石 37 444 m3,砂 23 440 m3。因业主资金问题,直到 2007年 9月,路面工程施工才全面开始,而当年攀枝花地区的天然建筑材料运达工地的价格已分别上涨:砂为 90元 /m3,碎石为 65元 /m3。尤其是合同文件中规定:施工过程中项目单价不因材料费上涨而做调整。如果找不到同时满足技术和造价控制要求的替代材料来源,仅这两项材料价差,项目就将面临 170万元的亏损。

为了寻找天然砂石替代材料,项目部经过大量的市场调查,发现攀枝花地区民用建筑中大部分使用高钛重矿渣作为骨料拌制混凝土,价格远远低于天然骨料价格。攀枝花是有名的钢铁钒钛之都,其工业矿渣的含钛量极高,约为 15%左右,故称之为高钛重矿渣,由攀枝花环业冶金渣开发有限责任公司生产的高钛重矿渣碎石运达工地的价格为 41元/m3,高钛重矿渣砂运达工地的价格为 44元/m3,远远低于当地天然建筑材料的价格,若能将其成功应用于庄观公路工程,即能解决上述问题。

2 高钛重矿渣的主要特点

高钛重矿渣与普通碎石不同,具有压碎值低、表面粗糙、孔隙多、吸水率大、碎石颗粒级配稳定等特点。矿渣碎石坚固性好,用硫酸钠溶液循环浸泡 5次质量损失仅为 1%;结构稳定,无石灰分解和铁分解;硫化物及硫酸盐含量低,有机质含量低,属中性矿渣,不腐蚀钢筋;表面粗糙、多棱角,表面摩擦系数较大,与水泥浆粘结性好。矿渣砂坚固性好,强度高,砂的颗粒富有棱角,表面粗糙,摩擦系数大,与水泥浆粘结良好。高钛重矿渣砂、矿渣碎石的主要物理特性指标见表 1。

表 1 高钛重矿渣砂、矿渣碎石主要物理特性指标表

3 施工参数设计及试验成果

3.1 设计指标

庄观公路路面结构形式为:15 cm厚级配碎石底基层 +35 cm厚水泥稳定碎石基层 +30 cm厚混凝土面板。其中混凝土面板的设计强度以龄期 28 d的抗弯拉强度为标准,水泥稳定碎石基层7 d浸水抗压强度不得小于 3.0 MPa,三个月龄期极限抗弯拉强度不得低于 0.5 MPa。其主要设计指标见表 2。

3.2 主要技术参数设计

表 2 主要设计指标表

为高钛重矿渣设计科学合理的施工技术参数并将其科学地应用于本标段所有路面工程的施工,在征得业主、设计等方面同意后,将 K4+700～K5+000段 300 m作为试验路段,通过该路段施工,确定试验段施工配合比、碾压参数并对压实度、弯沉值和混凝土强度等指标进行检测。

(1)配合比试验。经试验,级配碎石底基层、水泥稳定碎石基层、混凝土面板的配合比及试验结果见表 3～6。

(2)碾压参数的拟定。碾压参数的拟定主要是针对级配碎石底基层和水泥稳定碎石基层,首先由试验室做土工击实试验,以确定最优含水量和最大干密度。通过试验,确定了级配碎石底基层最大干密度 ρdm=2.25 g/cm3,最优含水量 W=5.3%;水泥稳定碎石基层最大干密度 ρdm=2.27 g/cm3,最优含水量 W=6.3%。然后由 K4+700～K5+000试验路段施工,总结出铺料厚度和压实遍数。最终拟定的松铺铺料厚度为:级配碎石底基层 18 cm。水泥稳定碎石基层需分两层铺料:第一层松铺铺料厚度为 21 cm,第二层松铺铺料厚度为 22 cm。具体碾压施工参数见表 7。

表 3 高钛重矿渣集料试验配合比(底基层)表

表 4 高钛重矿渣集料试验配合比(基层)表

表 5 配合比试验结果表

表 6 高钛重矿渣拌制混凝土试验配合比(路面)表

3.3 现场检测成果

(1)压实度检测。压实度测定采用灌砂法进行,试验路段级配碎石底基层压实度共检测了 12组数据,水泥稳定碎石基层压实度共检测了 10组数据且全部合格(表 8)。

(2)弯沉值检测。试验路段碾压完成和压实度试验满足设计和规范要求后测定弯沉值,级配碎石底基层和水泥稳定碎石基层分别检测 30组弯沉值数据,均小于设计要求,全部合格(表 9)。

表 7 碾压施工参数表

表 8 试验路段压实度检测结果表

(3)强度检测。试验路段水泥稳定碎石基层7 d浸水抗压强度和混凝土面板 28 d弯拉强度及抗压强度均大于设计要求值,全部合格(表 10)。

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4 主要施工方法

4.1 施工工艺

高钛重矿渣级配碎石底基层、水泥稳定基层、混凝土面层施工与天然砂石骨料作级配碎石底基层、水泥稳定基层、混凝土面层施工工艺基本相同(图 1、2和 3)。

4.2 施工方法

4.2.1 施工准备

施工前,备好路面工程施工所用的水泥及粗、细集料并分别进行检查、验收。将检查验收的结果报监理工程师审批,合格后方可使用。在铺料或混凝土浇筑前,应对下承层进行检查验收,下承层施工到设计标高后,表面应平整、坚实,具有规定的路拱、高程、横坡度、宽度且没有松散材料和软弱点,并经监理工程师验收认可。

4.2.2 测量放样

在级配碎石底基层和水泥稳定碎石基层施工前,测量技术人员根据施工图纸,采用全站仪放出路基中心线、边线。直线段每 10 m设一桩,曲线段每 5 m设一桩,边桩设在两侧路基边缘外 0.3～0.5 m处,并在边桩上用红漆标出基层边缘设计标高及松铺厚度。混凝土施工应安排在该段水泥稳定碎石基层施工完成 7 d后进行,测量人员根据设计图纸测量路中心线和路面边线,在中心线上每隔 10 m设一中桩,同时布设曲线主点桩及纵坡变坡点、路面板胀缝等施工控制点,并在路边设置相应的边桩。每隔 100 m左右设置一临时水准点,以便复核路面标高。

表9 试验路段弯沉值检测结果表

表 10 试验路段强度检测结果表

图 1 级配碎石底基层施工工艺

图 3 混凝土面板施工工艺图

4.2.3 混合料的拌和、运输与摊铺

级配碎石底基层混合料采用路拌法拌和。在摊铺级配碎石料前,先在下承层的表面利用洒水车适当洒水,使其表面湿润,以便于结合。级配碎石料采用 20 t和 5 t自卸汽车运至施工现场,并按规定的路拱利用 GR215平地机均匀地将其摊铺在预定的宽度上,每段摊铺完毕,人工配合平地机按设计断面要求刮出路拱并进行坡面整型。

混凝土由拌和站集中拌制,用 5 t自卸汽车运输。运至施工现场后直接入仓,人工配合整平、振捣,自行式振动梁按松铺厚度准确、均匀的刮平拌和物。摊铺过程中严格控制混凝土的松铺厚度,确保混凝土路面的厚度和标高满足设计要求。

4.2.4 混合料的碾压与混凝土浇筑

摊铺结束,利用 20 t自行式光面振动压路机按试验所确定的压实方法和碾压遍数进行碾压,先进行静压,待其稳定后再进行振动碾压,碾压遍数和碾压程序严格按试验路段确定的施工方法和施工参数实施。水泥稳定碎石混合料如表面水分蒸发较快,应及时采用人工补洒少量的水。施工时,严禁压路机在已完成的或正在碾压的路段调头和急刹车。凡压路机不能作业的地方,采用手扶式振动碾进行压实。

混凝土的浇筑振捣原则是先用振捣器振捣,再用振动梁进行振捣,以消除摊铺机在摊铺、振捣、整平过程中留下的麻面,用提浆棒(10 cm钢管制成)来回在混凝土面上滚动,以保证混凝土表面水泥浆均匀分布。混凝土的振捣时间以混凝土停止下沉、不再冒气泡并泛出砂浆为准。振捣时应辅以人工找平,并随时检查模板有无下沉、变形或松动,一旦发生下沉、变形和松动应及时修整,以确保路面体型。

4.2.5 其它环节

以高钛重矿渣为集料的水泥稳定碎石基层的接缝、养生以及混凝土路面施工的钢筋制作与安装、模板支立、接缝施工、养生等施工方法均与以普通天然碎石、砂为集料的施工方法完全一致,在此不再赘述。

5 经济分析

庄观段路面工程采用高钛重矿渣代替天然砂石骨料用于级配碎石底基层、水泥稳定碎石基层和混凝土面板施工,不仅满足了工程质量、进度的要求,而且大大降低了工程成本,使工程项目实现扭亏为盈,经济效益十分明显。砂石材料费的计算了对比情况见表 11。

表 11 砂石材料费计算对比表

6 应用情况

高钛重矿渣在试验路段成功应用并获得相关参数后,在得到业主、设计及监理工程师等相关方的一致认可后得以在本合同段全线所有粗细集料中全部采用。完工后,经当地交通建设工程质量监督站检测,路面工程共检测 1 736点,合格1 591点,合格率达 91.6%,路面水泥稳定基层压实度、平整度、厚度、横坡、中线平面偏位控制较好,无侧限抗压强度符合设计要求。交工验收质量检测合格,通车一年来本合同段公路运行情况良好。

7 结 语

在观音岩电站格观公路工程庄观段施工中,高钛重矿渣成功应用于重载公路的级配碎石底基层、水泥稳定碎石基层和混凝土面板等工程,进一步拓展了高钛重矿渣的应用领域。实践表明,高钛重矿渣可在土木工程等更广泛的领域作为天然砂石骨料的替代材料,其不仅可满足技术指标,同时无需增加专门设备,施工工艺和现场管理简便易行,具有广泛的推广价值;高钛重矿渣成功再利用,有效地节约了工程成本,经济效益显著;还能够大大降低工业废渣排放对工程建设地区的环境污染,减少对山体和河谷的开采,有利于保护生态环境,是践行国家可持续发展战略的积极措施。