碾压混凝土基层在高速公路改扩建工程中的应用

许新水

(广东交科检测有限公司，广州 510550)

0 引言

沈阳至海口高速公路汕尾陆丰至深圳龙岗段(简称深汕西高速公路)是联系珠三角核心区与粤东的交通要道，也是通往福建等东部沿海地区的省际通道。深汕西高速公路于1996年建成通车，部分路段采用水泥混凝土路面，后于2008年进行大修加铺沥青混凝土面层。随着交通量不断增大，双向四车道公路已经不能满足车辆通行需求，因此于2019年进行改扩建施工。该路段原路面结构层中充当基层角色的水泥混凝土路面，在对应的扩建路侧采用RCC基层进行拼接处理。国内RCC的应用最早可追溯到上个世纪80年代，由交通部公路科学研究院与安徽省公路设计院合作进行研究、铺筑10余km试验段。在广东省仅广梧高速公路、云罗高速公路、广乐高速公路、梅大高速公路等新建高速公路工程进行应用，约300km。关于RCC的路用性能，相关文献[1-3]也指出其具有强度高、承载能力大等特点，并且可有效提高基层的强度和抗冲刷能力，在公路改扩建工程中采用RCC基层，可以保证与原混凝土路面的刚度相匹配，有利于向沥青面层提供更为均匀的承载能力。

本文对深汕西高速公路改扩建TJ5合同段RCC基层的原材料、配合比、施工质量控制进行统计分析，并对其验收的关键指标弯拉强度与芯样劈裂强度进行了回归分析，供类似工程参考。

1 原材料试验与配合比设计

1.1 原材料

(1)水泥为惠州塔牌P.0.42.5(缓凝型)普通硅酸盐水泥，检测结果见表1。

表1 水泥物理性能

(2)粗集料来源于项目的1#碎石加工厂，机制砂来源于机制砂生产线，其检测结果见表2和表3。

表2 粗集料主要技术指标

表3 机制砂主要技术指标

1.2 配合比设计

根据相关文献[1]，高速公路碾压混凝土的配合比使用正交试验综合设计方法，以满足其弯拉强度、保证工作性和耐久性的要求后，尽可能地经济，因此，本文采用正交试验方法进行配合比设计。

1.2.1 设计要求

以28d抗弯拉强度指标作为RCC试验配合比设计指标，设计要求28d抗弯拉强度不小于3.5MPa。施工过程中，7d抗压强度按12MPa控制；工作性以改进的VC值评定，其值控制在30±5s。

1.2.2 配合比试验及选定

RCC配合比计算采用绝对体积法。通过正交试验分析，综合设计得出最优的级配、水泥和用水量，根据公式计算其强度为4.3MPa。

1.2.2.1 正交试验

根据集料筛分结果，设计了三个级配,见表4。

表4 粗细集料合成级配

表5 水平因素

1.2.2.2 试验结果分析及配合比的选定

根据选定的级配、单位水泥用量及用水量，分别制备碾压混凝土并测定其改进VC值，按照压实度98%进行成型试件，脱模后按照规范要求进行养生至相应龄期，进行抗弯拉强度及抗压强度试验。试验结果见表6。

表6 正交试验分析

从试验结果可以得出，在满足改进VC要求的同时，6号配合比的强度指标最好，即：2#级配，240 kg/m3的水泥用量，110kg/m3的用水量；但4号配合比的经济性优于6号配合比，即：2#级配，220kg/m3的水泥用量,115kg/m3的用水量，其和易性、强度指标均满足要求。

从表6可以看出,影响VC值的因素顺序为：级配>水泥用量>用水量，这也间接地说明级配及水泥用量是影响和易性的主要因素。影响7d抗压强度的因素排序为：级配>水泥用量>用水量；影响28d弯拉强度的因素排序为：级配>用水量>水泥用量。说明不同因素对不同龄期的强度影响也不相同。

2 施工控制

碾压混凝土基层的施工工序：拌合→运输→摊铺机摊铺(摊铺前植入拉杆)→碾压→养生→切缝、清缝→灌缝。本文根据实体工程应用情况，总结施工质量的控制要点。

2.1 拌和

根据配合比设计得出影响混合料质量的重要控制指标为级配、水泥及用水量，其中用水量直接决定了其改进VC值的大小。针对用水量控制需要从拌料前开始，拌合前检测各料仓集料的含水率，根据检测结果填写配合比通知单并下达拌和站，出料后立即检测其实际的含水率、水泥用量及混合料级配。为精准控制生产过程中的含水率，对拌合站进行相关改造，在拌缸出口输送带位置安装含水率探头，结合主控系统，对混合料实现动态调整用水量(图1)。在混合料运输过程中覆盖篷布，防止水分蒸发。

图1 变频补水装置

2.2 摊铺

RCC基层厚度设计为26cm，经过试验段得出其松铺系数为1.3；摊铺前在新旧路面交界处植入拉杆，用于改善新旧板错动和防止纵缝扩大。后采用全自动水泥浆洒布车对下承层洒布水泥浆，其水与水泥的比例为2:1、洒布量为1.5kg/，用来改善层间粘结强度，如图2所示。

图2 摊铺前对工作面的处理

摊铺时为避免产生纵向冷缝，采用两台摊铺机成梯队进行连续摊铺，其单台功率为180kW，满足施工需求。但由于松铺厚度大，摊铺时粗集料易向前滑落，造成粗、细集料分布不均匀，形成了竖向离析带。为解决此问题，对摊铺设备进行局部改进，布料器前方加设挡料板、分动箱安装分料板(图3)。摊铺时控制前挡料板与下承层的间距尽可能地低于1cm，并保持混合料高于螺旋布料器2/3以上。通过改造摊铺机，有效解决了纵向离析带的问题，如图4所示。

图3 摊铺机改造

图4 RCC摊铺

2.3 碾压

碾压是施工过程中质量控制的重要环节之一。在拌合、摊铺过程中保证混合料均匀后，密实度大小是影响其强度的主要因素。RCC结构层厚度比一般的基层厚，适当提高初始压实度(摊铺后的压实度)可有效降低碾压时对混合料推移形成的波浪；在正式碾压时应遵循先轻后重、先低后高的碾压顺序，以此减少碾压对混合料的推移。根据试验段总结比较适宜的碾压组合为：13t双钢轮初压1～2遍+26t单钢轮复压3遍以上(以满足压实度为终止条件)+13t双钢轮终压1～2遍收面。新旧路面拼接处因空间狭小，需同步采用小吨位的压路机进行补压，以保证其密实度，同时杜绝快速启动、紧急刹车，且严禁设备在施工面掉头。

2.4 养生

碾压混凝土基层经检测合格后应立即覆膜养生，养生薄膜相互搭接长度建议大于20cm,并用砂袋进行辅助压边(图5)。养生期间需保持工作面的潮湿，在7d的养生期间，除补水车外，禁止其它车辆通行。

图5 覆膜养生

2.5 切缝、清缝与灌缝

施工完成后，结合日平均气温及昼夜温差确定合适的切缝时间，一般养生后24～48h左右进行，以免因强度上升后产生收缩裂缝。正式切缝时，应充分考虑10m的间距以及与旧路面板缝对齐，同时缝深应大于铺筑层后的1/4，且大于70mm，缝宽宜为5～8mm。切缝时产生的灰浆，需立即清理。养生结束、再次进行清缝后，采用70#道路石油沥青灌缝处理。

图6 切缝深度与芯样

3 劈裂与弯拉强度

《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)仅提供了二级及二级以下公路的芯样劈裂与标准小梁弯拉强度的统计公式，对高速公路、一级公路并未提供，但规范中也提到高速公路、一级公路应采用各自工程的统计公式[4-5]。因此，对工程实际使用的配合比芯样劈裂、标准小梁强度进行了统计。

3.1 数据统计

在施工时采集3d、7d、14d、28d的芯样劈裂强度及对应的小梁弯拉强度结果后进行数据统计，剔除特异值，最终统计出相应结果[6-10]，见表7。

表7 芯样劈裂与标准小梁弯拉强度

3.2 拟合曲线

采用表7中的强度统计结果，对不同龄期的劈裂强度与标准小梁强度、芯样劈裂强度与龄期分别进行统计分析，得出相应的统计公式及相关系数R2，如图7～图8所示。

图7 劈裂强度与标准小梁强度关系

图8 芯样劈裂强度与龄期关系

图9 强度差值与龄期的关系

4 结语

结合深汕西高速公路改扩建工程碾压混凝土基层的应用实践，本文从RCC基层的原材料、配合比及质量控制等方面进行分析与总结，并根据实体工程中芯样劈裂强度与弯拉强度的对应关系，通过回归分析得到了弯拉强度与劈裂强度的换算公式。

(1)通过正交试验设计结果分析，RCC的级配对改进VC值、强度指标影响最大，水泥用量对改进VC值、7d抗压强度指标影响较大，综合RCC的技术经济性，最终确定了最优的配合比。

(2)通过工程应用，总结了高速公路改扩建工程中RCC基层各工序的施工要点及质量控制方法。

(3)在改扩建工程应用碾压混凝土基层可有效缩短建设工期，特别对于原结构层采用白+黑或RCC基层的高速公路改扩建工程，采用RCC基层进行拼接施工较为合适，因此RCC基层在高速公路改扩建工程中具有较好的应用前景。