隧道基层碾压混凝土力学性能研究

阳 晏，刘朝辉，刘小清，刘 敬，何良玉

(湖北交投十巫高速公路有限公司，十堰 442000)

碾压混凝土属于超干硬性混凝土，其拌和物与水泥稳定碎石混合料类似，呈松散状态，无任何流动性，须经振动碾压密实成型，凝结硬化后具有混凝土的性能特征[1-2]。其早期主要用于水利筑坝工程，第一次世界大战后逐渐被欧美国家用于原料储存站、停车场地面及简易军事运输道路工程。随着筑路机械设备的发展，我国在20世纪80年代率先由交通部公路科学研究院与安徽省公路勘测设计院合作，开始碾压混凝土路面试验研究[3]。相比普通水泥混凝土，碾压混凝土具有水泥用量少、施工速度快以及养护周期短等特点，可有效缩短工期并降低工程造价。碾压混凝土基层与传统的半刚性水稳基层相比，抗疲劳和抗冲刷能力更强、强度更高、重载敏感性更低，可大幅度延长基层使用寿命。其技术优势明显且经济效益显著，被广泛应用于工程建设中[4-5]。

隧道基层碾压混凝土一般以室内成型试件的28 d抗弯拉强度(抗折强度)为设计指标，但现场碾压混凝土成型、养生工艺以及室内条件存在较大差异，室内试件的28 d抗弯拉强度难以真实反映现场施工质量，存在室内强度合格现场却取不出完整芯样的现象，在现场难以通过钻芯或切割获得小梁试件从而检测抗弯拉强度。28 d抗弯拉强度在施工28 d后才能测得，使其上部沥青铺装层施工严重滞后，难以发挥碾压混凝土可缩短工期的优势。碾压混凝土抗压与抗折强度具有良好的相关性[6]，因此有必要研究不同龄期芯样抗压强度与抗折强度的关系，通过芯样7 d抗压强度计算出28 d抗弯拉强度，解决室内试件不能真实反映现场施工质量的问题，为碾压混凝土施工质量控制并加快施工进度提供参考依据。以湖北某高速公路工程为依托，隧道横断面结构如图1所示。

基于相同的碾压混凝土基层混合料和压实度标准，对不同龄期室内试件的抗弯拉强度、抗压强度和现场芯样抗压强度进行分析。该高速公路隧道基层碾压混凝土配比为水泥∶砂∶碎石∶水∶减水剂=271∶626∶1 460∶105∶2.71。

1 材料

1.1 水泥

P·O42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间>4 h，终凝时间6～10 h，经检验各项技术指标均满足相关要求，水泥主要技术指标如表1所示。

表1 水泥主要技术指标

1.2 粗集料

1#碎石规格19～31.5 mm、2#碎石规格9.5～19 mm、3#碎石规格4.75～9.5 mm，粗集料主要技术指标如表2所示，均符合相关规范与设计要求。

1.3 细集料

机制砂规格0～4.75 mm，细度模数2.70，细集料主要技术指标如表3所示，均满足相关规范和设计要求。

表3 细集料主要技术指标

1.4 集料级配

粗、细集料级配范围如表4所示，1#碎石∶2#碎石∶3#碎石∶细集料=20∶35∶15∶30，碾压混凝土粗、细集料合成级配范围如表5所示，碾压混凝土粗、细集料合成级配曲线如图2所示，满足设计文件和《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)的相关要求。

表4 粗、细集料级配范围

表5 碾压混凝土粗、细集料合成级配范围

1.5 减水剂

液体，聚羧酸高效减水保塑剂，减水率为26%，按胶材的1.0%掺配。

1.6 拌和水

自来水，符合饮用水要求。

2 试验方法

2.1 室内抗折试件成型方法

采用SJS-3型混凝土碾压成型机，按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)[7]方法成型10 cm×10 cm×40 cm小梁试件。从摊铺机料斗取料密封带回试验室，试件混合料用量m=10×10×40×ρ，ρ为根据现场压实度检测计算得出的湿密度，g/cm3。因碾压混凝土的干硬性，表面混合料可剔除大石子并用相同质量细料填平，以防出现影响强度的坑洞。

2.2 室内抗压强度检测方法

参考水泥胶砂试块抗压抗折强度检测方法，采用抗折试验压断后的试块切割打磨成10 cm×10 cm×10 cm试块进行抗压试验。

2.3 现场芯样成型方法

在相同压实度路段采用钻芯取样机，在规定龄期钻取直径为15 cm的芯样，切割打磨成高径比为1∶1试件后进行抗压试验。

2.4 室内试件养护方法

标养，养护温度为20 ℃±2 ℃，相对湿度>95%，试件间距>10 mm。

2.5 现场基层养护条件

碾压混凝土施工完成后立即覆盖土工布洒水养生，土工布湿透，养生7 d后，撤去土工布洒PC-2乳化沥青透层油养生。

2.6 强度计算方法

为加大样本容量、减小试验误差，同时考虑数据离散性的影响，不用普通水泥混凝土强度检测计算方法而参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[8]中强度试验方法，室内抗折试件制取30个(7 d和28 d试件各15个)，同一龄期高径比为1∶1的现场芯样试件制取15个做抗压试验；变异系数Cv≤10%时结果有效(数据处理时，按3倍标准差的标准剔除异常数据，同一组样本室内抗折及现场芯样抗压异常值剔除不多于2个，室内抗压相应不多于4个)。抗折强度加载速率为50 mm/min，抗压加载速率为0.3～0.5 MPa/s。

3 碾压混凝土力学性能研究

3.1 碾压混凝土7 d抗压、抗折强度研究

经检测，室内标养试件7 d强度如表6所示。

表6 室内标养试件7 d强度 (MPa)

7 d龄期时，在现场相同压实度路段用取芯机钻取15个芯样，进行切割打磨，如有必要涂抹早强水泥净浆于端面，保证端面平整，芯样7 d抗压试验结果如表7所示。

表7 芯样7 d抗压试验结果 (MPa)

室内试件7 d抗弯拉强度为3.94 MPa，变异系数Cv=4.2%，室内试件7 d抗压强度为20.7 MPa，变异系数Cv=6.0%；现场碾压成型后覆盖保湿养护7 d钻芯取样，芯样抗压强度为18.3 MPa，变异系数Cv=6.4%，变异系数均不大于10%，结果有效。室内试件的7 d弯拉强度/室内试件的7 d抗压强度约为0.190，现场覆盖保湿养护芯样的7 d抗压强度约为室内标养试件抗压强度的88.4%。

3.2 碾压混凝土28 d抗压、抗折强度研究

经检测，室内标养试件28 d强度如表8所示。

表8 室内标养试件28 d强度 (MPa)

28 d龄期时，在现场相同压实度路段用取芯机钻取15个芯样，进行切割打磨，如有必要涂抹早强净浆于端面，保证端面平整，芯样28 d抗压试验结果如表9所示。

表9 芯样28 d抗压试验结果 (MPa)

室内标养试件28 d抗弯拉强度为4.76 MPa，变异系数Cv=3.1%，室内试件28 d抗压强度为23.9 MPa，变异系数Cv=5.9%；洒水保湿养护7 d后喷洒乳化沥青养护至28 d钻芯取样，现场芯样抗压强度为20.2 MPa，变异系数Cv=5.3%，变异系数均不大于10%，结果有效。室内试件的28 d抗弯拉强度/抗压强度约为0.199，现场芯样的28 d抗压强度约为标养试件的84.5%。

比较7 d和28 d强度数据可知，碾压混凝土强度早期发展较快，后期发展变慢，室内成型标养试件的7 d抗弯拉强度、抗压强度分别达到28 d的82.8%和86.6%；现场芯样的7 d抗压强度达到28 d的90.6%。养护方式对碾压混凝土强度发展有较大影响，标养试件的强度高于现场养护试件强度，现场洒水保湿养护效果好于洒透层油养护；保湿养护7 d后洒透层油养生，强度增长缓慢，这主要是由于碾压混凝土为干硬性混合料，含水量较低，后期透层油乳液无法提供充足的水分使混凝土中水泥进一步水化反应，故在条件允许的情况下可适当延长现场保湿养护时间，以满足混凝土后期强度发展需求。

在相同原材、配比和施工工艺的情况下，通过检测其他路段取样成型的7 d、28 d室内试件抗弯拉强度与抗压强度以及现场芯样的7 d、28 d抗压强度，发现数据之间的关系与本研究十分接近，室内试件7 d抗弯拉、抗压强度分别达到28 d的80%和85%，现场芯样7 d抗压强度达到28 d抗压强度的90%左右；现场芯样7 d、28 d抗压强度分别约为标养试件抗压强度的89%和84%;室内试件7 d、28 d 拉压比分别约为0.19和0.20，故此种方法具有较高的准确性。现场芯样7 d抗压强度假设为x(强度单位均为MPa)，可得到其7 d抗弯拉强度约为a×x(a为试验得到的7 d龄期时的拉压比)，28 d 抗弯拉强度y≈b×(x/c)，b为试验得到的 28 d 龄期时的拉压比，c为芯样7 d抗压强度与 28 d 抗压强度的比例系数。研究所依托高速公路隧道碾压混凝土基层28 d抗弯拉强度设计值为4.0 MPa，则0.199×(x/90.6%)≥4，计算可得现场芯样7 d抗压强度x≥18.2 MPa，以此为内控指标，可有效解决室内试件28 d抗弯拉强度难以真实反映现场施工质量的问题，同时可加快施工进度，有效解决28 d抗弯拉强度在施工28 d后才能测得，使其上部沥青混合料铺装层施工严重滞后的难题。

4 结论

结合湖北某高速公路隧道基层施工工程，基于相同的混合料和压实度标准，对碾压混凝土力学性能进行分析，主要得出以下结论。

(1) 碾压混凝土早期强度发展较快，后期发展变慢，室内成型标养试件的7 d抗弯拉强度和抗压强度分别达到28d的82.8%和86.6%，现场芯样的7 d抗压强度达到28 d的90.6%。

(2) 标准养护条件下碾压混凝土强度发展更好，尤其是对后期强度的影响更加明显，现场芯样7 d(洒水保湿养护)、28 d(7 d后洒乳化沥青养护)抗压强度分别为相同龄期标养试件的88.4%和84.5%；现场洒水保湿养护较乳化沥青养护效果更好，更利于混凝土强度增长。

(3) 室内成型标养试件的7 d和28 d抗弯拉强度与抗压强度比值分别约为0.190和0.199，拉压比明显大于普通水泥混凝土。

(4) 提出一种简单有效的碾压混凝土基层抗弯拉强度测试计算方法，在相同原材、配比和施工工艺情况下，由7 d芯样抗压强度可快速且较准确地获得碾压混凝土28 d抗弯拉强度，从而了解基层施工质量。