滑模施工人工精平方法改进研究

生 宸

(山东省公路设计咨询有限公司,山东 济南 250102)

1 人工抹平次数对平整度的影响

1.1 原材料的选择

本研究依托于广西壮族自治区三江至柳州高速公路施工,其配合比、原材料的选用均采用施工现场数据,实验路段配合比见表1。

表1 试验路段水泥混凝土材料配合比

原材料中水泥采用兴安海螺P·O 42.5水泥,矿粉采用柳州台泥S95级矿渣粉,砂采用融水三防镇砂场出产的河砂,碎石采用融安四眉石料场生产的碎石料,外加剂采用山西金凯奇建材有限公司JMFDN-1萘系高效减水剂,水采用当地饮用水。采用上述材料配比出的混凝土坍落度控制在20 mm左右。所用原材料均有产品合格证及化验单,配合比等均满足国家规范的要求。

1.2 试验方案的制定

本研究重点为人工收面方式的不同对路面平整度的影响,为尽量避免随机因素的影响,在该高速项目同一天采用滑模摊铺机所铺筑的水泥混凝土路面中选择了直线路段上的100 m长路面进行试验,具体安排如下。

(1)超级抹平器抹平后不进行人工收面的路段20 m,共1段。

(2)超级抹平器抹平后采用3 m抹子从道路两侧同时进行收面(收面区域不重叠)的路段20 m,按收面次数1～4次共分4段。

(3)工人使用的3 m抹子为不锈钢材质,试验路段铺筑时工人不换班,并在每精平完一路段后允许适当的休息。

试验路段铺筑结束12 h左右对上述5段试验路段进行平整度测试。鉴于此时混凝土路面强度不够,无法采用车载式激光平整度仪进行测定,故采用3 m直尺塞尺进行读数。测试时每条试验路段的每个车道的每个轮迹测3尺,每条试验路段共计测点12尺,记录完整数据。

1.3 试验数据的处理及分析

经过上述试验后可得到当双侧收面时精平次数与其空隙量之间的关系曲线,见图1。

图1 双侧收面次数对空隙量影响

可见当新铺水泥混凝土路面不进行人工抹平时,其平整度很差(一般3 m直尺检测平整度要求其所测值小于3 cm),均值超过了3 cm,可见我国高等级水泥混凝土路面修筑时采用人工精平抹面是必须的。

不同人工收面次数所应对空隙量降低率见表2。可见当人工精平一次时,路面3 m直尺自检空隙均值较不收面提高了近60%,但随着精平次数的增加,精平的效果开始下降,当次数达到3次时,人工精平已基本和不收面相差不大,超过四次时人工收面对新铺路面的平整度反而起到了负面作用[4]。依据试验结果,可认为滑模摊铺施工时路面成型后人工精平2～3次方能达到最佳的效果。

表2 多种收面次数后空隙量降低率

2 控制不同坍落度时人工收面方式对平整度的影响

施工过程中人工精平的效果与水泥混凝土材料的和易性有关,其中影响和易性的主要指标为混凝土坍落度。坍落度较低的水泥混凝土出浆量较少导致人工精平难度较大,易使成本增加。坍落度较高的水泥混凝土一般具有较厚的砂浆层且振动出浆量较多[5],利于人工精平,但坍落度过大易导致立模特性不够,造成塌边,不利于路面成型及养护。

试验中仍采用上文所用混凝土配合比,通过调节其外加剂掺量得到坍落度分别为10、20、40、60、100 mm的5组混凝土材料进行试验。根据上文的结论可知,当水泥混凝土材料的坍落度控制在20 mm以下时人工收面3次的平整度效果最佳。本节试验控制人工收面的方式为双侧收面3次,采用上述不同坍落度的混凝土材料成型试验路段5个,试验数据的采集与处理仍采用上述空隙均值的测量分析方法,试验结果见图2。

图2 相同人工抹平次数下坍落度与3 m尺空隙量关系

可见当人工精平次数控制在三次时坍落度为10 mm时的空隙量均值为2.50 cm,当混凝土材料坍落度增大到20 mm时,其空隙量均值减小到2.34 cm,有明显的减小趋势,但当坍落度增加到40 mm以上时,其空隙均值开始增大,当坍落度达到100 mm时其空隙量均值达到了2.62 cm,已经明显高于坍落度10 mm时的空隙量均值。

由此可见,当水泥混凝土路面施工坍落度大于40 mm时,人工收面时可能需要增加精平次数以达到更好的平整度。为验证该结论,针对混凝土坍落度为100 mm的新铺路面选择了3个试验路段再次进行试验。此路段人工精平次数分别控制为双侧4、5、6次,试验数据的采集与处理方法与前文相同,试验结果见图3。

图3 坍落度100 mm时人工精平次数与空隙量均值关系

可见当坍落度为100 mm时,需经过5次人工精平方可得到最低的空隙均值。综合图2、3可知当混凝土坍落度变大时,人工抹平次数应适当增加。但一般高等级水泥混凝土路面采用的混凝土材料坍落度一般不会超过100 mm,故此时人工精平控制在4～5次时,摊铺路面平整度一般可达到最高水平。

3 人工精平工具尺寸对整平效果影响

分析了人工精平次数、坍落度等因素对精平效果的影响。但是人工精平所用器具是否对精平过程中的平整度产生影响尚不得而知,且人工精平采用大抹子的尺寸对混凝土路面表面砂浆层的影响同样需深入研究。本研究在总结前人研究[4-5]的基础上对上述的问题进行了相应探究。

3.1 精平工具尺寸的影响

当前水泥混凝土路面施工中,一般应用不锈钢制3 m大抹子进行人工精平,小抹子进行修边。为验证当大抹子尺寸发生变化时对路面平整度的影响,定制不锈钢制尺寸为1、4、5、6 m的大抹子配合常用的3 m大抹子进行试验,每处试验路段进行3次精平。试验路段长度如前文所述,混凝土坍落度控制在20 mm,试验数据的采集与处理方法与前文相同,结果见表3。

表3 多种尺寸精平工具收面所得3 m尺空隙均值 单位:cm

可见当采用1 m抹子进行精平时,空隙均值较3 m、4 m、5 m抹子大,平整度相对变差。此时抹子尺寸变小,同为20 m长的试验路段,采用1 m抹子需分10段进行抹平操作,由于人工抹平一般无法做到每尺间的完美衔接,且每段之间人工抹平的力道等因素的影响加大,3 m尺测得的空隙均值有所增大。当换为4 m、5 m、6 m抹子时,其空隙均值较3 m抹子空隙均值的差异性并不明显但有减小的趋势。

3.2 不同尺寸精平工具对混凝土路面的影响深度

单一以3 m直尺测得的空隙量均值来判断精平工具尺寸对路面平整度的影响仍不够严谨。一般认为金属抹子对水泥路面产生的犁削作用对处于稳定状态的面层产生了扰动。从理论上可引用荷载作用下对路基的影响深度加以佐证[6]。这种现象最直观的表现为路面内部的应力—应变关系[7]。

若要确定这种影响的作用深度,需确认人工抹平时混凝土内部不同深度处应力—应变曲线是否发生变化。此时认为大抹子对路面表层产生均布荷载P,按照费拉曼理论计算其竖向荷载作用下任意点的竖向附加应力。

(1)

式中:σz为路基中深度为Z、到荷载P作用线的距离为R处的竖向附加应力。

此时其作用深度Z可按公式(2)进行推导

(2)

式中:γ为混凝土容重。

从上式可看出均布荷载P值越低,最大扰动深度越小,而当精平工具尺寸越大,其P值越小,作用深度越小,其深度一定时,其竖向附加力同样减小,故其理论推导结论与上文试验结论相同,可认为精平工具尺寸越大,对混凝土内部扰动程度越低。

上述试验路段在试验过程中按不同深度(2、4、6 cm)埋置了应变传感器对其进行监测,检测结果见表4。

表4 多种尺寸精平工具对混凝土面层扰动影响深度

可见当人工精平工具尺寸增大时,深度2 cm处的混凝土路面均受到扰动,且扰动影响呈现递减的趋势,在深度方向上,随着深度的增加,扰动作用同样呈现递减的状态。总体来看,当采用1 m抹子精平路面时对路面的影响最大,并以此递减。为保障人工精平的效果,新铺水泥混凝土路面的表层砂浆厚度应不少于2 cm。

结合上文可知,采用5 m或6 m抹子进行人工摊铺并未带来平整度的明显提高,但尺寸更大的抹子重量更大,人工抹平更为费力,影响了滑模摊铺施工的连续性。4 m抹子重量与3 m抹子质量相近,且其精平效果较3 m抹子更好,但两者差异性不大。所以,人工精平工具采用4 m大抹子最为合适。

4 结 论

(1)人工精平路面时人工的熟练度、责任心等对路面平整度的影响很大,一般较熟练工人进行路面精平时应采取路面双侧同时收面,且应收面3次为佳。

(2)路面用混凝土坍落度不同对收面次数产生了一定的影响。随着坍落度的提高,若控制收面次数为3次,路面3 m尺测量空隙均值有所增大,但影响作用程度不大。坍落度在40～100 mm左右时人工精平次数控制在4～5次为佳。

(3)针对各不同尺寸精平工具在实际施工中对混凝土内部各深度的扰动进行了试验和理论分析,均表明当精平工具尺寸变大时,对混凝土内部扰动作用深度逐步减小。但为保证滑模施工的连续性且考虑施工人员的习惯、体力等因素,仍认为采用3 m或4 m抹子最为合适。