碾壓混凝土在隧道中的應(yīng)用探索

耿立才， 羅 滔， 馬福彬， 劉丁實(shí)， 劉 猛， 金春霞

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司機(jī)械化施工分公司， 成都 610200； 2.巴中市公路水運(yùn)建設(shè)質(zhì)量服務(wù)中心， 四川 巴中 636600)

近年來，因受到路面瀝青混凝土承載能力和抗水害能力不足的制約，我國大部分高速公路瀝青路面深受開裂、坑槽、唧泥等早期病害的影響，給國家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的安全影響。與此同時，具備高強(qiáng)度、高耐久、高效率等特點(diǎn)的碾壓混凝土一方面能有效避免混凝土路面的早期病害，另一方面能滿足路面混凝土高效快速施工和材料巨量需求的要求，逐漸成為道路施工的理想材料[1-2]。

碾壓混凝土最初應(yīng)用于大壩的建設(shè)，兼?zhèn)淦胀ɑ炷梁蜔o機(jī)結(jié)合料優(yōu)點(diǎn)于一身，不僅能節(jié)省大量水泥用料，還成型較快，可使用大型機(jī)械縮短工期，一般主要應(yīng)用于道路基層施工。目前，歐洲和北美應(yīng)用碾壓混凝土最多、技術(shù)最成熟。近年來，英國、法國等應(yīng)用了一些新技術(shù)開發(fā)了鋼纖維碾壓混凝土，法國申請了技術(shù)專利FRCCTM。印度在公路路面鋪筑中應(yīng)用了新型的高摻量粉煤灰碾壓混凝土，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。這些新技術(shù)推動了碾壓混凝土的應(yīng)用[3]。21世紀(jì)以來，我國碾壓混凝土技術(shù)的推廣應(yīng)用在規(guī)模和范圍都有得到突破，其中材料方面：先后在粉煤灰對碾壓混凝土的影響、碾壓混凝土的主要力學(xué)性能[4]、碾壓混凝土的VC值[5]、混凝土流變性能[6]等方面進(jìn)行了研究；攪拌方式方面：對振動攪拌、連續(xù)攪拌[7-8]等進(jìn)行了研究；成型方式方面：對碾壓混凝土成型時間、成型壓重、成型振動臺的振動參數(shù)[9]，碾壓混凝土壓實(shí)過程中經(jīng)歷的塑性階段、彈塑性階段以及彈性階段等方面進(jìn)行了研究。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)：碾壓混凝土一般應(yīng)用于大壩、機(jī)場、道路基層的施工，若在高速公路路面應(yīng)用需對混凝土材料、配合比設(shè)計(jì)、機(jī)械配置、攤鋪碾壓方法等重新進(jìn)行研究。同時碾壓混凝土路面會受到溫度收縮、干燥收縮的影響產(chǎn)生面層裂縫破壞路面結(jié)構(gòu)，對路面帶來不可逆的不良影響。因此需在碾壓混凝土路面合理鋸縫，使路面有規(guī)則的斷塊，以釋放混凝土的溫縮、干縮應(yīng)力，減少因收縮變形和翹曲變形受約束而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

四川省鎮(zhèn)廣高速王坪至通江段全長37.6 km，在短短15個月內(nèi)要全面完成橋隧比83.87%的山區(qū)高速，這在中國山區(qū)高速建設(shè)史上尚屬首次。因工期緊，任務(wù)重，為確保能按期保質(zhì)保量完成施工任務(wù)，項(xiàng)目首次提出將碾壓混凝土應(yīng)用于高速路隧道混凝土路面面層施工。欲通過對碾壓混凝土施工關(guān)鍵點(diǎn)的研究，達(dá)成以下目標(biāo)：1) 設(shè)計(jì)出一套針對川東地區(qū)隧道路面特點(diǎn)并滿足施工性能和經(jīng)濟(jì)合理要求的混凝土配合比；2) 通過設(shè)備選型、數(shù)量配置、工作參數(shù)研究提升碾壓混凝土的攤鋪壓實(shí)質(zhì)量；3) 研究碾壓混凝土合理鋸縫參數(shù)，減少因不合理鋸縫導(dǎo)致的反射裂縫[10-11]；4) 開展碾壓混凝土路面效果分析，從效率、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性等多方面分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 試驗(yàn)方法選取

采用絕對體積法正交試驗(yàn)對碾壓混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，通過挑選部分具有均勻分散、整齊可比的典型因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，利用不同因素試驗(yàn)結(jié)果極差的大小，通過較少次數(shù)試驗(yàn)找出影響配合比的主次因素[12]。 極差分析的步驟如下：

1) 確定各因素水平試驗(yàn)指標(biāo)值之和Ki。

2) 確定各因素同一水平的平均值ki。

3) 計(jì)算不同因素的極差R。R=max(ki)-min(ki)。

4) 通過分析極差值R的大小，確定主次影響因素。

5) 選出最優(yōu)水平，組合最優(yōu)因素水平。

2 材料選取

水泥：采用強(qiáng)度等級不高、凝結(jié)時間不短、干縮性不大的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

粗集料：采用堅(jiān)硬、耐久的碎石、破碎卵石或卵石，其粗集料最大公稱粒徑≤26.5 mm，應(yīng)篩分成2～4個粒級的規(guī)格集料隔離堆放。

細(xì)集料：采用堅(jiān)硬、耐久的天然砂或機(jī)制砂。

拌和用水：采用符合現(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求的飲用水，不得使用含有油污、泥和其他有害物質(zhì)的水。

外加劑：采用聚羧酸高性能減水劑(緩凝型)。

3 配合比設(shè)計(jì)

3.1 混合料級配

根據(jù)《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F30—2014)規(guī)定，碾壓混凝土應(yīng)為連續(xù)密級配。為保證碾壓混凝土的質(zhì)量均勻性和路面結(jié)構(gòu)的抗彎拉強(qiáng)度，必須限制19 mm 以上的粗集料用量以減少混凝土離析，控制細(xì)集料0.075 mm以下的顆粒含量以減少混凝土收縮。

3.2 試驗(yàn)方法

碾壓混凝土彎拉試件制作、稠度檢測(改進(jìn) VC 法)、抗彎拉強(qiáng)度均參照《公路工程水及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020)要求進(jìn)行。主要試驗(yàn)設(shè)備采用HJW-60型單臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)，如圖1所示，采用改進(jìn)平板振動器成型試件，如圖2所示，振幅1 mm，頻率50 Hz±3 Hz。

3.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)

碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)須達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，且應(yīng)避免施工時離析，可碾壓成型，不塌陷?；炷连F(xiàn)場稠度應(yīng)滿足碾壓工藝要求，保證碾壓施工時混凝土的密實(shí)性和穩(wěn)定性?？刂萍壟涞淖畲罅?，保證級配連續(xù)性、級配曲線順滑，避免折線現(xiàn)象?；炷翍?yīng)具有一定的粘聚性，便于施工過程中減少離析現(xiàn)象。

3.4 碾壓混凝土配合比正交試驗(yàn)方案

根據(jù)絕對體積法，確定3個主要因素：水泥用量、水灰比、外加劑摻量，并根據(jù)資料及工程經(jīng)驗(yàn)選定因素水平。配合比設(shè)計(jì)過程中，固定其他試驗(yàn)條件，不考慮各因素之間的相互影響作用，只改變確定的3個主要因素水平。正交試驗(yàn)如表1所示[13-14]。

表1 正交試驗(yàn)

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

全程共計(jì)開展9次試驗(yàn)并對結(jié)果進(jìn)行分析，如表2所示。分析表2可見，稠度的主次因素排序?yàn)椋核嘤昧?水灰比>外加劑；對抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度的主次因素排序均為：水泥用量>水灰比>外加劑。通過綜合分析以及試配試壓，確定碾壓混凝土配合比為：水泥用量 260 kg/m3、水灰比 0.5、外加劑1.0%，該配合比經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，施工工作性較好，可用于隧道碾壓混凝土施工。

表2 正交試驗(yàn)安排及結(jié)果分析

4 碾壓混凝土施工質(zhì)量控制

碾壓混凝土的原材料質(zhì)量、拌和物級配工作性、現(xiàn)場碾壓工藝都會影響碾壓混凝土質(zhì)量，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制以下關(guān)鍵點(diǎn)。

4.1 原材料的質(zhì)量控制

原材料質(zhì)量是做好碾壓混凝土路面的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，其中壓碎指標(biāo)、顆粒級配和含泥量是控制指標(biāo)。原材料質(zhì)量不良會造成混凝土強(qiáng)度不足、易離析、難以壓實(shí)、平整度差等問題。

4.2 拌和運(yùn)輸

1) 為滿足生產(chǎn)效率需求，采用連續(xù)式強(qiáng)制拌和機(jī)。拌和機(jī)混合料輸送帶應(yīng)設(shè)置刮料裝置，成品料輸送帶應(yīng)設(shè)置防離析擋板。2) 為保證混凝土工作性能，生產(chǎn)前應(yīng)準(zhǔn)確測定粗、細(xì)集料含水率，如有變化及時調(diào)整用水量；提前將外加劑添加在一個外置5 t容量的容器內(nèi)，盡量精確計(jì)量每t混凝土的用水量。3) 為確?；炷良壟錆M足設(shè)計(jì)配合比級配，通過對計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行精確標(biāo)定、校準(zhǔn)，并增加攪拌葉片數(shù)量及延長攪拌時間，以提高混凝土均勻性?，F(xiàn)場施工時應(yīng)至少保證30 s的攪拌時間。根據(jù)產(chǎn)量、運(yùn)距等配備足夠數(shù)量的運(yùn)輸車輛，混凝土必須用帆布覆蓋，卸料時應(yīng)緩慢升高貨箱，防止粗集料滾落。確保運(yùn)達(dá)現(xiàn)場的拌和物具有較好的工作性，現(xiàn)場應(yīng)檢測拌和物的稠度。盡量縮短拌和物的停置時間，運(yùn)輸過程宜控制在30 min內(nèi)，施工在2 h內(nèi)完畢，保證混凝土拌和物在工作性良好的狀態(tài)下完成碾壓[15]。

4.3 攤鋪

攤鋪時先將下承層表面打掃干凈，并灑適量的水潤濕；攤鋪機(jī)可采用水穩(wěn)攤鋪機(jī)全幅攤鋪，松鋪系數(shù)為1.35，松鋪厚度為35.1 cm，壓實(shí)厚度為26 cm。為精確控制隧道混凝土路面頂面高程、鋪筑厚度、平整度，現(xiàn)場采用路面3D智能攤鋪工法，減少隧道施工工人工作量，并提高工作效率。攤鋪機(jī)應(yīng)緩速起步以保持機(jī)身穩(wěn)定；在攤鋪過程中，為保證供料的連續(xù)性、攤鋪的均勻性、路面的平整性，應(yīng)嚴(yán)格控制攤鋪速度，一般為1 m/min左右。

4.4 碾壓

碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度的研究表明，關(guān)鍵影響指標(biāo)是壓實(shí)度，在一定范圍內(nèi)隨著壓實(shí)度增大強(qiáng)度也會顯著增加。因此，在施工過程中，應(yīng)及時開展灌砂法對路面壓實(shí)度(不低于95%)進(jìn)行監(jiān)測，從而保證路面的施工質(zhì)量。碾壓作業(yè)段長度受運(yùn)距、環(huán)境、機(jī)械配置、攤鋪方法等多因素影響，為了按期保質(zhì)保量完成施工任務(wù)，作業(yè)段長度設(shè)置為30 m～50 m，避免因作業(yè)段長度過短導(dǎo)致壓路機(jī)頻繁掉頭換向，降低施工效率。壓路機(jī)機(jī)械配置為兩雙鋼輪一單鋼輪組合模式，其重量要求分別為雙鋼輪≥13 t，單鋼輪≥18 t。碾壓模式采用初壓(雙鋼輪靜壓2遍)+復(fù)壓(單鋼輪低頻高幅碾壓3遍，應(yīng)保證1/3-1/2鋼輪寬度的重疊量)+終壓(雙鋼輪靜壓2遍，消除褶皺裂紋和輪跡)。施工過程中應(yīng)準(zhǔn)確控制最佳含水量以減少混凝土表面裂紋的產(chǎn)生，碾壓完畢后，面層不應(yīng)有可見微裂紋，呈光亮狀態(tài)。攤鋪及碾壓效果如圖1、圖2所示。

(a) 現(xiàn)場攤鋪照片

4.5 接縫施工

碾壓混凝土路面施工中斷后，為避免出現(xiàn)隱患及質(zhì)量問題，需在中斷處設(shè)置平順的施工縫。施工接縫施工時，應(yīng)在碾壓混凝土結(jié)硬后及時用鋸縫機(jī)全厚切除，受限時深度不小于80 mm，不合格段落混凝土，在攤鋪前清理好接縫并用水潤滑，同時噴灑水泥凈漿。

4.6 鋸縫

為解決碾壓混凝土因干縮變形和溫縮變形出現(xiàn)的裂縫斷板，需在碾壓混凝土完全凝結(jié)硬化前進(jìn)行鋸縫施工以釋放這2種變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，而合理的鋸縫時間、鋸縫間距對鋸縫產(chǎn)生的效果有著重要的影響[16]。

4.6.1 合理鋸縫時間的確定

1) 經(jīng)驗(yàn)法

通過調(diào)研相關(guān)技術(shù)規(guī)范，獲得普通混凝土經(jīng)驗(yàn)鋸縫時間，如表3所示。

表3 普通混凝土經(jīng)驗(yàn)鋸縫時間

由于碾壓混凝土的材料組成和普通混凝土有所區(qū)別，因此應(yīng)結(jié)合試鋸法進(jìn)行鋸縫時間的現(xiàn)場試驗(yàn)。

2) 試鋸法

對碾壓成型后的混凝土進(jìn)行密切關(guān)注，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以5 MPa混凝土強(qiáng)度為試驗(yàn)強(qiáng)度，當(dāng)強(qiáng)度到達(dá)這一強(qiáng)度時可進(jìn)行試切。最佳鋸縫時間的判斷標(biāo)準(zhǔn)為不出現(xiàn)啃邊現(xiàn)象，碾壓混凝土鋸縫太早，鋸縫的位置容易啃邊，鋸縫太遲難度加大。

開展了2段試驗(yàn)路：一段施工后不鋸縫，觀察自然裂縫情況；另一段施工后按設(shè)計(jì)好的不同溫度下的鋸縫時間鋸縫。通過結(jié)合經(jīng)驗(yàn)法和試鋸法，碾壓混凝土鋸縫時間與氣溫的對應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 碾壓混凝土鋸縫時機(jī)與氣溫對應(yīng)關(guān)系

4.6.2 合理鋸縫間距的確定

碾壓混凝土的溫縮現(xiàn)象受到水泥用量減少的影響而減弱，因此縮縫間距可適當(dāng)增加。為了得到適宜的縮縫間距，開展了2段試驗(yàn)路：一段施工后不鋸縫，觀察自然裂縫情況；另一段施工后按設(shè)計(jì)好的間距(5 m、10 m、15 m、20 m)鋸縫。根據(jù)2段試驗(yàn)段裂縫調(diào)查統(tǒng)計(jì)情況，為最大限度減少板破壞，增強(qiáng)板體性，碾壓混凝土橫向鋸縫間距選定為10 m，為便于灌縫，鋸縫寬度為1 cm，鋸縫深度約為板厚的三分之一。

4.7 養(yǎng)生

碾壓完畢后，應(yīng)及時覆蓋塑料薄膜養(yǎng)生，以防水分蒸發(fā)，根據(jù)天氣情況，1 d后可揭開養(yǎng)生薄膜，灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間一般需5 d～7 d，養(yǎng)生期間禁止車輛通行；碾壓混凝土不同于水泥穩(wěn)定層，水泥用量較多，在養(yǎng)護(hù)的前幾天還進(jìn)行劇烈水化反應(yīng)，應(yīng)保證養(yǎng)生期間濕潤。

4.8 效果對比

4.8.1 施工效率對比

普通隧道路面混凝土施工分為調(diào)平層和道面2層?；炷潦┕み^程中，調(diào)平層與道面層能達(dá)到13 m/h，期間由于混凝土施工特性，2層混凝土中間間隔7 d才能進(jìn)行下道工序，澆筑完道面混凝土后7 d車輛才能通行；且隧道路面混凝土施工需保證車輛通行，每次隧道道面混凝土只能進(jìn)行半幅澆筑。

隧道碾壓混凝土可將調(diào)平混凝土與道面混凝土施工一次性全幅鋪筑碾壓成型。碾壓混凝土施工效率能達(dá)到33 m/h，鋪筑完成后3 d能保持車輛正常通行。

假設(shè)1 200 m隧道24 h作業(yè)，普通隧道路面混凝土全幅施工完到正常通車需要時間：(1 200/13+7×24+7×24)×2=856.6 h；隧道碾壓混凝土全幅施工完到正常通車時間：1 200/33+3×24=108.4 h。

4.8.2 經(jīng)濟(jì)效益對比

經(jīng)濟(jì)效益對比如表5所示。

表5 碾壓混凝土經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比分析

根據(jù)表5中的合計(jì)費(fèi)用，將C40、碾壓混凝土每t單價折算成每m3單價，分別為579元/m3、385.2元/m3。

4.8.3 施工質(zhì)量對比

養(yǎng)生結(jié)束后采用八輪平整度儀進(jìn)行平整度檢測，標(biāo)準(zhǔn)差均值1.6 mm，隧道普通混凝土平整度2.2 mm，碾壓混凝土平整度提高了27%。碾壓混凝土不易離析，芯樣如圖3所示，級配顆粒排布合理，頂面浮漿較薄約0.4 cm，而普通混凝土由于流動性大，石子容易沉底，表面浮漿層厚度約0.8 cm～1 cm。

圖3 碾壓混凝土芯樣

5 結(jié)論

1) 根據(jù)正交配合比試驗(yàn)方法確定碾壓混凝土配合比為：水泥用量宜控制在260 kg/m3、水灰比0.5、外加劑1.0%，其中水泥用量和水灰比對混凝土工作性影響顯著。

2) 碾壓混凝土現(xiàn)場施工工藝控制措施：對連續(xù)式強(qiáng)制拌和機(jī)改裝添加刮料裝置、防離析擋板；松鋪系數(shù)為1.35，松鋪厚度為35.1 cm，壓實(shí)厚度為26 cm，攤鋪速度1 m/min左右；碾壓模式采用為初壓(雙鋼輪靜壓2遍)+復(fù)壓(單鋼輪低頻高幅碾壓3遍，應(yīng)保證1/3-1/2鋼輪寬度的重疊量)+終壓(雙鋼輪靜壓2遍，消除褶皺裂紋和輪跡)。

3) 碾壓混凝土橫向縮縫施工鋸縫間距為10 m，鋸縫寬度為1 cm，鋸縫深度約為板厚的三分之一。

4) 碾壓混凝土較普通混凝土施工效率提高7～8倍，經(jīng)濟(jì)效益每m3可節(jié)約成本30%。