水工建筑碾壓混凝土壓實方法分析

胡 聰

(安慶市水利工程質量監督站，安徽 安慶 246003)

1 概述

碾壓混凝土法是一種普通混凝土澆筑和壓實的方法，通常用于鋪設瀝青路面層[1- 2]。碾壓混凝土法與常規混凝土無明顯差異。土壤團聚體、水泥和水是混凝土基本組成部分，混合均勻后的混凝土需充分干燥，以便支撐滾筒的重量，從而并避免混凝土層受壓過度變形，但又要保持足夠濕潤度，以確保上覆水泥漿的良好鋪置[3]。

碾壓混凝土在一定程度上能夠抵抗惡劣的氣候條件。目前國內外對碾壓混凝土結構作了深入研究[4- 6]，表面年齡為4～20a被檢碾壓混凝土樣品，其表面結垢、結構緊湊，未見實質性損壞。因此，碾壓混凝土可用于道路基礎設施建設，如停車場、機場跑道、臨時道路等。

本文評估了碾壓混凝土樣品在實驗室壓實過程。使用氣動錘強夯方法與靜態加載下的靜壓試驗的結果進行比較。在沒有振動模態的軋制過程中，標準只定義了制備實驗室樣品的過程，沒有考慮到在施工現場的制造過程的相符性。實際樣品可能與實驗室制備樣有顯著差異，本文將兩種類型的實驗室樣品與建筑工地的巖心鉆機樣獲得的結果進行比較分析。

2 壓實參數計算

壓實參數的計算可以利用壓實過程中消耗的能量來進行壓實度的數值表征[7]。各種方法運用不同的壓實原理測試不同的樣品，因此必須對試驗樣品施加的總壓實能量進行統一比較。一是把能量與樣品的體積聯系起來；二是將能量與夯實板的表面積聯系起來。作為確定壓實能的參考試驗，選用標準普氏壓實試驗(CSN EN1328 6- 2—4)。式(1)和(2)表示相對于試驗樣品體積和夯實板表面積的壓實能量計算公式。錘的質量(m)為2.5kg，錘從0.30m的高度(h)落下。由56次(i)沖擊每層(n)壓實樣品。與試驗樣品體積有關的能量(標準普氏壓實試驗)：

(1)

與夯實板表面積相關的能量(標準普氏壓實試驗)：

(2)

在標準試驗方法通過氣動錘計算壓實時間(t)使能量(E)引入樣本。方程(3)和(4)分別代表壓實能量相對于試樣的夯實板表面積計算。采用氣動錘有w=5.9J和O=48次/s沖擊頻率。樣品在3層(n)中壓實。

(3)

與夯實板(氣動錘)表面積有關的能量：標準普雷托試驗氣動錘當壓實能量與試件體積有關時

(4)

式(1)～(4)中，Ep—能量，J；m—質量，kg；g—重力加速度，m/s2;h—高度，m；n—層數；i—沖擊次數；V—體積，m3；S—面積，m2；w—沖擊能，J；O—沖擊頻率，次/s;t—壓實時間，s；E—能量，J。

表1 按壓實方法劃分的能量計算結果

不同壓實方法的能量計算結果見表1。壓實能量與夯實板以體積計算時，需要2.5s的壓實時間；與夯實板的表面積計算時，需要17s的壓實時間。時間選擇不同導致測量結果不同，因此，選定氣動錘的立方樣品壓實時間為2次的平均值10s。對于靜態壓實試驗，根據輥下的應力來確定壓實力。

(5)

式中，F—滾筒產生的壓實力，N；A—接觸面積，m2；σ—接觸應力，N/m2。

3 樣品制備

單位體積(m3)碾壓混凝土混合物的質量組成見表2。

表2 碾壓混凝土混合物的組成

3.1 靜態加載機

立方樣品用塑料磨具制作，長寬高尺寸為150mm，150mm，150mm。共制作21個測試樣品。每個樣品在3個6cm厚的層中壓實，表層為光滑表面。壓實過程中各層的厚度損失約為1cm。為了在靜態加載機中測試試樣，制作了壓制工具如圖1所示，基本作用力為F=19kN。

圖1 臂長145mm的壓制工具

3.2 氣動錘

在ASTMC14352中描述了使用氣動錘制作的試驗樣品。該標準規定了壓實夯實板的形狀和形狀的要求。標準規定錘子類型的要求，最小功率輸入應為900W，頻率至少2000次/min。選擇以滿足ASTMC14352的參數氣動錘如圖2所示。在3層塑料模具中制作立方標本，最后一層制作成型板如圖3所示，10s為一層壓實時間，總共制作了21個樣品。為了比較壓實度的影響，也制作了對照組樣品，對照樣品被壓實至最大可能的壓實程度。

圖2 帶有夯實板的氣動錘

圖3 帶有145mm臂的夯實板

3.3 芯鉆

從停車場和超市旁道路獲取測試材料來比較實驗室樣品與真實材料的差異。在施工過程中使用的雙滾筒輥子重量為7.5t，輥子通過混凝土層4次，壓實厚度至20cm。雙滾筒輥子僅在靜態模式下工作，碾壓混凝土與實驗室樣品的試驗條件相同，共提取了14個巖心鉆頭。

4 結果討論

4.1 容積密度與抗壓強度

為了方便比較各種壓實方法，選擇容積密度為主要的評價參數，測量出抗壓強度[7]。不同方法的容積密度和抗壓強度的測量值見表3。

表3 不同壓實方法的容積密度和抗壓強度

從表3可以看出，與氣錘錘擊試樣相比，雙滾筒輥子一層靜滾動試樣具有相對較低的抗壓強度和較低的容積密度[8]。為了獲得更好的壓實效果，首選在多個層中壓實結構運用強夯模式。但是，由于從經濟效益角度考慮，一般建筑公司僅使用一層靜滾動進行壓實。從表3中也可以看出，采用一層靜滾動的容積密度和抗壓強度的測量結果均最差。所以使用一層靜滾動壓實方法效果較差，顯然為施工效益犧牲了部分施工品質。為了提升施工質量，消耗的作用力會更大，從而限制了這一方法在實際施工過程中的應用。從氣動錘(壓實時間t=10s)的實驗結果可以看出，容積密度結果相差不大。氣動錘在最佳工作條件下，可以獲得最佳的容積密度和抗壓強度。但是，由于現場施工條件，工期等各種因素的限制，以工程驗收為考核目標驅動因素為主導，因此這種壓實方式在實際應用中較難實現。

4.2 瞬時承載指數(IBI)試驗

為了僅通過試樣高度來確定比較不同壓實方法的壓實效果，同時又無須測定樣品的容積密度。因此選用瞬時承載指數的方法。

瞬時承載指數是一種比較方法[9]，其表示按規定的恒定速率將心軸按一定的深度推送到試驗樣品的指定深度所需的力與將心軸推入參比材料(如破碎的石灰石)所需力的比率。該試驗用于測量公路施工中路基的阻力。在壓實實驗完成后立即進行IBI實驗，其穿透芯軸直徑為0.5～50mm。將芯軸以恒定速度1.27mm/min推入試樣，選擇破碎石灰石作為參考材料其加利福尼亞承載率(CBR100%)。實驗裝置示意圖如圖4—5所示。

對3例新混凝土進行試驗，方法一是由F=19kN靜載機的力壓縮；方法二是由F=80kN靜載機的力壓縮，分4段施加至80kN。相對19kN而言，80kN的力壓縮效果較好，形狀穩定。方法三是由氣動錘壓實，壓實時間t=10s。

如圖6所示，顯然靜載荷機器壓實F=19kN的力抵抗芯軸的穿透力最差，不論從2.5mm與5mm兩個點看，F=19kN壓實效果較氣動錘與80kN來得差。同時，氣動錘的抗穿透能力隨著力的增加呈上升趨勢；與之不同的是，用靜載荷試驗機壓實F=80kN的試樣，在穿過第二點(5mm)后，樣品對芯棒的滲透具有恒定的阻力，曲線區域平穩[10]。就第一點(2.5mm)而言，氣動錘的抗穿透能力居中，F=80kN最佳；但就第二點(5mm)，氣動錘的抗穿透能力與F=80kN已很接近，表明兩種方法對試樣的壓實效果基本相當。

圖4 IBI實驗

圖5 剪切面產生

圖6 瞬時承載指數(IBI)試驗

5 結論

通過對氣動錘產生的巖心實驗結果進行了比較，確定了壓實時間(t=10s)。氣動錘制備的樣品與鉆頭具有容積密度和抗壓強度相似的結果。靜態加載機雖不適用于實際應用，但靜態加載機的試件結果清楚地表明了碾壓混凝土的靜力和強夯之間的差異。在靜態壓實中，芯棒的初始抗滲性能較高，超過一定的極限后，抗滲性能不變。氣動錘制作的試樣在整個試驗過程中主動抵抗，整個體積均勻壓實。