高強(qiáng)度水泥穩(wěn)定粒料原材料選取和配合比研究

申林峰、廉富強(qiáng)、劉海民、魏澤民

(中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002)

1 工程背景

1.1 工程概況

科特迪瓦阿比讓港是科特迪瓦最大的港口，也是西非最大的集裝箱港。科特迪瓦阿比讓碼頭堆場(chǎng)及通用工程項(xiàng)目位于阿比讓港第二集裝箱碼頭后方，陸域面積共計(jì)37.5 萬(wàn)m，該碼頭堆場(chǎng)設(shè)計(jì)年吞吐量為200 萬(wàn)集裝箱，項(xiàng)目包括地下水電管網(wǎng)、電氣設(shè)備、路場(chǎng)、灌注樁、軌道、房建等配套設(shè)施，其中路場(chǎng)結(jié)構(gòu)中路面為聯(lián)鎖塊，基層為水泥穩(wěn)定粒料（下文均稱為水穩(wěn)），水穩(wěn)總面積為34.8 萬(wàn)m，為該項(xiàng)目的重點(diǎn)工程（見(jiàn)圖1）。

圖1 科特迪瓦阿比讓碼頭堆場(chǎng)及通用工程項(xiàng)目

1.2 采用高強(qiáng)度水穩(wěn)的原因

該工程位于阿比讓港區(qū)內(nèi)，結(jié)合土方平衡、砂石料運(yùn)輸以及工期等方面因素，水穩(wěn)強(qiáng)度由原案C8/10變更為C16/20，變更后水穩(wěn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度提高，設(shè)計(jì)厚度由63cm 降低為49cm（見(jiàn)圖2），其優(yōu)點(diǎn)如下：

圖2 C8/10 和C16/20 水穩(wěn)基層斷面對(duì)比圖

一是場(chǎng)地原有標(biāo)高較高，原案需要外棄土方約5萬(wàn)m，變更后外棄土方接近為零，大大減少了土方外棄的工作量。

二是變更前水穩(wěn)方量為20.6 萬(wàn)m，其中石料用量47.1 萬(wàn)t，水泥2.8 萬(wàn)t，變更后水穩(wěn)為16.5 萬(wàn)m，其中石料用量38.2 萬(wàn)t，水泥3.1 萬(wàn)t。砂石料減少8.9 萬(wàn)t，水泥增加3000t，大大緩解了運(yùn)輸壓力，降低了原材料成本。

三是按照規(guī)范水穩(wěn)分層厚度為20～27.5cm，原案63cm 需分三層鋪設(shè)，優(yōu)化后49cm 僅分兩層施工即可，加快了施工進(jìn)展。

四是底基層采用15cm 厚的級(jí)配碎石，解決了自卸車(chē)在沙地上運(yùn)輸問(wèn)題，方案可實(shí)施性得以解決。

五是水穩(wěn)配比通過(guò)試驗(yàn)，分別測(cè)試強(qiáng)度，并建立配比曲線，找到最佳配比，保證水穩(wěn)質(zhì)量。

基于高強(qiáng)度水穩(wěn)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合影響水穩(wěn)質(zhì)量的因素，水穩(wěn)原材料的選擇和配合比成為需要研究的課題。

2 水穩(wěn)原材料選擇

該項(xiàng)目水穩(wěn)組成成分為水、水泥、粗集料和細(xì)集料。

2.1 水

為保證水穩(wěn)質(zhì)量，水采用港區(qū)內(nèi)的飲用水。

2.2 水泥

根據(jù)當(dāng)?shù)厮嗔显矗蠧PJ42.5N 和CPA42.5R 兩種水泥可供選擇，水泥性能參數(shù)如表1 所示。

表1 水泥性能參數(shù)

水穩(wěn)中水泥的選擇主要取決于抗壓強(qiáng)度，在其他因素相同的條件下，兩種水泥的抗壓強(qiáng)度均能夠滿足水穩(wěn)的強(qiáng)度要求，考慮成本因素，最終確定使用CPJ42.5N 水泥。此外，水泥的初凝時(shí)間雖然小于3h，但考慮到場(chǎng)區(qū)內(nèi)建立水穩(wěn)拌和站，運(yùn)輸距離較短，能夠滿足使用要求。

2.3 粗集料

該項(xiàng)目石料取自阿比讓PK54 地區(qū)的石礦，根據(jù)國(guó)標(biāo)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石以及C-B-3 推薦的級(jí)配范圍和該項(xiàng)目技術(shù)規(guī)范對(duì)水穩(wěn)碎石級(jí)配要求，結(jié)合石料來(lái)源，選擇粒徑為25-31.5mm、15-25mm、5-15mm 的碎石作為粗集料(見(jiàn)表2、3、4）。

表2 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石以C-B-3 推薦級(jí)配范圍（%）為例

表3 該項(xiàng)目技術(shù)規(guī)范中對(duì)水穩(wěn)級(jí)配要求范圍（%）

表4 碎石試驗(yàn)檢測(cè)

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明所選取的石料符合規(guī)范要求，可作為水穩(wěn)粗集料使用。

2.4 細(xì)集料

水穩(wěn)的細(xì)集料可選材料有河沙、經(jīng)雨水沖洗過(guò)的海沙以及機(jī)制砂。

2.4.1 河沙和經(jīng)雨水沖洗過(guò)的海沙的選擇

當(dāng)?shù)睾由巢勺詾a湖，河沙運(yùn)距遠(yuǎn)，顆粒細(xì)，雜質(zhì)多，級(jí)配變化大，質(zhì)量不穩(wěn)定，因此河沙并非較好的選擇。

該項(xiàng)目附近防波堤海沙淤積嚴(yán)重，即將進(jìn)入航道降低水深影響通航，可考慮浚深的同時(shí)二次利用海沙。海沙顆粒較粗，級(jí)配良好，沙子干凈，但檢測(cè)氯離子含量超標(biāo)。科特迪瓦當(dāng)?shù)亟涤曦S富，該項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)吹填后的海沙經(jīng)雨水沖刷后經(jīng)檢測(cè)滿足指標(biāo)要求，因此考慮將防波堤淤積海沙取出后經(jīng)過(guò)雨水沖刷，然后檢測(cè)氯離子含量，達(dá)標(biāo)后投入使用。該項(xiàng)目業(yè)主類(lèi)似項(xiàng)目有實(shí)施先例，在加納特碼港，該業(yè)主的承包商EFAGI 也在水穩(wěn)中使用了海沙(見(jiàn)表5、圖3）。

表5 海沙經(jīng)雨水沖刷前后氯離子含量對(duì)比

圖3 海沙篩分級(jí)配曲線圖

此外，該項(xiàng)目處在港務(wù)局交通擁堵路段，路上運(yùn)輸河沙效率低，設(shè)備投入多，運(yùn)輸成本高，海沙運(yùn)輸跨越運(yùn)河，需要船舶二次倒運(yùn)，結(jié)合本區(qū)域內(nèi)船機(jī)閑置優(yōu)勢(shì)，海沙倒運(yùn)不需要發(fā)生高額船機(jī)調(diào)遣和使用費(fèi)用。

綜合對(duì)比后，經(jīng)過(guò)雨水沖刷過(guò)的海沙較河沙更適合作為水穩(wěn)的細(xì)集料之一。

2.4.2 機(jī)制砂

機(jī)制砂與粗集料來(lái)自同一產(chǎn)地，機(jī)制砂粒徑組成如圖4 所示。

圖4 機(jī)制砂篩分級(jí)配曲線圖

從海沙和機(jī)制砂的篩分曲線可以看出，海沙顆粒均勻，無(wú)大于2.5mm 以上顆粒，無(wú)小于0.063mm 以下顆粒，機(jī)制砂0.063mm 以下顆粒含量達(dá)到了10.9%，含石粉量較大，根據(jù)技術(shù)要求單獨(dú)使用海沙或者機(jī)制砂均不能滿足級(jí)配要求，因此考慮兩者結(jié)合起來(lái)使用，另外，海沙無(wú)黏聚性，機(jī)制砂有略微板結(jié)作用，機(jī)制砂中小于0.075mm 的顆粒可以和水泥一起填充由于海沙摻量大而造成的孔隙。

3 水穩(wěn)配合比研究

3.1 原始級(jí)配確定

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及技術(shù)規(guī)范中級(jí)配的要求，原始級(jí)配采用合成曲線接近每個(gè)篩孔通過(guò)百分率中值的比例，如表6、圖5 所示，水泥摻量定為10%，將該配比委托第三方試驗(yàn)，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)確定最大干密度和最佳含水率，并測(cè)試28 天的抗壓強(qiáng)度。

表6 原始級(jí)配

圖5 原始級(jí)配曲線圖

試驗(yàn)測(cè)得最大干密度為2.36g/cm，最佳含水率為6%，立方體試塊28 天抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果為25.8MPa，說(shuō)明原始配比能夠滿足強(qiáng)度要求。

3.2 施工工藝

結(jié)合施工規(guī)范和其他項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，確定施工方法為采用海沙和機(jī)制砂，兩者混合后將粗細(xì)集料在水穩(wěn)拌和站拌和，施工時(shí)檢測(cè)混合料含水率（見(jiàn)圖6），自卸車(chē)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)使用攤鋪機(jī)進(jìn)行攤鋪，每層虛鋪厚度為27.5cm(壓實(shí)后為24.5cm)攤鋪后的1h 內(nèi)使用22t壓路機(jī)碾壓，采用靜壓2 遍，振壓4 遍，最后再靜壓2遍收面，使用灌砂法測(cè)試水穩(wěn)的壓實(shí)度，完成后使用土工布覆蓋，并灑水養(yǎng)護(hù)7d，7d 內(nèi)不允許交通放行。

圖6 水穩(wěn)施工

現(xiàn)場(chǎng)采用原始配比進(jìn)行試鋪出現(xiàn)表面裂紋較多重復(fù)碾壓收面也無(wú)法消除的情況，壓實(shí)度和試塊強(qiáng)度雖然能夠滿足要求，但是表面質(zhì)量不合格。分析原因?yàn)榧?xì)集料摻量過(guò)大，雖然級(jí)配符合要求，但碾壓的過(guò)程中料會(huì)產(chǎn)生推移且海沙無(wú)黏聚性容易出現(xiàn)裂紋（見(jiàn)圖7、表7、表8）。

表7 原始級(jí)配水穩(wěn)抗壓強(qiáng)度測(cè)試

表8 原始級(jí)配水穩(wěn)壓實(shí)度測(cè)試

圖7 原始配比水穩(wěn)施工效果

3.3 級(jí)配配比優(yōu)化

根據(jù)原始配比，保持水泥和水的比例為10% 和6%，減少細(xì)集料用量，增加15-25mm 碎石，比例調(diào)整如下（見(jiàn)圖8、表9）：

表9 級(jí)配1

圖8 合成級(jí)配1 曲線圖

級(jí)配符合要求，集料略偏粗，使用相同的施工方法進(jìn)行試鋪，現(xiàn)場(chǎng)碾壓結(jié)束發(fā)現(xiàn)裂紋基本消除但表面仍粗糙，局部出現(xiàn)粗集料過(guò)多而造成的離析現(xiàn)象，分析原因?yàn)榧?xì)集料偏少（見(jiàn)圖9）。

圖9 級(jí)配1 試鋪結(jié)果表面較為粗糙且局部離析

保持水泥和水的比例為10%和6%，適當(dāng)提高海沙用量，減少5-15mm 碎石用量，調(diào)整比例為（見(jiàn)表10、圖10）：

表10 級(jí)配2

圖10 合成級(jí)配2 曲線圖

再次進(jìn)行試鋪，現(xiàn)場(chǎng)攤鋪碾壓結(jié)束后，表面幾乎無(wú)裂紋及離析現(xiàn)象，測(cè)試壓實(shí)度和試塊強(qiáng)度如下（見(jiàn)圖11、表11、表12）：

圖11 級(jí)配2 水穩(wěn)實(shí)施效果

表11 級(jí)配2 水穩(wěn)抗壓強(qiáng)度測(cè)試

表12 級(jí)配2 水穩(wěn)壓實(shí)度測(cè)試

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)三種級(jí)配的測(cè)試，總結(jié)見(jiàn)表13，根據(jù)分析，水穩(wěn)的粗細(xì)集料采用級(jí)配2。

表13 三種級(jí)配現(xiàn)場(chǎng)試鋪表觀質(zhì)量對(duì)比

3.4 水泥用量確定

從表14 可以看出級(jí)配2 情況下水泥用量為10%時(shí)，水穩(wěn)抗壓強(qiáng)度較要求的20MPa 高出較多，因此考慮調(diào)整水泥用量分別為9%、8%、7%。

水泥用量調(diào)整后，使用相同施工方法試鋪，同時(shí)使用灌砂法測(cè)試壓實(shí)度，每次試鋪時(shí)室內(nèi)制件取樣采用擊實(shí)法制作六塊150mm×150mm×150mm 的立方體抗壓強(qiáng)度試件，達(dá)到7d 和28d 齡期各分別測(cè)試三塊，同時(shí)為了能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)水穩(wěn)的抗壓強(qiáng)度，每次試鋪的區(qū)域在達(dá)到7d 養(yǎng)護(hù)期，取樣6 個(gè)芯樣，芯樣直徑為100mm，長(zhǎng)度為每層水穩(wěn)的厚度，即24.5cm，切割成高徑 比1∶1，其 中3 個(gè) 測(cè) 試7d 抗 壓 強(qiáng) 度，另 外3 個(gè) 測(cè) 試28d 抗壓強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)測(cè)試所得結(jié)果如表14、表15、圖12所示。

表14 不同水泥摻量對(duì)應(yīng)抗壓強(qiáng)度值

圖12 現(xiàn)場(chǎng)取芯測(cè)試

表15 不同水泥摻量對(duì)應(yīng)壓實(shí)度值

在施工方法正確的前提下，根據(jù)壓實(shí)度進(jìn)行測(cè)試，7%～10%水泥含量均能夠滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)果得出水泥用量為7%時(shí)，不能夠有效保證水穩(wěn)強(qiáng)度，水泥量達(dá)到8%以上時(shí)，水穩(wěn)強(qiáng)度均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求之上，同時(shí)為避免水泥含量過(guò)高而造成水穩(wěn)后期開(kāi)裂的現(xiàn)象，項(xiàng)目最終選用水泥摻量為8%作為正式施工的水泥摻量（見(jiàn)圖13）。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)水穩(wěn)實(shí)施效果

4 結(jié)論

一是高強(qiáng)度水穩(wěn)的配合比設(shè)計(jì)首先要選擇合適的材料，要求砂石料級(jí)配好，含泥量少。該項(xiàng)目結(jié)合自身特點(diǎn)，就地取材，在滿足技術(shù)要求的條件下，使用經(jīng)過(guò)雨水沖刷過(guò)的海沙作為細(xì)集料之一，同時(shí)海沙級(jí)配良好且價(jià)格較低，與機(jī)制砂搭配使用，保障水穩(wěn)鋪設(shè)的效果。二是該項(xiàng)目水穩(wěn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C16/20，水泥的選擇不能低于42.5MPa，高強(qiáng)度水穩(wěn)中水泥起到主要膠結(jié)作用，粗集料提供骨架結(jié)構(gòu)，細(xì)集料填充其中使其碾壓更加密實(shí)，具有良好的穩(wěn)定性以及板體性，水穩(wěn)強(qiáng)度得到保障。三是高強(qiáng)度水穩(wěn)配合比需要把控每個(gè)環(huán)節(jié)，從室內(nèi)試驗(yàn)到現(xiàn)場(chǎng)攤鋪、碾壓及養(yǎng)護(hù)等均需要把控好施工質(zhì)量。四是該項(xiàng)目水穩(wěn)強(qiáng)度由C8/10 變更為C16/20，是降低項(xiàng)目成本、縮短工期的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。項(xiàng)目在執(zhí)行環(huán)節(jié)，應(yīng)該不斷挖掘設(shè)計(jì)優(yōu)化的潛力，在滿足使用要求的前提下，良好的設(shè)計(jì)變更使得施工可以達(dá)到事半功倍的效果。