中铁一局集团有限公司广州分公司广东广州511492
摘要：水泥混凝土路面具有强度高，稳定性好、耐久性好、养护费用少、经济效益高等特点，要保证水泥混凝土路面具有良好的使用性能，不仅要精心设计，还要精心施工。结合实际工作经验,参考大量文献资料，从工程试验角度针对水泥混凝土路面工程中需要注意的一些细节问题，提出了保证施工质量的具体措施和要求。
关键词:水泥混凝土路面工程试验控制
1、前言
我公司承建的广西全兴高速公路项目水泥混凝土路面工程LM-3合同段，主要工程量是：基层贫混凝土597894平方米，基层贫混凝土使用三辊轴摊铺机施工；面层混凝土563391平方米，面层混凝土使用滑模摊铺机施工。砼总量29.9万立方米。现根据本工程的实际施工情况从工程试验角度对水泥混凝土基层及面层的原材料及配合比选定情况进行具体说明。
1.1水泥混凝土路面的定义
水泥混凝土路面是指以水泥混凝土为主要材料做面层的路面，简称混凝土路面。亦称刚性路面，俗称白色路面，它是一种高级路面。
1.2水泥混凝土路面的优点
水泥混凝土路面的优点有：强度高；稳定性好；耐久性好；养护费用少、经济效益高；有利于夜间行车；有利带动当地建材业的发展。
1.3水泥混凝土路面的缺点
水泥混凝土路面的缺点有：对水泥和水的需要量大；有接缝；开放交通较迟；修复困难。
2、水泥混凝土路面配合比的设计
2.1水泥混凝土路面原材料技术要求
2.1.1水泥
1、极重、特重、重交通荷载等级公路面层水泥混凝土应采用旋窑生产的道路硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥。高温期施工宜采用普通型水泥，低温期施工宜采用早强型水泥。
面层水泥混凝土所用水泥的技术要求除应满足现行《道路硅酸盐水泥》（GB13693）或《通用硅酸盐水泥》（GB175）的规定外，各龄期的实测抗折强度、抗压强度尚应符合表1的规定。
表1面层水泥砼用水泥各龄期的实测强度值
2、选用水泥除满足各项指标规定外，还应通过混凝土配合比试验，根据其配制弯拉强度、耐久性和工作性优选适宜的水泥品种、强度等级。
3、宜选用散装水泥。散装水泥的夏季出厂温度：南方不宜高于65℃，北方不宜高于55℃；混凝土搅拌时的水泥温度：南方不宜高于60℃，北方不宜高于50℃，且不宜低于10℃.
2.1.2粗集料
1、粗集料应使用质地坚硬、耐久、洁净的碎石、碎卵石和卵石，并应符合表2的规定。高速公路、一级公路、二级公路及有抗（盐）冻要求的三、四级公路混凝土路面使用的粗集料级别应不低于Ⅱ级，无抗（盐）冻要求的三、四级公路混凝土路面、碾压混凝土级贫混凝土基层可使用Ⅲ级粗集料。有抗（盐）冻要求时，Ⅰ级集料吸水率不应大于1.0%；Ⅱ级集料吸水率不应大于2.0%。
表2碎石、破碎卵石和卵石质量标准
2、用做路面混凝土的粗集料不得使用不分级的集料，应按最大公称粒径的不同采用2～4各粒级的集料进行掺配，并应符合合成级配的要求。卵石最大公称粒径不宜大于19.0mm；碎卵石最大公称粒径不宜大于26.5mm；碎石最大公称粒径不应大于31.5mm。碎卵石或碎石中粒径小于75um的石粉含量不宜大于1%。
2.1.3细集料
1、细集料应采用质地坚硬、耐久、洁净的天然砂或机制砂，不宜使用再生细集料。
2、极重、特重、重交通荷载等级公路面层水泥砼用天然砂的质量标准并应符合表3的规定。高速公路、一级公路、混凝土路面使用的砂应不低于Ⅱ级，贫混凝土基层可使用Ⅲ级砂。
3、细集料的级配要求应符合规范的要求，路面和桥面用天然砂宜为中砂，也可使用细度模数2.0～3.7之间的砂。同一配合比用砂的细度模数变化范围不应超过0.3，否则，应分别堆放，并调整配合比中的砂率后使用。
表3细集料的质量标准
2.1.4水
符合现行《生活饮用水卫生标准》（GB5479）的饮用水可直接作为混凝土搅拌和养护用水。
非饮用水应进行水质检验，应检验pH值、氯离子含量、硫酸根含量、碱含量、可溶物含量、不溶物含量、其他杂质等指标；还应与蒸馏水进行水泥凝结时间与水泥胶砂强度的对比试验；对比试验的水泥初凝与终凝时间差均不应大于30分钟，水泥胶砂3天和28天强度不应低于蒸馏水配制的水泥胶砂3天和28天强度的90%。。
2.1.5外加剂
外加剂的产品质量应符合规范中的各项技术指标要求，各项性能的检验方法应符合现行《混凝土外加剂》（GB8076）的规定。外加剂产品出厂报告中应标明其主要化学成分和使用注意事项，面层水泥混凝土的各种外加剂应经有相应资质的检测机构检验合格，并提供检验报告后方可使用。外加剂产品应使用工程实际采用的水泥、集料和拌和用水进行试配，检验其性能，确定合理掺量。
滑模摊铺机施工的水泥混凝土面层宜采用引气高效减水剂；高温施工混凝土拌合物的初凝时间短于3h时，宜采用缓凝引气高效减水剂；低温施工混凝土拌合物终凝时间长于10h时，宜采用早强引气高效减水剂。
2.2水泥混凝土路面配合比设计
水泥混凝土配合比的设计和优化是滑模摊铺路面的关键技术,配合比设计时除满足水泥混凝土路面的物理力学指标外,重要的是考虑混凝土的工作性、耐久性和经济性?
1、设计弯拉强度标准值
路面水泥混凝土的强度以28天龄期的弯拉强度控制。各级交通要求的路面混凝土设计弯拉强度fcm应符合下表4的规定。
表4水泥混凝土弯拉强度标准值
2.3水泥混凝土路面配合比设计实例（全兴高速）
2.3.1试验依据
《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/TF30-2014）
《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40-2011)
《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2017）
《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)
2.3.2使用材料
1、水泥
经过项目部物设部原材料料源的调查，本条路附近只有桂林兴安海螺水泥具有生产旋窑水泥的生产能力和规模，因此经过工地试验室的取样、试验、试配面层配合比以及送检化学物质发现，其中水泥28天抗压强度以及部分化学成分只符合《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/TF30-2014）中“中、轻交通路面”用水泥技术要求，不符合高速公路（极重、特重、重交通）路面使用P·O42.5技术要求。具体数据如下表7：
表7桂林兴安海螺水泥检测结果
注明：强度报告为工地试验室试验，报告编号005
化学分析试验为广西交通科学研究所试验，报告编号2018-AC001
经过和业主、监理单位的汇报沟通，只有选择兴安海螺水泥，因此配合比的选择只能围绕着海螺水泥来调整其它材料的用量了，从而保证混凝土的质量符合《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/TF30-2014）及设计的要求。
2、河砂采用全州中砂，细度模数为2.72，表观密度为2620Kg/m3，堆积密度为1490Kg/m3，含泥量为1.0%，泥块含量为0。
3、碎石采用兴安本地碎石场生产的碎石，母材属于石灰岩，母岩强度为107MPa，最大公称粒径为31.5mm的合成级配,其中5~16mm占40%,16~31.5mm占60%，含泥量为0.6%，泥块含量0，压碎值为11.0%，表观密度为2740Kg/m3，堆积密度为1500Kg/m3。
4、水采用工地附近水库用水，经送检符合规范要求。
5、外加剂（液体），掺量为水泥用量的2%（由于水泥化学指标与规范要求的不同，从而选择匹配的外加剂很难，只有不停的调试外加剂的掺量来寻找最佳掺量）。
2.3.3基准配合比计算
1、配制强度：fc=fr/(1-1.04cv)+ts
公式中：
fc—试配强度Mpa；
fr—配制28天弯拉强度的均值5.0Mpa（此段高速为重交通）；
cv—弯拉强度变异系数。根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/TF30-2014）中cv允许范围0.05~0.10取0.075；
t—保证率系数根据施工队伍的施工水平及规定的保证率范围取0.39
s—弯拉强度试验样本的标准差，依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)取1.645。
计算得：fc=5.0/(1-1.04×0.075)+0.39×1.645=6.1Mpa
2、计算水灰比（碎石）：W/C=1.5684/（fc+1.0097-0.3595×fs）
公式中：
W/C—水泥与用水量之比；
fc—试配强度6.1Mpa；
fs—最近3个月水泥平均28天抗折强度，7.9Mpa；
计算得：W/C=1.5684/（6.1+1.0097-0.3595×7.9）=0.37
3、选定砂率。根据砂的细度模数与最优砂率关系表，并结合我标段河砂检测结果，SP取35%
4、计算用水量：
W0=104.97+0.309SL+11.27×C/W+0.61SP
公式中：
W0—不加外加剂混凝土的单位用水量（Kg/m3）
SL—坍落度，取50mm
C/W—灰水比，水灰比倒数，得2.70
计算得：
W0=104.97+0.309×50+11.27×2.70+0.61×33%
=151Kg/m3
根据现场浇注施工机具，计算用水量符合路面混凝土坍落度最大用水量范围。
5、掺外加剂后计算用水量：W0W=W0（1-β/100）
公式中：
W0W—掺外加剂混凝土的单位用水量（Kg/m3）
Β—所用外加剂减水率为18%。
计算得：W0W=151×（1-18%）=124Kg/m3
6、计算单位水泥用量：C=（C/W）W0W
公式中：
C—单位水泥用量Kg/m3
C/W—灰水比之倒数：2.70
计算得：
C=124×2.70=335Kg/m3
计算得的水泥用量满足路面混凝土耐久性要求的最大水灰比（0.44）和最小水泥用量（300Kg/m3）。
7、砂、石用量按假定容重法计算，假定混凝土为2400Kg/m3，得：
S0=（2400-335-124）×35%=679Kg/m3
G0=（2400-335-124）×65%=1262Kg/m3
8、外加剂掺量2%，335×2%=6.7Kg/m3
所以计算理论配合比为：
水泥：水：河砂：碎石：外加剂
335：124：679：1262：6.7
1：0.37：2.03：3.77：0.02
经试拌0.05m3测试坍落度为45mm，和易性良好，含气量为3.6%，表观密度实测为2450kg/m3,超过计算值2400kg/m3的+2%，因此对各种材料进行修正调整，调整后配合比为：
经再次试拌，各项指标均满足设计及规范要求。
2.4配合比调整
2.4.1调整原因
1、砂产于距兴安80公里外的全州和灌阳，桂林地区用砂均源于全州和灌阳县，砂资源稀缺，现产现卖，无存货，基本是现金交易。目前砂运到我料场价为90元/立方（投标价70元/立方），到本年底湘江、黄砂河实行河道管制，禁止掏砂，施工高峰期砂的供应量将严重不足，价格可能还将大幅上涨。
2、水泥供应严重不足，兴安县海螺水泥厂向全兴高速公路项目供应水泥量严重不足，每天供应全兴项目水泥总量仅400吨（全线有6个路基标、3个路面标、两个房建标），我合同段基层正常施工的水泥用量是每天250吨、面层每天需660吨，目前P.O42.5水泥运到我料场价为415元/吨（投标价275元/吨）。
3、全兴项目周边地材相对较缺，碎石生产加工能力按合同工期算仅能满足正常施工的一半，路面三合同段范围内有4个采石场，碎石日生产能力4000立方米、石屑1000立方米，我合同段正常施工每日需要2000立方米碎石、1000立方石屑；路基标工程砼结构物、底基层施工目前处于施工高峰期，路基4、5、6合同段每日需要4500立方碎石。业主要求只有在满足路基标施工后我方才可进碎石和石屑，在此种情况下碎石还可能再次涨价。
4、全兴路面三标工程量为混凝土路面基层贫混凝土12万方，混凝土路面面层18万方，工程量大，工期紧，任务重。
鉴于以上原因，能否采用工地附近的质量差一点的河砂及其它碎石（如卵碎石）等地材，试验室对原材的选择及配合比的优化这项工作显得尤为重要。
2.4.2调整措施
1、积极主动协助物资部对周边小河段的粗砂及细砂进行取样、检验
2、对周边小河段内有生产卵碎石的石场取样、检验
3、尽量调整混凝土的总体表观密度在规范要求的+2%，也就是说使搅拌机生产出的一方实际为1.02方，这样可以减少项目部与搅拌劳务队和运输劳务队的量差
4、通过减水剂与水泥匹配的试验，调整减水剂的配方，找到减水剂的最佳掺量，减少减水剂的用量
5、反复试配路面混凝土配合比中各材料的比例，即水泥用量5kg波动；针对不同细度模数的砂选取不同的砂率；反复调整大石与小石的掺配比例。
2.4.3调整结果
其中大石：小石=80%：20%；河砂为本地细度模数为2.95的粗砂掺细度模数为2.70的中砂各占50%。经测试坍落度为40mm，和易性良好，含气量为3.5%，表观密度实测为2498kg/m3即（13.7-1.211）/5×1000,未超过计算值2450kg/m3的+2%（2500kg/m3），7天混凝土抗折强度为4.87Mpa，28天混凝土抗折强度为6.64Mpa大于试配强度6.10Mpa。现场试验段路面取芯样测试劈裂强度，换算为抗折强度7天5.23Mpa，28天6.16Mpa。满足施工要求，各项指标均符合设计要求。（由于全线都是施工高峰，原材料尤其是碎石与河砂需求量很大，实际进场材料的质量参差不齐，抗折强度比抗压强度更不容易达到，再加上交工时各级检测单位都要进行取芯做混凝土劈裂强度。因此配合比在设计时要考虑一定的富裕系数。）
2.4.4试验室对现场混凝土控制措施及注意事项
1、随时抽检现场进的砂、石材料的级配及含泥量等各项指标
2、根据不同细度模数的砂及时调整混凝土的砂率
3、根据不同大小的石子及时调整大石与小石的掺配比例
4、监控现场进料是否按要求将不同规格的砂石分类堆放，装载机司机是否按照配合比开具的规格的砂石进行对应上料
5、试验人员在搅拌站24小时值班制度，严格测试并控制混凝土的坍落度，原材料含水率发生变化后及时进行调整，杜绝搅拌机司机任意加水现象的发生。
2.5水泥混凝土路面基层（贫混凝土）设计实例
2.5.1设计参数
试配强度：12.5MPa，水灰比：不大于0.68
设计强度：抗压10MPa，抗折2.0MPa
2.5.2原材料情况
水泥：兴安海螺水泥P·C32.5复合型硅酸盐水泥
河砂：中砂（细度模数2.56，黄砂河砂场）
碎石：5~31.5mm连续级配（美姑岩碎石场），分为两种规格5~16mm占30%和16~31.5mm占70%
水：饮用水
2.5.3试验室理论配合比
经试拌测试混凝土的各项指标为：坍落度为35mm，和易性良好，表观密度实测为2495kg/m3，未超过计算值2470kg/m3的±2%，7天混凝土抗折强度为1.86Mpa，7天抗压强度为9.2Mpa，28天混凝土抗折强度为2.78Mpa，28天混凝土抗压强度为13.9Mpa，大于试配强度13.5Mpa,现场试验段基层取芯样测试，芯样抗压强度为7天8.6Mpa，28天12.7Mpa满足设计及规范要求。。
2.5.5调整措施
1、用碎石场的合格机制砂（石屑）代替河砂
2、调整每方混凝土表观密度（容重），使现场搅拌一方为实际的1.02方
3、用河里的卵碎石代替石灰岩的碎石
4、调整卵碎石比例即大石：小石=80%：20%
3、水泥混凝土路面配合比优化产生的经济效益
现就配合比设计中的方案比选，以全兴高速路面第三合同段为例
3.1河砂的选用。
通过经济技术比较，在保证工程质量的前提下，经监理、业主同意，用产自当地的河砂替代40～50%产自黄砂河的河砂，用于路面面层。
通过掺用当地小河里级配不太好的粗砂代替部分合格的中砂；通过选用碎石场产生的底料机制砂用于路面基层；通过使用河道里生产的卵碎石代替部分碎石。理论上总共节约成本3895612元。光试验室配合比选择这一项就为单位产生了这么好的经济效益。
4、试验室对水泥路面混凝土的控制要点及注意事项
4.1配合比精心设计好之后，在开工前选择最不利的天气条件下，先用大型搅拌机试拌，并用自卸汽车预演正式施工时运输的场景，在长距离及长时间的颠簸运输后，由试验人员对此时的混凝土的坍落度、含气量及和易性等性能指标检测，通过这些现场的第一手数据来印证配合比的合理性，从而正确地指导以后大面积的施工。
4.2加大原材料的抽检力度尤其是对水泥和减水剂及碎石的抽检，严格把住材料关。材料是构成混凝土路面的主体，如果由于施工中管理不严，购进材料质量低劣，那么这样的材料组成的混凝土路面面板的弯拉应力就达不到设计要求，很容易在施工期间产生不规则断裂，或在使用过程出现更多的病害。
4.3严格控制砼组成配合比，在施工中要经常检查骨料的级配是否与原试验级配相符，并及时调整施工配合比。同时还要检查含泥量，使其不能超标。而在施工中最应注意的是水灰比的控制，如果水灰比忽大忽小，在摊铺时又不注意摊铺的均匀性，在其交界结合处由于收缩率或受热膨胀率不同，容易形成裂缝和断板的情况；如果水灰比过大，混合料便偏稀，在其凝固成型时，收缩率就大，一旦缩缝设置和施工仍按正常进行，就会造成缩缝间距相对过长，从而易在较大的收缩应变作用下形成裂缝，如果进一步发展，还可以形成贯通的混凝土路面断板，因此，在施工中要严格把住混合料的配比关，特别是水灰比。。中医上说的是望问诊切，现场是试验人员也必须积累这方面的经验，根据混凝土的颜色判断水泥用量是否准确；根据现场捣固难易程度判断碎石用量；根据现场抹面、收浆、收面情况判断砂率是否改变或者减水剂的含气量是否超标等等。
4.4每个搅拌站都必须配备一定数量合格的标定砝码，每周定期不定期的进行计量标定。现场随时抽检混凝土试件时候顺便测测试件的容重推算混凝土的方量是否与设计配合比一致。当然混凝土的坍落度和含气量等指标就不用说了都要按照规范不定期的抽检来及时调整混凝土的搅拌质量。
5、结束语
针对路面工程而言，试验室是成本控制方面的重中之重。试验室的职能是设计、检测、控制职能。其中配合比的设计要遵循“科学、规范、适用、经济”的原则，科学就是全面的系统的考虑图纸的设计要求，当地的水文、气候条件、施工技术规范（规范性）、当地的材料供应、材料品质、施工机械和施工水平的可操作性（适用性）、经济成本的优化（经济性）。科学性是龙头，规范、适用和经济性是内容。优化配合比不管是对基层还是面层都大有文章可做。
水泥混凝土路面施工中，为保证所铺设的路面具有较好的质量，试验室必须严格依照规范的要求严把进场材料关；严格控制混凝土的搅拌质量；在满足施工和易性、耐久性及设计要求的前提下,就地取材，材料交叉适配，多选、精心、精细选择经济合理的配合比，正确地指导现场施工。