RCC路面配合比设计与应用

RCC路面配合比设计与应用
作者：杨卫红
来源：《科技资讯》2014年第21期
摘要：结合现有规范给出的碾压混凝土路面配合比设计方法，从设计理论、设计指标要求、材料组成、粗细集料合成级配范围等方面分析研究了碾压混凝土路面配合比设计特点，讨论碾压混凝土配合比确定与施工应用。

关键词：碾压混凝土路面配合比路用性能正交试验
中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（c）-0033-02
碾压混凝土路面RCCP （Roller-Compacted Concrete Pavement，简称RCCP）是采用沥青混凝土路面施工机械将干硬水泥混凝土摊铺、碾压成型的新型混凝土路面。

它的施工工艺与沥青混凝土路面类似，材料组成又与水泥混凝土路面相似，所以既有沥青类路面施工方便、快速开放交通的特点又具有水泥类路面强度高耐变形的特点。

但是RCC路面的缺陷也是明显的，RCC路面由于水泥用量少而强度不高，因碾压混凝土过于干硬施工时难以压实，平整度较低，表面因施工振动聚浆又影响抗滑性能。

因此，GBJ 097-94《水泥混凝土路面施工及验收规范》在增列“碾压混凝土路面”条目时同时规定只限用于二级及二级以下公路，或者主要为复合式路面的下层结构。

《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（ JTG F30-2003）给出碾压混凝土配合比设计方法[1]。

为充分发挥碾压混凝土的技术经济效益，提高碾压混凝土的路用性能，国内外仍在进行研究和实践，其设计理论和施工技术规范还在不断完善中。

文中试从RCC路面设计原理与方法、材料组成、粗细集料合成级配范围等方面进行研究并分析碾压路面水泥混凝土配合比的设计特点，讨论配合比确定与施工控制。

1 RCCP配合比设计原理与方法
1.1 配合比设计原理
（1）混凝土强度原理：指硬化混凝土的抗压强度及其他性能与水灰比的关系遵循阿勃拉姆斯（Abrams）建立的水灰比关系。

水灰比减少，其强度提高。

（2）土工原理：土工原理是借鉴普氏压实原理，在室内用击实方法，对于一个给定的压实功则对应一个“最佳含水量”，最大干密实随着压实功的增大而增加，最佳含水量则随着干密度的增加而减少。

1.2 RCC配合比设计方法
（1）绝对体积法。

绝对体积法是先根据规范规定或经验确定水灰（胶）比、砂率、单位用水量等参数，再假定混凝土拌合物体积与各组成材料体积之和相等建立方程，求解出每立方米混凝土拌合物中的粗集料、细集料等各组成材料的用量。

绝对体积法是国外普遍采用的碾压混凝土配合比设计方法。

（2）重量法（或称密度法）。

重量法需要根据经验先假定一个混合料表观密度，由每立方米混合料的重量等于各种组成材料重量之和建立方程，其它设计步骤和方法与绝对体积法相同。

（3）经验法。

与传统的混凝土路面配合比设计类似，以设计弯拉强度为控制指标，经过经验公式计算出水灰（胶）比；砂率则由经验选择；通过砂率、水灰（胶）比及维勃值的修正算出初估用水量；根据经验或者参数规范限定范围求得水泥用量。

经验法是近年来我国公路碾压混凝土路面配合比设计所普遍采用的方法。

（4）正交试验法。

该法根据限定范围预估水泥和用水量，采用绝对体积法计算各种材料的单位体积用量，然后通过正交试验，优选出满足路面设计要求和施工要求的理论配合比，再经过现场施工修正施工配合比[2]。

我国研究和铺筑碾压混凝土路面初期还采用过试算法：先假设某种粒径混合材料中占优势，由经验预估用水量，通过拌和确定水泥用量，再经过混凝土工作性和强度验证确定配合比。

《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTG F30-2003）对碾压混凝土路面配合比提出正交试验法和简捷法两种方法，规定对重要工程采用正交试验法，一般工程采用简捷计算方法[1]。

这里的正交法如前方法（4），简捷法是指上述方法（3）经验法。

各种方法既有区别又存在联系，正交试验法本质上是利用数学方法将试算法和绝对体积法综合利用，简捷计算方法是将经验法和试算法综合采用的结果，而其中对于砂率和粗骨料填充率又利用了填充包裹法的思想。

2 RCCP设计指标
路面碾压混凝土配合比设计指标的计算式和内涵也有不同规定，如下文所述。

2.1 弯拉强度
《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTG F30-2003）给出的碾压混凝土配合比设计方法，其设计思路是以混凝土面板的抗弯拉强度作为设计控制指标，碾压混凝土试配弯拉强度可按下式计算：
式中：为碾压混凝土设计弯拉强度标准值，见表1。

s为碾压混凝土弯拉强度试验样本的标准差；t为保证率系数，CV为碾压混凝土弯拉强度变异系数，为碾压混凝土压实安全弯拉强度，上式与路面普通混凝土算式相比，增加了一个压实安全弯拉强度数值[1]。

RCC路面混凝土配合比设计给出一个压实安全弯拉强度是有必要的，因为碾压混凝土弯拉强度、抗压强度等在很大程度上受压实度控制，如果压实度没有达到标准试件所要求的95%，强度不能保证，稳定性耐久性等一切路用性能均无从谈起。

2.2 工作性
碾压混凝土属于特干硬性混凝土，工作性指标的选择对于其压实度、弯拉强度及平整度至关重要。

拌合物的稠度与强度成反比，但稠度过低又难以压实平整。

还有特干硬混凝土离析的问题，粗集料极易离析成堆、成片。

解决方法之一通常是降低对平整度的苛刻要求，首先保证密实度及强度，如在二级以下公路路面和复合式路面底层，施工规范作了一项重要的修正，在二级公路平整度要求3 m直尺不大于5 mm的情况下，碾压混凝土出搅拌机口改进VC值宜为5～10 s，碾压时的改进VC值宜控制在（30±5 ）s，试验中的“试样表面出浆评分”宜为4～5分，并不应低于4分[3]。

2.3 耐久性
（1）关于引气剂。

施工规范增补了含气量与满足耐久性要求的最大水灰（胶）比及最小水泥用量要求，为保证碾压混凝土路面的使用年限。

实践证明：碾压混凝土路面同样有较严重的冻坏及盐冻脱皮破坏、可掺用高效减水剂，适当降低出机初始稠度来满足含气量要求，这样，平整度会有所降低。

（2）关于最大水灰（胶）比和最小单位水泥用量。

满足耐久性要求的路面碾压混凝土最大水（胶）灰比和最小水泥用量宜符合表2的规定
碾压混凝土水灰（胶）比相对较低，由于碾压混凝土使用的振动压路机等的压实功较普通混凝土振捣棒高得多，在相同水泥用量下，密实后达到的弯拉强度高。

因此，在达到相同配制弯拉强度时，碾压混凝土水泥用量一般较普通混凝土低20～50 kg/m3，但是在碾压混凝土作面层时，要求最小水泥用量与普通混凝土相同，是为了保持足够的砂浆数量，防止离析和早期局部破损。

碾压混凝土作为路面基层或复合式路面底层，将不受此项限制。

3 粗细集料的合成级配范围
粗集料的最大粒径影响到碾压混凝土的强度，一般最大粒径越大强度也越高，但为保证碾压混凝土面层的平整度，粗集料的最大粒径不宜过大，一般不超过19 mm，尽量不超过26.5 mm（圆孔）。

至于级配，碾压混凝土所用粗骨料的级配更严格，其取值范围接近于沥青混凝土对粗集料级配的要求。

粗细集料的合成级配建议值如表3。

集料合成级配尤其是粗集料级配对碾压混凝土的强度、工作性、平整度、都会产生不同程度的影响，《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTG F30-2003）给出了表中碾压路面混凝土粗细骨料合成级配的要求，这与其他普通路面混凝土有很大不同。

表中显示比普通混凝土粗集料的级配要求严格，同时，最大粒径19 mm更接近于沥青混合料组合级配的设计要求，最大粒径较小，是便于施工中的碾压。

从级配理论上，表明碾压混凝土集料级配更服从于不同粒径粗集料逐级充填密实理论，碾压混凝土与沥青混合料一样，要求振动碾压密实后的混合材料构成骨架密实结构，才能获得较高的压实度，这一点与普通混凝土集料依赖振捣棒作用克服振动粘度由自重下沉形成密实结构有本质区别。

表中显示规范给出的集料合成级配较交通部科研成果偏细，并且最大粒径也较小这是因为规范只是针对二级及以下公路等级而定的。

粒径偏大、集料偏粗可提高混凝土的强度，也有利于改善工作性，但粗集料粒径太大，又可能影响压实和平整度，不同等级路面路用性能不同，其对集料的级配要求必然有区别[4]。

4 RCCP掺合材料和外加剂
碾压混凝土是坍落度为零的干硬性混合料，为提高其强度或工作性，往往加入外加剂，常用减水剂，对在寒冷地区有抗冻要求的碾压混凝土还需加入引气剂等。

合理设计和使用掺和料和外加剂已成为碾压混凝土质量的重要因素。

近年来有工程尝试将钢纤维加入碾压混凝土形成钢纤维碾压混凝土新型路面，可提高碾压混凝土路面的抗韧性能，增强碾压混凝土的抗裂能力。

掺合材料和外加剂的种类不同，掺加剂量不同都会对混凝土的质量和路用性能产生不同的影响，这就使得配合比设计过程更加复杂，需要设计多种方案进行比对试验，最后确定最优设计方案。

5 RCCP配合比正交试验
施工规范规定在碾压混凝土和钢纤维混凝土配合比设计中，均规定重大工程应采用正交试验法。

（1）掺粉煤灰的碾压混凝土可选用水量、基准胶材总量粉煤灰掺量、粗集料填充体积率4个因素每个因素选定3个水平；不掺粉煤灰的碾压混凝土正交试验可选用水泥用量、用水量、粗集料填充体积率3个因素；选用L9（34）正交表安排试验方案。

（2）对正交试验结果进行回归分析的考察指标：VC值及抗离析性弯拉强度或抗压强度[2]。

并综合考虑拌和物工作性，确定满足28d弯拉强度或抗压强度、抗冻性或耐磨性等设计要求的正交初步配合比。

6 RCCP配合比确定与施工控制
6.1 实验室基准配合比确定、调整及验证
由上述方法得出的配合比，应在实验室按《公路工程混凝土试验规程》（JT J053-94）规定方法进行如下各项试配检验、调整及验证。

（1）拌和物试拌试验。

按不同混凝土各经验公式估算出的配合比，在工作性和含气量不满足相应摊铺方式要求时，可保持水灰比不变调整单位用水量、外加剂掺量和砂率满足计算弯拉强度及耐久性要求。

（2）混凝土拌合物容重及含气量调整。

实测拌和物容重，按水灰比不变调整水泥浆用量，按实测容重调整配合比。

再实测拌和物含气量是否满足规范的规定，不满足要求时，应增减引气剂掺量，直至满足规范要求。

（3）强度及耐久性检验。

在满足拌和物工作性和含气量要求的前提下，按标准试验及养生，一般可按计算水灰（胶）比为中心，按+0.02选定3个或3个以上不同水胶比制作弯拉强度、抗压强度、抗冻性、耐磨性或干缩等试件，检验各种混凝土7d或28d试配弯拉强度、抗压强度、耐久性等[4]。

6.2 搅拌楼试拌配合比
搅拌楼试拌在摊铺机械已经准备好的条件下，允许与摊铺试验路段合并进行，试拌调整拌和物的有关参数后，即可投入试验路段试铺，这样无需再调整加水量。

6.3 施工现场配合比的微调与现场控制
考虑施工中原材料含水量、含泥量变化等因素，水泥用量宜比搅拌楼试拌配合比增加5～10kg/m3。

经搅拌楼实拌调整好的配合比可微调缓凝减水剂、引气剂的掺量，施工水灰比应维持不变，保持摊铺现场的稠度始终适宜于铺筑。

7 结语
路面面层要求有较高的强度和耐磨性能，良好的抗滑性能，满足车辆平稳舒适行驶的平整度以及经受重载长期作用而不破坏的耐久性。

而在设计阶段就应兼顾这些性能对混合材料的要求，设计时单方面注重强度或只强调平整度往往会影响路面的耐久性。

所以应优化碾压混凝土的配合比设计，并开展多种试验成果的试验路段铺筑来验证各种参数，逐步形成完善的碾压混凝土面层的设计理论或设计规范，为其能适用于较高等级路面面层和有更广阔的使用前景创造条件。

参考文献
[1] 公路水泥混凝土路面施工技术规范（ JTG F30-2003）[M].北京，人民交通出版社，2003.
[2] 黄倩.农村公路碾压混凝土路面干温缩试验分析[J].西部交通科技，2012（2）：16-20.
[3] 牛开民，高等级公路碾压混凝土路面施上技术指南[R].1996.
[4] 黄维蓉，胥吉.农村公路路面碾压混凝土配合比设计研究[J].混凝土，2010（6）：137-142.。