前场抛填骨料工艺工程应用研究

　　摘要：本文研究前场抛填骨料工艺在江苏某工程中的应用技术，对其中的原材料的选择、混合比的设计进行详细的计算分析，然后与常规水泥混凝土的强度进行分析，抛填骨料混凝土完全可以满足路面工程的施工要求和质量指标，表现出了优异的工程服役性能。
关键词：抛填骨料，混凝土，施工工艺

抛填骨料工艺是基于对常规混凝土中骨料在浆体中的“悬浮状态”而不能充分发挥其强度骨架和嵌锁的作用，以及目前混凝土中浆体通常富余过多使得混凝土收缩大、水化热高和成本高等缺陷的考虑，改进普通混凝土施工工艺而得到的新型混凝土施工工艺，也称前场抛填工艺。大量的基础实验研究都很明确地证明了它较常规混凝土强度高、收缩小、弹性模量高和造价低等优点。目前在以下工程中实际验证，表明了抛填骨料混凝土完全可以满足路面工程的施工要求和质量指标，表现出了优异的工程服役性能。
1.工程概况。某省道改扩建工程是在原有沥青混凝土过渡路面上铺设23cm厚的水泥混凝土路面，路面宽度为7m，单幅施工宽度为3.5m，设计强度为28天抗折强度不低于4.5MPa。抛填骨料路面混凝土试验段分两段进行：2008年5月24日下午于省道K90+220-K90+270标段铺设了50米试验段，施工方是路面1标；2008年5月24日下午于省道K101+795-K101+755标段铺设了40米试验段，施工方是路面3标。
本工程采用抛填骨料工艺即在水泥混凝土摊铺过程中抛入一定量的碎石，后续的成型、抹平、养护和刻槽等过程与普通混凝土无异的施工工艺，亦名前场抛填骨料工艺。抛入一定量的碎石有利于集料发挥强度骨架的作用，形成嵌锁结构，提高强度；增加的集料也有利于提高混凝土的刚性。
2.原材料
2.1水泥。为保证更好的基准混凝土配合比设计，满足施工工作性和强度指标的要求，工程采用钟夏牌和三峡牌PC32.5级复合硅酸盐水泥，选这两种水泥进行性能对比试验。两种水泥的物理力学性能指标如表1所示。从水泥性能检测结果来看，工程所用两种水泥的基本性能均符合国标GB175-2007《通用硅酸盐水泥》中对PC32.5级复合硅酸盐水泥的有关规定。
表1水泥的物理力学性能
水泥
品种
 细度
（%）
 标准
稠度
（/%） 凝结时间
（min） 安定性 抗折强度（MPa） 抗压强度（MPa）
   初凝 终凝  3d 28d 3d 28d
钟夏 0.8 28.2 242 300 合格 4.3 6.0 18.9 39.4
三峡 0.8 26.8 227 263 合格 3.4 6.1 14.8 37.6
2.2集料。粗集料：选自朱家厂4.75mm-26.5mm粒级的破碎砾石，符合GB/T14685-2001《建筑用卵石、碎石》中的相关规定要求，针片状含量为&9%，含泥量0.6%，表观密度为2611kg/m。
细集料：寺坪砂场中粗砂，细度模数3.0，含泥量1.2%，工程中采用的合成砂的级配曲线如图1所示。


图1砂的级配曲线
3配合比设计
3.1常规水泥混凝土配合比设计。为保证获得具有良好的工作性和规定强度要求的基准混凝土，现场选用两种同等级复合硅酸盐水泥进行常规混凝土性能的对比试验。基准混凝土根据JGJ55-2000普通混凝土配合比设计规程确定，并在现场实验中加以调整。准混凝土的配合比设计见表2所示。
表2常规水泥混凝土配合比设计
类别 水泥
（kg/m3） 碎石
（kg/m3） 水
（kg/m3） 砂
kg/m3 W/C
钟夏 380 1218 627 175 0.46
 410 1173 627 190 0.46
钟夏 380 1218 627 175 0.46
 410 1183 622 185 0.45
3.2抛填骨料混凝土配合比设计。保持基准混凝土配合比不变的前提下，工程施工中所用抛填骨料混凝土的骨料抛填体积率为8%，以此取代率换算得出实际的抛填骨料混凝土的配合比见表3所示。
表3抛填骨料混凝土配合比设计
类别 水泥
（kg/m3） 碎石
（kg/m3） 水
（kg/m3） 砂
kg/m3 砂率 W/C
钟夏 380 1211 167 652 0.35 0.44
钟夏 350 1323 154 600 0.35 0.44
4结果与讨论
4.1常规水泥混凝土的强度。对于普通路面混凝土，抗折强度是最重要的质量验收指标之一。研究了在相同用材标准的前提下，对比了两种基准混凝土的抗折强度性能差异，实验结果对比见图2所示。
从图2中可知：无论水泥的用量是380kg/m3还是400kg/m3，钟夏水泥较三峡水泥都表现出更好的抗折强度指标，且在水泥380kg/m3时，钟夏水泥混凝土的抗折强度已明显高于4.5MPa。考虑到为了不增加水泥材料费用，提高工程的性价比，经工程实验对比后抛填骨料混凝土的配比优选钟夏水泥。

图2基准混凝土的抗折强度
4.2抛填骨料混凝土的强度。为了证明抛填骨料混凝土的工程应用可行性，在相同的实验条件下对比了常规和抛填骨料混凝上的强度。常规和抛填骨料混凝土的抗压强度对比见图3。

图3常规与抛填骨料混凝土的抗压强度
从图3看出，抛填骨料混凝土的早期和后期抗压强度都明显优于同等用材条件下的常规混凝土，28d强度较常规混凝土有很大幅度的提高，增长率近10%，即说明抛入一定量的骨料对改善混凝土的抗压强度是显著的，也印证了一前人研究的结论：在普通混凝土中增加集料含量有利于提高强度，尤其是抗压强度。
抗折强度是路面混凝土最重要的性能指标之一。混凝土路面在行车载荷作用下的受力情形类似于混凝土受抗折时的状态。根据工程实测数据，做出常规和抛填骨料混凝土的抗折强度对比，结果如图4所示。从图看出，抛填骨料混凝土的早期抗折强度略低于常规混凝土，幅度在0.2MPa左右，而28d抗折强度超过了常规混凝土，总体上的趋势表现是影响不大。因此，在保证抛填骨料质量合格和后期良好养护情况下，抛填骨料混凝土抗折强度不会低于常规混凝土。

图4常规与抛填骨料混凝土的抗折强度
研究表明混凝土中的水泥浆体量和粗骨料用量是影响中低强混凝土抗折强度的两个主要因素，浆体对混凝土的抗折强度影响更加显著，这主要归因于增加的集料和数量不足的浆体导致集料与浆体的界面区数量增加和质量弱化，这是影响抗折强度的主要因素。所以抛入8%的碎石则相对降低了浆体的比例，其对抗折强度有一定程度的负面影响，但是只要控制合理的抛填量就能够保证不低于常规混凝土强度且满足工程规定的抗折指标。
4.3工程检测结果。为了证明抛填骨料工艺在工程中的实际应用效果，对施工后一个月的混凝土路面进行了芯样劈裂强度的随机测试和外观观察。检测结果见表4所示。
表4工程实验段的芯样强度（龄期29天）
桩号  外观描述 试样高度 劈裂强度（MPa） 折算抗折
强度（MPa） 平均值（MPa）
K101+791 0.2 完整 205 3.41 5.14 
K101+780 1.5 完整 214 3.39 5.12 
K101+758 0.2 完整 207 3.34 5.06 
K101+740 0.2 完整 220 3.33 5.05 
K101+732 0.2 完整 224 3.25 4.97 
K101+721 0.9 小蜂窝 217 3.18 4.90 
从28d强度来看：抛填骨料混凝土的抗折强度比生产路的常规水泥混凝土芯样的强度有一定的提高，且二者都超过规定的抗折指标（4.5MPa），这和室内试验的结果基本一致，从振捣密实的效率来看，现场混凝土强度较室内强度有大幅度提高。总体来看：抛填骨料混凝土在抛填骨料合格的前提下其强度不会低于常规混凝土，较常规混凝土有一定的优势，能满足水泥混凝土路面的质量水平和应用要求。
5.工程施工现场
抛填骨料路面混凝土的施工和普通路面混凝土施工相比，除增加了抛填骨料的撒布外其他完全相同，施工时需要适当延长插入振捣的时间，但是可以减少了8%的混凝土拌合量，因此实际的施工的电耗并没有增加，施工中要增加的是集料撒布的人工费用或者机械费用。由于一些单位的施工进度是由拌合机的产量决定的，因而减少了混凝土拌制数量可以适当加快施工进度
根据对施工过程中的观察，可以直观发现：抛填一定量的粗骨料后，混凝土仍然有一定的浆体富余，在经过振捣后能很好地裹覆抛填的骨料，形成致密的路面整体结构；施工完毕后的抛填骨料混凝土路面和原有的常规混凝土外观并没有任何区别；同时观察到采用抛填骨料工艺后混凝土中常见的浮浆、泌水和早期收缩开裂问题基本没有出现。
6.经济技术效益分析
抛填骨料混凝土是基于对目前混凝土普遍存在浆体用量过大导致的混凝土收缩大、开裂风险和成本过高而提出的改进施工工艺方法，抛入的骨料与原有的骨料形成相互嵌锁结构，增强了混凝土的刚性骨架，同时起到部分替代作用，节约了每方基准混凝土中的水泥和砂的用量，从而降低工程的整体造价。
表5经济技术效益分析
材料 单价
（元/吨） 常规工艺 前场工艺
  材料用量
（kg） 单项费用
（元） 材料用量
（kg） 单项费用
（元）
水泥 310 380 117.8 349.6 108.4
砂 46 649.8 29.9 597.8 27.5
石 20 1206.8 24.1 1322.2 26.4
每方单价（元） 171.8 162.3
差价 9.5
为了进一步说明应用抛填骨料混凝土的优势所在，根据现场材料的入场价格和实际用量，计算出常规和抛填骨料混凝土的单方价格，结果见表5所示，比较两种混凝土之间的技术经济性差别。由表5可以看出，采用前场抛填骨料工艺后，每方混凝土可以节约材料费用9.5元，成本的节约主要源于混凝土中水泥用量的降低，工程的经济性得到明显提高。
结束语
本文研究了前场抛填骨料工艺在某省道改扩建工程中的应用，证明了其能够很好地满足水泥混凝土路面的质量要求，较常规混凝土具有一定的优越性。
参考文献
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《前场抛填骨料工艺工程应用研究》

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