四級(jí)配碾壓混凝土試驗(yàn)方法及施工質(zhì)量控制

郭少臣+林育強(qiáng)

【摘要】針對(duì)四級(jí)配碾壓混凝土的性能特點(diǎn)，為消除尺寸效應(yīng)、大骨料篩除等對(duì)性能研究的不利影響，研發(fā)了試驗(yàn)設(shè)備及裝置，提出了四級(jí)配、三級(jí)配碾壓混凝土同步澆筑上升的施工工藝參數(shù)和質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)措施，為四級(jí)配碾壓混凝土筑壩技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】沙沱水電站；四級(jí)配碾壓混凝土；試驗(yàn)方法；質(zhì)量控制

1. 概述

（1）碾壓混凝土筑壩技術(shù)是世界筑壩史上的一次重大技術(shù)創(chuàng)新。碾壓混凝土筑壩技術(shù)以其施工速度快、工期短、投資省、質(zhì)量安全可靠、機(jī)械化程度高、施工簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，建壩周期比同類的常態(tài)混凝土壩縮短工期1/3以上[1]，因此備受世界壩工界青睞。

圖1振動(dòng)成型器示意圖（2）傳統(tǒng)碾壓混凝土拌和物干硬，黏聚性較差，施工過(guò)程中粗骨料易發(fā)生分離，所以一般都限制碾壓混凝土壩均采用二、三級(jí)配骨料，最大粒徑為40～80mm，且適當(dāng)減少最大粒徑及粗骨料所占的比例[2]。如采用四級(jí)配骨料，最大粒徑120～150mm，可顯著減少膠凝材料用量、降低水化熱、提高混凝土抗裂性能、增加混凝土澆筑層厚，從而進(jìn)一步降低成本、簡(jiǎn)化溫控、提高施工速度、減少層面，充分發(fā)揮碾壓混凝土的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。但四級(jí)配碾壓混凝土筑壩技術(shù)，有諸多問(wèn)題需探索研究并解決，如試驗(yàn)方法、試驗(yàn)裝置、施工工藝及運(yùn)輸過(guò)程中骨料分離控制及碾壓層厚增加帶來(lái)的現(xiàn)有碾壓機(jī)械適用性等問(wèn)題[3，4]。

（3）本文介紹了四級(jí)配碾壓混凝土試驗(yàn)方法、性能特點(diǎn)，并結(jié)合工藝性試驗(yàn)及該技術(shù)在沙沱水電站大壩的實(shí)際施工應(yīng)用情況，闡述了四級(jí)配碾壓混凝土在質(zhì)量控制方面的關(guān)鍵技術(shù)措施，為該技術(shù)在類似工程的推廣應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

2. 四級(jí)配碾壓混凝土試驗(yàn)裝置及方法

圖2全級(jí)配碾壓混凝土抗剪特性試驗(yàn)系統(tǒng)圖3全級(jí)配混凝土徐變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)2.1試驗(yàn)裝置研發(fā)。 研發(fā)了試驗(yàn)設(shè)備及裝置，形成整套四級(jí)配碾壓混凝土試驗(yàn)系統(tǒng)。

（1）全級(jí)配碾壓混凝土振動(dòng)成型器。研發(fā)了全級(jí)配碾壓混凝土振動(dòng)成型器成型，振動(dòng)器頻率50±3 Hz，振幅3±0.2mm，附有可拆卸的試模壓板和壓重塊，壓板形狀與試件表面形狀一致，其邊長(zhǎng)或直徑比試件尺寸約小5mm。將壓重塊的質(zhì)量調(diào)整至碾壓混凝土試件表面壓強(qiáng)為4.9kPa。全級(jí)配碾壓混凝土振動(dòng)成型器示意圖見圖1。

（2）CW-5000型電液-伺服自動(dòng)反力加荷徐變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)。研發(fā)了用于全級(jí)配混凝土徐變?cè)囼?yàn)的CW-5000型電液-伺服自動(dòng)反力加荷徐變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電液伺服-自動(dòng)反力聯(lián)合加載、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的高精度、荷載穩(wěn)定的徐變?cè)囼?yàn)測(cè)試裝置組成。具備以下特點(diǎn)：試件上部采用彈簧實(shí)現(xiàn)反力加載，底部采用5000KN電液伺服系統(tǒng)加載，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合加載，并保持荷載穩(wěn)定；控制系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)調(diào)整荷載，保障荷載的精度和準(zhǔn)確性；具有安全保護(hù)系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)采集。全級(jí)配碾壓混凝土抗剪特性試驗(yàn)系統(tǒng)見圖2，全級(jí)配混凝土徐變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)見圖3。

全級(jí)配混凝土芯樣抗拉裝置。針對(duì)傳統(tǒng)芯樣抗拉裝置拉板容易脫落、試件粘接及剝落耗時(shí)耗力，尤其是全級(jí)配芯樣尺寸較大、不易操作等不足，研發(fā)了一種新型芯樣抗拉試驗(yàn)裝置，極大地簡(jiǎn)化了抗拉試件與拉板粘接、拔落、破碎試件與拉板剝離等制備和處理過(guò)程，顯著提高了工作效率，避免拉板與試件表面不垂直、拉桿與試件中心不對(duì)中等不利因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，具有簡(jiǎn)便、省時(shí)、高效、安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，并申報(bào)了國(guó)家發(fā)明專利。

2.2試驗(yàn)方法。

（1）為了消除試件尺寸的影響，三級(jí)配、四級(jí)配碾壓混凝土及三級(jí)配變態(tài)混凝土均采用相同的形狀與尺寸進(jìn)行熱學(xué)、力學(xué)、變形、耐久等全級(jí)配性能試驗(yàn)，即不篩除特大石、大石。

（2）在全級(jí)配碾壓混凝土成型時(shí)，將混凝土拌和物分層澆注在試模內(nèi)，澆注層厚度不超過(guò)300mm，全級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度、絕熱溫升、抗?jié)B、抗凍試件采用兩次裝料成型，軸心抗壓彈模、自生體積變形、熱學(xué)性能、徐變?cè)嚰秩窝b料成型。按每100cm2插搗12次進(jìn)行插搗，插搗上層時(shí)搗棒應(yīng)插入下層10mm～20mm，將拌和物表面整平后，將裝有壓板的振動(dòng)成型器垂直置于拌和物表面進(jìn)行振動(dòng)成型，振動(dòng)時(shí)間以澆注層表面均勻泛漿為準(zhǔn)。當(dāng)下層振動(dòng)完畢后，裝入上層拌和物，重復(fù)上述步驟至成型完畢。

（3）全級(jí)配混凝土拌和成型的同時(shí)，成型濕篩混凝土小試件，與全級(jí)配試件陪伴進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、觀測(cè)。為了消除試件尺寸的影響，三級(jí)配、四級(jí)配碾壓混凝土均采用相同的形狀與尺寸進(jìn)行熱學(xué)、力學(xué)、變形、耐久等全級(jí)配性能試驗(yàn)，全級(jí)配混凝土拌和成型的同時(shí)，成型濕篩混凝土小試件。

2.3試件尺寸全級(jí)配碾壓混凝土的試件尺寸見表1。

3. 四級(jí)配碾壓混凝土的施工工藝及質(zhì)量控制

3.1四級(jí)配碾壓混凝土配合比。根據(jù)室內(nèi)拌和物性能試驗(yàn)結(jié)果，四級(jí)配碾壓混凝土用水量為71Kg/m3，砂率為30%，粗骨料組合為20：30：30：20（特大石：大石：中石：小石）時(shí)，混凝土拌和物VC值為1s～3s時(shí)，混凝土拌和物黏稠、大骨料裹漿情況較好。碾壓混凝土配合比見表2。

3.2四級(jí)配碾壓混凝土施工工藝。為了對(duì)上壩應(yīng)用進(jìn)行施工工藝和材料性能校核，在沙沱水電站引水渠攔渣坎設(shè)置試驗(yàn)塊，進(jìn)行了四級(jí)配碾壓混凝土工藝性試驗(yàn)。四級(jí)配碾壓混凝土施工采用三一集團(tuán)生產(chǎn)的YZ20C型全液壓?jiǎn)武撦喺駝?dòng)碾。根據(jù)碾壓混凝土工藝性試驗(yàn)結(jié)果，不同區(qū)域的三級(jí)配碾壓混凝土、四級(jí)配碾壓混凝土可采取相同施工工藝參數(shù)、同步澆筑上升。層厚為0.4m、0.5m時(shí)四級(jí)配碾壓混凝土施工工藝參數(shù)推薦值列于表3。

3.3四級(jí)配碾壓混凝土施工質(zhì)量控制關(guān)鍵措施。從現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，施工組織管理有序，拌和物性能基本滿足施工要求，集中大骨料得到及時(shí)分散，碾壓操作規(guī)范，壓實(shí)度滿足技術(shù)要求。根據(jù)四級(jí)配碾壓混凝土拌和物性能特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，施工質(zhì)量控制主要從以下幾方面入手：

（1）混凝土拌和物VC值控制。低溫、陰天、小雨氣候，VC值控制在3s～5s，盡量趨近3s；高溫、大風(fēng)時(shí)，VC值控制在1s～3s，并及時(shí)噴霧保濕；VC值不宜過(guò)小，否則易造成骨料包裹性差、分離嚴(yán)重、砂漿損失等問(wèn)題。

（2）入倉(cāng)方式。自卸車自拌合樓接料后直接入倉(cāng)是最佳的入倉(cāng)方式，其次可采用滿管配合進(jìn)行皮帶機(jī)入倉(cāng)。

（3）骨料分離改善措施。在VC值控制不佳、汽車接料時(shí)位置較偏時(shí)，骨料分離情況嚴(yán)重，人工很難充分分散集中的大骨料?？蓮囊韵聨讉€(gè)角度著手：汽車接料時(shí)緩慢行走2～3遍，可降低料堆高度、減少大骨料滾落數(shù)目；卸料后，利用挖機(jī)分散料堆兩側(cè)集中的大骨料；平倉(cāng)機(jī)從接近料堆底部推料并行走一定距離，可從立面、平面充分分散集中骨料，避免大骨料集中引起的骨料架空現(xiàn)象；人工配合分散挖機(jī)或平倉(cāng)機(jī)的盲區(qū)。

（4）施工組織管理。與三級(jí)配碾壓混凝土相比，在高溫環(huán)境下四級(jí)配碾壓混凝土VC值損失較快，施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件進(jìn)行VC值動(dòng)態(tài)控制、骨料分離控制，并保證振動(dòng)碾行走速度及碾壓遍數(shù)、確保碾壓質(zhì)量。

綜上，通過(guò)原材料質(zhì)量控制、VC值動(dòng)態(tài)控制、骨料分離綜合處理、澆筑倉(cāng)面面積動(dòng)態(tài)控制等措施，可確保四級(jí)配碾壓混凝土拌和物性能和碾壓質(zhì)量。

4. 四級(jí)配碾壓混凝土筑壩技術(shù)施工應(yīng)用

2011年3月，沙沱水電站在沙沱水電站左岸擋水壩段進(jìn)行了第一倉(cāng)四級(jí)配碾壓混凝土澆筑，標(biāo)志著四級(jí)配碾壓混凝土筑壩技術(shù)正式上壩應(yīng)用。沙沱水電站四級(jí)配碾壓混凝土的應(yīng)用情況如下：

（1）共在大壩左岸1#～4#壩段、右岸13#～16#壩段采用了四級(jí)配碾壓混凝土筑壩技術(shù)，累計(jì)澆筑約18萬(wàn)m3。

（2）壩體內(nèi)部采用C9015四級(jí)配碾壓混凝土，上游面采用C9020三級(jí)配碾壓混凝土及C9020三級(jí)配變態(tài)混凝土防滲，壩體下游側(cè)50cm范圍內(nèi)采用C9015四級(jí)配變態(tài)混凝土。

（3）壩體施工采用了上游三級(jí)配、內(nèi)部四級(jí)配碾壓混凝土同步上升的方式，施工工藝參數(shù)為碾壓層厚為0.5m，碾壓遍數(shù)為無(wú)振2遍+有振碾壓8遍+無(wú)振碾壓2遍，激振力為395kN，振動(dòng)碾行走速度控制在1.0～1.2km/h。

（4）2013年4月20日，工程下閘蓄水；在蓄水過(guò)程及3年多運(yùn)行期間，大壩安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，壩體運(yùn)行狀況良好。2016年5月最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：四級(jí)配壩段未監(jiān)測(cè)到層間滲壓異常，大壩處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5. 結(jié)語(yǔ)

使用四級(jí)配碾壓混凝土應(yīng)用于大壩混凝土，可節(jié)約膠凝材料、簡(jiǎn)化溫控措施，從而減少直接工程投資；同時(shí)隨著澆筑層厚增加、施工速度和工程建設(shè)進(jìn)度加快，使大壩早日竣工、提前發(fā)電，創(chuàng)造巨大的間接經(jīng)濟(jì)效益。此外，在節(jié)約水泥用量、減少骨料生產(chǎn)帶來(lái)粉塵等方面帶來(lái)的好處，將產(chǎn)生顯著的生態(tài)環(huán)境效益，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]田育功.碾壓混凝土快速筑壩技術(shù)[M].中國(guó)水利水電出版社，2010.

[2]Meijuan Rao， Huaquan Yang， Yuqiang Lin， Influence of Maximum Aggregate Sizes on the Performance of RCC， Construction and Building Materials. 2016， 115：42～47.

[3]林育強(qiáng)，石妍，李家正，楊華全. 四級(jí)配碾壓混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工工藝試驗(yàn)研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2012，（5）.