冬季低溫期碾壓瀝青混凝土心墻施工技術

謝曉龍

(中國葛洲壩集團股份有限公司第二工程公司,四川成都 610091)

1 寒冷地區冬季低溫期碾壓瀝青混凝土心墻施工的意義

我國水電站大壩應用碾壓瀝青混凝土施工的經驗少,特別是碾壓瀝青混凝土心墻的鋪筑層厚長期被禁錮在 20.0±2.0cm以及在環境氣溫 5.0℃以上才允許鋪筑施工等條件限制,導致寒冷地區每年碾壓瀝青混凝土的有效施工天數有限,尤以寒冷地區明顯,嚴重制約著碾壓瀝青混凝土心墻的施工進度。

在寒冷地區,采用常規施工技術冬季低溫期不能施工,加之常規施工方法的施工效率低,根本無法滿足大壩工程對碾壓瀝青混凝土心墻施工進度的要求,從而延長了工程的總工期。氣候的影響,將嚴重制約寒冷地區采用碾壓瀝青混凝土防滲心墻壩型的設計,嚴重阻礙和制約了我國西部水利水電建設事業的發展。

在寒冷地區的壩區,當年 10月至次年 4月的降雪和積雪期環境氣溫均在 5.0℃以下(每天的11∶30～13∶00之間的氣溫在 5.0℃左右 ),低溫(氣溫 0℃以下)天數占全年天數的 65.0%;而在冬季進行施工,能夠進行碾壓瀝青混凝土心墻施工作業的時間非常短,從而導致心墻層面接頭增加(不利于防滲)、機械設備的利用率很低以及瀝青保溫時間太長,從而造成施工成本的增加。如何在冬季低溫期(包括小雪天)進行施工,充分的利用每年這 6個月時間進行碾壓瀝青混凝土心墻施工,才能加快碾壓瀝青混凝土心墻的施工進度,確保碾壓瀝青混凝土心墻堆石壩工程按照合同工期完建,減少工程施工成本已成為世界關注的問題之一。

業界一直未能在環境氣溫 0℃以下進行碾壓瀝青混凝土心墻施工,只有挪威進行過相關的試驗研究,但未應用到工程施工中。我們所研究的環境氣溫在 -5.0℃時碾壓瀝青混凝土心墻施工技術不僅具有開創性,還具有劃時代的意義。

2 寒冷地區冬季低溫期碾壓瀝青混凝土心墻施工技術

2.1 冬季低溫期施工準備

(1)生產設備和施工機械準備。

冬季低溫期瀝青拌和系統的骨料輸送器、骨料加熱器、熱骨料篩分機、自動稱量系統、成品運輸系統、瀝青脫桶設備和瀝青加熱系統必須完好并且沒有被凍結,生產的控制系統必須完好。要依據土石壩壩區冬季低溫期的氣候條件,對拌和樓進行冬季適應性改造,使該系統具有在 -5.0℃氣溫條件下生產瀝青混合料的能力。

將常規瀝青混合料拌和運輸車的底板、廂板加裝保溫隔熱層,并加裝車廂保溫隔熱蓋板,使其適應冬季低溫期的瀝青混合料運輸。一般是把常規裝載機鏟斗改換成料斗、改造液壓系統制成瀝青混合料的垂直運輸設備,要求在瀝青混合料斗上加裝蓋板,其料斗和斗門最好具有保溫功能。

瀝青混合料拌制所需的各種骨料、人工砂、天然砂、填充粉料應充足,即應有能夠滿足一層心墻碾壓瀝青混凝土鋪筑所需用的原材料;瀝青儲存罐內應有足夠的軟化瀝青,其溫度在 160.0℃左右。

檢查瀝青混合料水平運輸、垂直運輸和攤鋪、碾壓設備是否完好。運輸車和攤鋪機的斗門開閉是否靈活、保溫部分要可靠。同時,承擔瀝青混合料碾壓和過渡料碾壓的振動碾至少要保證各有一臺完好。

所制作的心墻層面的防雨雪棚用于施工中遇小雪時遮擋雪花,避免雪在即將攤鋪瀝青混合料的區域融化成水;避免雪融水進入攤鋪(還未初步碾壓)的瀝青混合料中,否則,所攤鋪的瀝青混合料碾壓后的孔隙率大,影響防滲效果。

(2)施工現場準備。

在心墻兩端基座表面噴涂的“稀釋瀝青”已經干透,其上攤鋪的瀝青瑪蹄脂已凝固,鋪筑的碾壓瀝青混凝土心墻表面已經清潔,心墻表面無污物、積水、雪和冰等并經監理工程師驗收合格、批準開工;紅外線加熱器工作可靠,保溫材料和輔助器具準備齊全。

(3)其它相關施工準備。

施工現場通往瀝青混合料生產系統的道路應暢通,碾壓瀝青混凝土心墻上下游的堆石料填筑高度應滿足防滲心墻上升的要求,碾壓瀝青混凝土心墻監測儀器埋設完畢并經監理工程師驗收合格、同意對儀器進行覆蓋。

2.2 冬季低溫期碾壓瀝青混凝土心墻施工

(1)瀝青混合料制備。

在瀝青混合料拌制中,將骨料的溫度加熱至190.0℃～200.0℃的上限值。若填充粉料在拌制中不加熱,則可適當提高骨料的加熱溫度值,以確保瀝青混合料的出機口溫度在規定的上限值170.0℃～175.0℃左右;對于低于 150.0℃的混合料則作為廢料處理。瀝青混合料出機口溫度與熱骨料溫度關系曲線見圖 1。

在成品儲料罐的外層加設保溫層,出料口增加保溫層和加溫裝置,使混合料在成品儲料罐儲存的過程中盡量減小溫度損失;在罐內設置管式紅外線加熱器,適當補償混合料的溫度損失;成品瀝青混合料在儲料罐內儲存的時間不能超過 6h,應盡量減少其存放時間,避免成品瀝青混合料的溫度損失。

(2)瀝青混合料攤鋪。

本項技術的瀝青混合料攤鋪層厚 30cm(單層攤鋪厚度比常規施工技術提高了 30.4%)。由于人工攤鋪瀝青混合料的速度較慢,故冬季低溫期碾壓瀝青混凝土心墻的瀝青混合料宜采用機械攤鋪作業。

圖1 瀝青混合料出機口溫度與熱骨料溫度關系曲線圖

冬季低溫期碾壓瀝青混凝土心墻施工采用人工攤鋪施工作業時,要確保各個環節正常,包括瀝青混合料各生產環節均正常,即能確保施工順利和快速的進行,使瀝青混合料能夠不間斷的攤鋪,并可及時進行瀝青混合料的初碾,才能保證土石壩碾壓瀝青混凝土心墻的施工質量。

冬季低溫期心墻瀝青混凝土攤鋪機作業時,必須保證攤鋪機前部的遠紅外線加熱器正常工作,把已鋪筑的瀝青混凝土層面(深 10～15mm)加熱到 70.0℃左右;減少所攤鋪的混合料在基礎瀝青混凝土接觸面的溫度損失,確保底部混合料被碾壓密實。

瀝青混合料入倉溫度應控制在 162.0℃～170.0℃,攤鋪機行走速度為 0～3.0m/min。攤鋪過程中遇小雪時,要采取綜合防水措施,即在心墻攤鋪機前面設置移動式組裝防雨棚車(長、寬、高分別為 6.0m、2.5m、2.0m);防雨棚車的作用是防止雪花飄落到即將攤鋪瀝青混合料的部位,不下雪時則不使用防雨棚車。心墻攤鋪機攤鋪后未初次碾壓的瀝青混合料要用耐熱帆布覆蓋(長10.0～15.0m),防止雪落到混合料上。

將棚車連接在攤鋪機前面,隨攤鋪機一起前行,人工在防雨棚車內將層面積水清除掉,并用加熱器將水漬烘干。棚車行走至心墻放大段時,將棚車與攤鋪機間的連接器解開,攤鋪機繼續向前攤鋪 2.0～3.0m。在基座上貼防雨布,基座流水順防雨布流至水平段后再分流到上下游過渡料中,確保雨水不流到即將攤鋪瀝青混合料的基面上。

(3)瀝青混合料碾壓。

瀝青混合料的儲運設備和攤鋪機料斗等均加設保溫設施,瀝青混合料入倉溫度應控制在不低于 162.0℃。在運輸過程中應保證瀝青混合料盡量全封閉,減少其與環境冷空氣進行接觸,以降低瀝青混合料的溫度損失。

在攤鋪過程中,應及時檢測瀝青混合料的溫度,入倉(攤鋪)后每隔 5～10min檢測一次溫度,以便指揮振動碾適時進行碾壓。

當攤鋪后的瀝青混合料溫度降至155.0℃～158.0℃時,及時進行初次碾壓(無振碾壓 2遍),及時對攤鋪的瀝青混合料表面進行封閉;只要振動碾在瀝青混合料上面不下陷即應盡量早碾壓,以防止瀝青混合料表面溫度損失過大而碾壓不密實,或產生龜裂。瀝青混合料初碾溫度與空隙率關系見圖 2。當環境溫度為 -5℃時,既使在145.0℃～154.0℃時初碾,瀝青混凝土表面仍出現毛面及龜裂現象,所以,初碾溫度不能低于155.0℃。

圖2 瀝青混合料初碾溫度與空隙率關系圖

瀝青混合料采用一臺 1.5t振動碾碾壓,過渡料采用兩臺 2.5t振動碾碾壓;瀝青混合料和心墻過渡料的碾壓順序為:靜碾(無振)過渡料 1遍(振動碾行走 1個來回)→(初碾)靜碾瀝青混合料 2遍→振動碾壓過渡料 5遍→(復碾)振動碾壓瀝青混合料 13遍→(終碾)動碾過渡料 3遍。

振動碾行走速度為 25～30m/min,用 1.5t振動碾在瀝青心墻上靜碾 1遍收光混凝土面,最后用 2.5t振動碾靜碾過渡料 1遍并壓平過渡料與心墻接觸部位。

施工過程中若遇下雪,應立即在未碾壓的瀝青混合料上覆蓋帆布,以盡量減慢瀝青混合料的溫降速度,保證碾壓過程中混合料溫度保持在140℃以上,從而保證其壓實度。振動碾在防雨帆布上碾壓瀝青混合料。

(4)施工質量控制。

影響冬季低溫期碾壓瀝青混凝土心墻施工質量的主要因素有現場氣溫、風速、雪和初次碾壓溫度等。為此,針對施工工藝流程中的各施工工序采取相應的措施,確保溫度及施工質量。

主要控制瀝青混合料出機口溫度、入倉溫度、初碾和終碾的溫度;瀝青混合料水平運輸、垂直運輸和攤鋪機瀝青混合料斗的保溫措施要可靠。

鋪筑施工過程中,應檢測瀝青混合料的入倉溫度,入倉后每隔 5～10min檢測一次溫度,當瀝青混合料溫度降到初碾溫度時進行碾壓,碾壓完畢仍要檢測溫度,待其達到終碾溫度時進行最終碾壓。

冶勒大壩心墻碾壓瀝青混凝土控制指標為密度大于 2.37g/cm3、空隙率小于 3.0%、滲透系數為 1×10-9,無損檢測與鉆孔取芯試驗結果相符。

2.3 寒冷地區冬季低溫期施工注意事項

2.3.1 骨料的加熱溫度

瀝青混合料拌制中骨料的加熱溫度應控制在190.0℃～200.0℃,骨料溫度超過 220.0℃時停止瀝青混合料生產,待熱料倉的骨料溫度降到允許值時恢復生產;確保瀝青混合料的出機口溫度在規定的上限(175℃)左右;對于所拌制的瀝青混合料的溫度低于 150.0℃或超過 185.0℃的混合料作為廢料處理。

2.3.2 瀝青混合料的儲運

盡量避免所拌制的瀝青混合料在成品料倉內的存放,瀝青混合料成品在成品料倉內儲存的時間不能超過 6h,運輸車內的瀝青混合料儲存時間不能超過 40min;一般垂直運輸設備的料斗沒有加熱能力,瀝青混合料最好不要在該設備料斗內滯留,滯留時間一般應控制在 15min以內。

2.3.3 成品瀝青混合料保溫

成品瀝青混合料的保溫措施:(1)在瀝青混合料成品儲料罐的外層加設保溫層,使混合料在成品儲料罐儲存的過程中盡量減小溫度損失;在成品料儲存罐內和其卸料斗門處要設置管式紅外線加熱器,適當補償混合料的溫度損失;(2)成品瀝青混合料的水平運輸、垂直運輸設備和攤鋪機瀝青混合料斗等均加設了保溫層,從而保證了瀝青混合料在運輸過程中盡量作到全封閉,減少瀝青混合料與環境冷空氣的接觸時間,盡量減少成品瀝青混合料在運輸過程中的溫度損失;(3)瀝青混合料運輸。做好土石壩碾壓瀝青混凝土心墻施工現場的準備工作,及時解決心墻施工現場發生的干擾施工的突發事件,確保瀝青混合料運輸道路的暢通及將運到施工現場的瀝青混合料能順利、及時的攤鋪和碾壓,盡量縮短瀝青混合料在現場等待的時間。施工現場發生阻滯現象時,每隔15～20min對滯留在施工現場運輸車輛中的瀝青混合料進行一次溫度測量,停滯等待的時間越長,測量溫度的時間間隔越短,當其溫度下降到限定值 160.0℃時作為廢料棄掉。

2.3.4 瀝青混合料入倉溫度控制

將瀝青混合料入倉溫度控制在 165.0℃～175.0℃,瀝青混合料入倉溫度不得低于 160.0℃,低于此溫度的瀝青混合料不能入倉,作為廢料棄掉。

2.3.5 心墻基礎面加熱

低溫期心墻瀝青混凝土鋪筑施工時,將心墻已施工的瀝青混凝土層面加熱至70.0℃左右,以減少攤鋪時混合料與瀝青混凝土接觸面的溫度損失。

2.3.6 攤鋪后的瀝青混合料碾壓

嚴格控制土石壩碾壓瀝青混凝土心墻鋪筑施工作業的環境溫度,氣溫在 -5.0℃以上、風速 3級以下的條件下可以進行碾壓瀝青混凝土心墻施工作業,初碾溫度為 160.0℃～165.0℃,冬季低溫期鋪筑作業時要及時對攤鋪的瀝青混合料進行初碾,封閉攤鋪的瀝青混合料,確保攤鋪的瀝青混合料的層面碾壓密實,防止表面龜裂現象發生。

3 結 語

由于工程所處嚴寒地區冬季低溫期的時間占全年時間的 45.0%,采用冬季低溫期碾壓瀝青混凝土心墻施工技術,避免了冶勒大壩冬季停工,充分的利用了長達 6個月左右的冬季進行碾壓瀝青混凝土心墻鋪筑施工,充分的利用了現有設備,降低了工程施工成本,縮短了工程建設時間并使工程提前發揮了經濟和社會效益。該項技術的應用,為我國西部寒冷地區碾壓瀝青混凝土心墻施工提供了先例,為在寒冷地區推廣該類壩型提供了技術條件。