瀝青混凝土面板施工工藝研究

徐 麗

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司,四川成都 610091)

1 概 述

山西西龍池抽水蓄能電站裝機(jī)容量 1 200 M W,年發(fā)電量 18.05億 k W?h,整個樞紐由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫、地面開關(guān)站等建筑物組成。其中上水庫采用瀝青混凝土全庫防滲,下水庫庫底及堆石壩面板采用瀝青混凝土面板防滲,總防滲面積 22.46萬 m2。

瀝青混凝土的配合比、攤鋪和碾壓是瀝青混凝土面板施工中的技術(shù)難點,目前國內(nèi)相關(guān)施工經(jīng)驗不足,尚處在學(xué)習(xí)、研究階段。因此,研究瀝青混凝土的施工工藝及方法,對于提高其施工質(zhì)量、切實掌握瀝青混凝土施工核心技術(shù)具有重要的意義。

瀝青混凝土施工工藝研究包括施工環(huán)境條件、施工工藝及施工質(zhì)量檢測等。西龍池上水庫瀝青混凝土防滲面板施工由日本大成株式會社與葛洲壩集團(tuán)公司共同完成。通過該上水庫瀝青混凝土防滲面板施工,積累了一定的有益經(jīng)驗。

2 影響瀝青混凝土性能的主要因素

影響瀝青混凝土性能的因素主要有以下幾方面。

(1)原材料和配合比對瀝青混凝土性能的影響。

瀝青混凝土所使用的主要原材料有:瀝青、骨料及摻料。瀝青各組分的變化、粗細(xì)骨料和填充料的礦物成分、粗骨料的粒形(針片狀的含量)以及填充料的細(xì)度等均對瀝青混凝土的施工特性有不同程度的影響,其中填充料本身的化學(xué)成分是一個較重要的影響因素。

瀝青混凝土有強(qiáng)度、密度和防滲要求及變形能力、低溫穩(wěn)定性等要求。瀝青用量的多少對上述性能影響非常大,配合比是決定瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)的主要因素。

(2)施工工藝對瀝青混合料質(zhì)量的影響。

瀝青混凝土施工對溫度要求非常高。施工中瀝青混合料的拌制、運輸、攤鋪、碾壓等施工工序的連接均將直接影響瀝青混凝土的質(zhì)量。因此,選擇適當(dāng)?shù)氖┕し椒ā⑹┕C(jī)具、碾壓方式和接縫處理方法,對保證瀝青混凝土的施工質(zhì)量非常重要。

3 施工方案的選擇

施工方案的選擇是根據(jù)工程施工特點選配合適的施工機(jī)械,再確定攤鋪方案(攤鋪順序、條幅劃分方法、攤鋪方法等)。

3.1 施工特點

上水庫瀝青混凝土防滲面板為簡式結(jié)構(gòu),厚20 c m,從內(nèi)至外依次為:整平膠結(jié)層、加厚層、防滲層、封閉層。防滲面板按照不同結(jié)構(gòu)方式、不同材料和施工方法分為庫底、斜坡,庫底與斜坡之間呈圓弧過渡連接。其中庫底由整平膠結(jié)層、(加厚層)防滲層、封閉層組成,采用普通瀝青。斜坡主要由整平膠結(jié)層、(加厚層)防滲層、封閉層組成,采用改性瀝青。圓弧段由整平膠結(jié)層、加厚層、防滲層、封閉層組成,采用改性瀝青。庫底與進(jìn)出水口廊道采用瀝青砂漿連接,全庫防滲面積約 22.46萬 m2。施工中,坡面和圓弧采用同種方式施工,坡面最長 85 m,坡比為 1∶2。

3.2 施工機(jī)械的選擇

機(jī)械設(shè)備選擇的原則:由于瀝青混凝土施工對混合料拌和質(zhì)量、施工溫度要求比較高,施工中不但要保證混合料拌和質(zhì)量的穩(wěn)定性,還要保證施工的連續(xù)性。設(shè)備選擇的原則為:

(1)混合料拌和設(shè)備。

混合料拌和設(shè)備稱量系統(tǒng)要有一定的精確性和可靠性,設(shè)備應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性,其生產(chǎn)能力必須滿足瀝青混凝土施工高峰的強(qiáng)度要求。經(jīng)性能比較后,選用遼陽筑機(jī) 3000型瀝青混凝土攪拌設(shè)備,從而滿足了工程進(jìn)度及質(zhì)量需要。

(2)運輸設(shè)備。

瀝青混凝土運輸設(shè)備根據(jù)其攤鋪強(qiáng)度、運輸能力及運距確定運輸設(shè)備型號及數(shù)量。運輸設(shè)備須具有保溫性能,以防止混合料在運輸過程中的熱量散失,且應(yīng)操作方便、易于裝卸;斜坡施工時,具有轉(zhuǎn)運功能及斜坡運輸能力,設(shè)備外形尺寸需適應(yīng)施工現(xiàn)場環(huán)境。

為此,采用改造后的自卸汽車作為瀝青混凝土運輸設(shè)備。斜坡施工由自卸汽車配合主絞車架和運料小車完成瀝青混凝土運輸。

(3)攤鋪設(shè)備。

根據(jù)工程施工特點,要求攤鋪機(jī)應(yīng)具有良好的可操控性,易于維護(hù),且生產(chǎn)能力與拌和設(shè)備能力相匹配。

西龍池工程庫底為 300 m×300 m的近似平面結(jié)構(gòu)(最大坡比小于 3%),采用經(jīng)過改造的徐工集團(tuán) R P 951型路面攤鋪機(jī),其攤鋪寬度可達(dá) 9.5 m。庫壩斜坡最大坡長 85 m,坡比 1∶2,適宜采用牽引式攤鋪機(jī),最終選用經(jīng)改造的、由德國A B G生產(chǎn)的 T I T A N326-2 V D T型路面攤鋪機(jī)。

(4)碾壓設(shè)備。

碾壓設(shè)備的選擇比較靈活,可以在滿足瀝青混凝土壓實度的前提下靈活選取。西龍池工程采用上海酒井 S W330型振動碾用于庫底碾壓。斜坡碾壓時僅對其進(jìn)行適用性改造即可。

(5)輔助設(shè)備。

主絞車架是瀝青混凝土斜坡施工中最為重要的設(shè)備,其主要功能是將瀝青混合料從自卸汽車轉(zhuǎn)運到斜坡運料小車內(nèi),同時為運料小車、攤鋪機(jī)提供牽引力。在單元條幅施工完畢,再將攤鋪機(jī)和運料小車移動至下一條幅施工部位。副絞車架主要為斜坡碾壓機(jī)具提供牽引力。

類似于主副絞車架這類設(shè)備目前市場上并無專用設(shè)備可供選擇,一般是根據(jù)工程具體情況研制。西龍池工程所用主副絞車架為自制。研究中,主要考慮了以下幾點因素:①結(jié)構(gòu)尺寸滿足施工環(huán)境要求。②液壓動力與需求相適應(yīng)并相對獨立。轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、運料小車牽引系統(tǒng)、斜坡攤鋪機(jī)牽引系統(tǒng)均可獨立同時運作,以保證施工的連續(xù)性。③具備行走能力和運送能力,攤鋪條幅施工完畢,可將攤鋪機(jī)、運料小車等設(shè)備轉(zhuǎn)運至下一施工條幅。④操作簡便、具有較高的安全系數(shù)。

3.3 攤鋪方案的確定

3.3.1 攤鋪順序

攤鋪順序采用自內(nèi)向外,自低向高進(jìn)行。為防止瀝青混凝土表面受到破壞,防滲層面板施工完畢,禁止車輛行駛,以保證攤鋪機(jī)攤鋪出的瀝青混凝土具有較高的密實度,易于控制攤鋪層厚。

3.3.2 施工條幅的確定

(1)在瀝青混凝土面板施工中,施工條幅接縫始終是瀝青混凝土面板的薄弱環(huán)節(jié),施工條幅的劃分應(yīng)充分考慮減少接縫且接縫易于施工的劃分方法。條幅形狀要盡量規(guī)則,易于機(jī)械作業(yè),減少人工攤鋪。同時,上下層接縫要錯開 1 m以上。在整體布置條幅劃分方案時,還要考慮攤鋪施工進(jìn)度,條幅的寬、長度要與機(jī)械設(shè)備能力相配套,避免在條幅間出現(xiàn)施工橫縫。

(2)西龍池庫底攤鋪條幅均寬 6.4 m,其是根據(jù)拌和樓生產(chǎn)能力、運輸能力、碾壓機(jī)械能力等綜合考慮的。斜坡攤鋪寬 4.25 m(斜坡曲面除外),是由攤鋪機(jī)攤鋪速度、斜坡運料能力確定的。

其中斜坡段與圓弧段做為一個條幅進(jìn)行施工,在條幅劃分上減少了橫封。攤鋪均可以采取機(jī)械施工,從而減少了人工攤鋪施工范圍,加快了攤鋪速度,保證了施工質(zhì)量;圓弧段采用梯形條幅劃分方式,有利于接縫處理,從而保證了施工過程中接縫的加熱效果。

4 攤鋪施工

4.1 瀝青混合料溫度控制

瀝青混凝土的力學(xué)特性對溫度變化十分敏感。瀝青混凝土的施工工藝是利用瀝青混凝土在不同溫度下不同的力學(xué)特征、對各個溫度階段采取一定的施工方法來完成瀝青混凝土施工的。

4.1.1 瀝青混合料溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

瀝青混凝土在拌和、運輸、攤鋪、碾壓幾個階段,對溫度的要求均有嚴(yán)格的規(guī)定,西龍池上水庫瀝青混凝土施工過程中對溫度控制的要求見表 1。

表 1 瀝青混凝土攤鋪、碾壓施工溫度控制標(biāo)準(zhǔn)表

4.1.2 瀝青混合料溫度控制

(1)在瀝青混凝土施工過程中,溫度控制至關(guān)重要。因此,在施工方案設(shè)計和機(jī)械配置選擇方面須考慮瀝青混凝土從拌制、運輸、攤鋪、碾壓各個階段的溫度應(yīng)滿足施工工藝要求。在實際施工中,需要著重控制瀝青混合料從拌制到復(fù)碾完畢的溫度控制。

(2)西龍池上水庫庫底瀝青混凝土防滲面板在正常施工情況下,從混合料拌制到攤鋪完畢,僅需 30 m in左右。初、復(fù)碾施工時間與外界氣溫有關(guān),當(dāng)攤鋪好的瀝青混凝土降溫至工藝要求溫度后即可進(jìn)行初、副碾碾壓施工。

(3)斜坡攤鋪施工時段為 2 h,即正常情況下,瀝青混合料從拌制到完成復(fù)碾需在 2 h之內(nèi)完成。由于斜坡施工各個環(huán)節(jié)均相關(guān)聯(lián),施工需要各個設(shè)備之間相互協(xié)作,任何一種設(shè)備出現(xiàn)故障均會造成攤鋪施工中斷。因此,施工中保持機(jī)械設(shè)備的正常運行以及對瀝青混凝土混合料保溫非常重要。

(4)西龍池水庫采用普通 20 t自卸汽車進(jìn)行瀝青混合料運輸。選用這一方案時作了 3個方面準(zhǔn)備:

①在拌和樓安裝了儲存料斗,用于施工中斷時瀝青混合料的儲存保溫。

②保持多個工作面同時作業(yè),當(dāng)某一作業(yè)面施工中斷時,混合料可轉(zhuǎn)移至其他作業(yè)面。

③對自卸汽車的保溫時間進(jìn)行了統(tǒng)計驗證,詳見表 2。

表 2 西龍池水庫自卸汽車可保溫時間統(tǒng)計表

(5)已攤鋪瀝青混合料溫度控制:瀝青混合料經(jīng)過攤鋪后,溫度下降較快,一般情況 30 m i n左右降至初碾溫度,60 m i n左右降至復(fù)碾溫度。如遇大風(fēng)天氣,溫度下降速度會更快。施工中應(yīng)不停的對溫度進(jìn)行檢測,以便進(jìn)行碾壓施工。如果機(jī)械出現(xiàn)故障造成施工中斷,應(yīng)立即對已攤鋪的瀝青混合料進(jìn)行碾壓施工。西龍池上水庫施工中比較常見的機(jī)械故障是主絞車架和攤鋪機(jī)故障。應(yīng)對方法:利用斜坡碾壓機(jī)自帶的卷揚機(jī)為碾壓機(jī)自身提供牽引力并進(jìn)行斜坡碾壓。

4.1.3 施工溫度控制要點

(1)瀝青混凝土降溫過程中的測溫是在攤鋪條幅兩側(cè)進(jìn)行的。由于散熱速度不同,邊緣溫度一般比條幅中間的溫度低 3℃～5℃。

(2)測溫所用工具一般為電子溫度計。在使用前,應(yīng)進(jìn)行溫度校檢,并在讀數(shù)穩(wěn)定后方能讀數(shù)。

(3)已拌制的瀝青混合料的溫度是在一定范圍內(nèi)波動的,每一罐的溫度都會有一定的差異,運輸過程中溫度損失也不同,測溫時,應(yīng)對同一部位進(jìn)行兩次以上的溫度測量,依照 20～30 m為一個單元進(jìn)行溫度控制。

4.2 攤鋪施工

攤鋪是瀝青混凝土施工中重要的一道施工工序,其施工質(zhì)量的好壞影響著瀝青混凝土的密實度、表面平整度、厚度和接縫施工質(zhì)量等指標(biāo)。在攤鋪施工中,要求經(jīng)過攤鋪機(jī)攤鋪出的瀝青混凝土的密實度達(dá)到最終密實度的 90%,攤鋪機(jī)攤鋪行走過程中,要盡量保持速度穩(wěn)定。攤鋪施工時應(yīng)注意:

(1)嚴(yán)格依照試驗確定的攤鋪速度進(jìn)行攤鋪。使用攤鋪機(jī)振搗裝置對所攤鋪的瀝青混凝土進(jìn)行了預(yù)振。攤鋪機(jī)速度確定后,預(yù)振的頻率隨之確定,攤鋪出的瀝青混凝土密實度相對均勻。

(2)攤鋪機(jī)在進(jìn)行攤鋪作業(yè)的同時,需要對上一條幅邊緣進(jìn)行加熱,固定行走速度,這樣操作有助于紅外加熱器對接縫進(jìn)行均勻加熱。

(3)保持?jǐn)備仚C(jī)行走平直。接縫加熱系統(tǒng)是固定在攤鋪機(jī)上的,其加熱范圍是根據(jù)攤鋪機(jī)正常行走速度確定的,行走方向的偏移會造成加熱部位偏移,從而影響接縫加熱的效果。

(4)厚度控制:在攤鋪過程中,必須設(shè)置熟練的操作人員對攤鋪厚度進(jìn)行控制,這對攤鋪質(zhì)量及施工成本非常重要。

4.3 碾壓方式與碾壓時機(jī)

(1)瀝青混凝土的各項技術(shù)指標(biāo)與混凝土的碾壓效果密切相關(guān)。選擇碾壓方式和碾壓時機(jī)非常重要,表 3為西龍池上水庫瀝青混凝土碾壓的施工參數(shù)。

表 3 瀝青混凝土碾壓次數(shù)和碾壓重迭寬度表

(2)初 碾:初碾是對攤鋪條幅進(jìn)行預(yù)碾。剛攤鋪的瀝青混凝土表面有些松散,為防止瀝青混凝土表面局部在復(fù)碾前冷卻,需要進(jìn)行初碾。初碾可以使混凝土表面縫隙封閉,與內(nèi)部結(jié)合緊密,一方面使瀝青混凝土在散熱過程中可以均勻散熱,同時可以使瀝青混凝土表面縫隙收縮,防止在復(fù)碾時因碾壓機(jī)產(chǎn)生的水滲入瀝青混凝土內(nèi)部而形成表面氣泡。初碾時機(jī)的選擇,溫度不能過高。特別是在坡面施工時,較高溫度的瀝青混合料骨料之間尚沒有形成粘結(jié)力,若此時進(jìn)行初碾,極易破壞攤鋪條幅的外部形狀。

(3)復(fù) 碾:復(fù)碾是瀝青混合料形成最終技術(shù)指標(biāo)的一道重要工序。施工時,既要嚴(yán)格控制碾壓遍數(shù)、碾壓機(jī)行走速度,也要注意碾壓重疊寬度,杜絕漏碾,更不應(yīng)“過碾”。過碾一般會出現(xiàn)瀝青混凝土表面返油現(xiàn)象,對瀝青混凝土力學(xué)結(jié)構(gòu)不利。另外,在碾壓時應(yīng)注意控制碾壓溫度,過高的碾壓溫度會使瀝青混凝土表面形成橫向裂縫及裂紋。溫度過低,則難以達(dá)到瀝青混凝土要求的密實度。

4.4 接縫施工工藝

完成攤鋪的瀝青混凝土的最薄弱環(huán)節(jié)是施工縫。施工接縫的質(zhì)量好壞直接影響防滲效果。接縫施工中,需注意加熱效果和碾壓時機(jī)。接縫取樣若不合格,處理比較困難。因為一般的處理方法是用紅外加熱器對接縫處表面進(jìn)行加熱,直至接縫處深 7 c m處的溫度大于 75℃,然后立即對接縫處進(jìn)行碾壓。而加熱到這樣的溫度,大致需要 5 m i n左右的時間,加熱過程中,易使瀝青混凝土表面溫度過高而造成其老化等。

保證接縫施工質(zhì)量應(yīng)做好以下幾點:

(1)盡量安排連續(xù)施工。庫底施工應(yīng)將兩個工作面布置在相鄰條幅上,前后錯開不間斷施工,熱縫處理相對簡單,質(zhì)量易于保證。

(2)使攤鋪條幅盡量平直可保證接縫加熱時的效果。保持?jǐn)備仚C(jī)行走速度穩(wěn)定是保證接縫加熱效果的重要方面。

(3)保持接縫邊緣形狀不受破壞。標(biāo)準(zhǔn)的接縫邊緣形狀應(yīng)該是 45°斜面。在上一條幅碾壓中,如果不注意碾壓機(jī)行走路線,碾壓機(jī)行走過于靠近攤鋪條幅邊緣,易使瀝青混凝土攤鋪條幅邊緣變形。條幅邊緣形狀破壞后,對碾壓的受力方式和加熱效果均有影響,從而影響接縫施工質(zhì)量。

(4)及時進(jìn)行碾壓:在攤鋪機(jī)末端接縫處設(shè)置振動夯,可以使接縫處在攤鋪完畢即可進(jìn)行碾壓。在具備碾壓條件時要用碾壓機(jī)對接縫進(jìn)行碾壓。

5 施工組織

(1)西龍池上水庫瀝青混凝土面板施工原計劃施工工期為 7個月,均為白班作業(yè)。后根據(jù)瀝青混凝土施工特點調(diào)整為三班作業(yè),從 2006年 6月至 10月施工基本結(jié)束,工程順利完工。

(2)對瀝青混凝土厚度進(jìn)行控制。以西龍池工程為例,整平膠結(jié)層和防滲層瀝青混凝土設(shè)計厚度均為 10 c m,正負(fù)誤差 5 m m,每減少 1 m m瀝青混凝土攤鋪厚度,將影響材料用量 1%。攤鋪厚度控制至關(guān)重要,施工中必須保持?jǐn)備仚C(jī)按照試驗規(guī)定的行走速度行走,將攤鋪厚度控制在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。

6 常見缺陷及處理

瀝青混凝土施工中,質(zhì)量缺陷主要有兩類,一是瀝青混凝土表面裂縫;二是瀝青混凝土密度、滲透等力學(xué)指標(biāo)不能滿足要求。

6.1 表面裂縫的形成和處理

裂紋、裂縫產(chǎn)生的原因主要有以下幾方面:(1)混合料質(zhì)量不合格或施工工藝偏差。

瀝青混合料在拌制過程中,由于礦料含水率變化,致使其加熱不夠,瀝青與礦料之間粘聚力變小;瀝青配合比產(chǎn)生誤差(如稱量系統(tǒng)故障);施工停頓造成長時間未進(jìn)行碾壓或碾壓時混合料溫度偏低。這一類裂縫出現(xiàn)時,會伴隨出現(xiàn)密度、滲透等指標(biāo)不能滿足要求。此類裂縫需要對瀝青混凝土進(jìn)行鏟除后返工處理。

(2)溫度裂縫。

由于暴雨等氣候突變造成瀝青混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力,從而在表面形成溫度裂縫。這類裂縫一般很輕微。經(jīng)檢測,瀝青混凝土各項技術(shù)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。對于這類裂縫,一般利用瀝青混凝土自愈合特點,對其表面進(jìn)行碾壓處理。

6.2 力學(xué)指標(biāo)不合格

西龍池工程采用核子密度儀對瀝青混凝土密度進(jìn)行檢測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)其密度不能滿足要求時即進(jìn)行取樣檢測,并對結(jié)果進(jìn)行分析,如各項技術(shù)指標(biāo)接近設(shè)計指標(biāo),則采取重新碾壓的方法進(jìn)行處理。對于防滲層混凝土,在室外 30℃氣溫的照射下,其溫度將接近終碾溫度,此時進(jìn)行重新碾壓,一般可以達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。對于與設(shè)計指標(biāo)相差較大或經(jīng)過碾壓處理仍不能滿足要求的瀝青混凝土,需要確定其范圍,并對其進(jìn)行挖除處理或在其表面補(bǔ)鋪瀝青混凝土,厚度一般為 5 c m。

6.3 瀝青混凝土表面返油

在防滲層和加厚層施工過程中,瀝青混凝土表面可能產(chǎn)生返油現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為碾壓表面光滑,有明顯的瀝青膠漿,厚度可達(dá) 0.5 c m,一般稱作“過碾返油”。根據(jù)分析得知產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有:(1)瀝青混凝土過碾。(2)碾壓溫度過高,骨料顆粒間摩擦力較小,造成重顆粒下沉,輕物質(zhì)上浮,形成表面返油。在施工過程中,應(yīng)該嚴(yán)格控制施工工藝,避免出現(xiàn)過碾返油現(xiàn)象。如果出現(xiàn)返油現(xiàn)象,需要對該部位進(jìn)行檢測,對于不能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)者需進(jìn)行返工處理。

6.4 瀝青混凝土表面氣泡

瀝青混凝土表面氣泡產(chǎn)生的原因有以下兩個:

(1)碾壓機(jī)在碾壓時,一般用水做為脫離劑,在碾壓過程中,水有可能進(jìn)入到瀝青混凝土內(nèi)部,隨著水的蒸發(fā)會在瀝青混凝土表面產(chǎn)生氣泡。

(2)由于礦粉、粗細(xì)骨料等瀝青混凝土原材料在生產(chǎn)、運輸、儲藏等環(huán)節(jié)中極易吸收空氣中的水分,導(dǎo)致原材料含水量不均勻,骨料加熱不夠等,也會在瀝青混凝土表面產(chǎn)生氣泡現(xiàn)象。

對氣泡問題的處理方法是:(1)適當(dāng)提高礦粉和粗細(xì)骨料的加熱溫度;(2)延長粗細(xì)骨料和礦粉的熱拌時間;(3)在現(xiàn)場將氣泡及時捅破,并重復(fù)碾壓。

7 結(jié) 語

瀝青混凝土施工工藝目前尚處于探索階段,文中所述是筆者對山西西龍池上水庫瀝青混凝土的施工方法和施工中出現(xiàn)問題的應(yīng)對措施進(jìn)行的初步總結(jié),供同行參考。