大型水利工程碾壓混凝土工藝試驗探究

陳佳禮，周星任

(中國水利水電第十六工程局有限公司，福州 350000)

大型水利工程碾壓混凝土工藝試驗探究

陳佳禮，周星任

(中國水利水電第十六工程局有限公司，福州 350000)

黑龍江省穆棱市奮斗水庫工程所在地為東北嚴寒地區，為目前在建的自然氣候條件最為惡劣的碾壓混凝土壩之一，施工期間要歷經炎熱、干燥、高蒸發、高溫差及冬季嚴寒等諸多不利氣候條件；又因首次在嚴寒地區采用人工砂石骨料筑碾壓混凝土壩，天然砂≤0.16mm以下顆粒極少，為保證碾壓混凝土大壩可施工性、泛漿效果、層間結合、混凝土強度及耐久性等性能優良，在混凝土上壩前通過工藝試驗，研究并確定嚴寒地區碾壓混凝土的各項主要性能指標及工藝參數，為之后碾壓混凝土壩施工提供科學依據，施工經驗及參數供同類工程借鑒參考。

奮斗水庫工程；碾壓混凝土；現場工藝試驗；參數

1 工程概況

奮斗水庫行政區劃屬于黑龍江省穆棱市，距穆棱鎮東南14.1km的穆棱河干流上游。水庫以城鎮供水為主，結合防洪，兼顧灌溉和發電等綜合利用任務。水庫為大(2)型，屬Ⅱ等工程。主要建筑物擋水壩段、泄水壩段、進水口壩段、魚道過壩段為2級，導流洞封堵標準為2級：廠房、魚道壩進、出水口、魚池及次要建筑物為3級，電站壩后式廠房為小(2)型，3級建筑物。導流建筑物為4級；進場道路等級參照4級，壩下交通橋為大橋，汽車荷載等級為公路—Ⅱ級；壩肩邊坡為2級，電站廠房邊坡為3級。水庫正常蓄水位為382.00m，死水位為362.00m，裝機容量4.0MW，多年平均發電量1060×104kW·h。混凝土工程量共約277247m3，其中常態混凝土45426m3，碾壓及變態混凝土231821m3。

2 工藝試驗目的

現場工藝試驗通過模擬壩體實際施工的各道工序銜接、完成和資源配置情況，確定碾壓混凝土拌和參數及碾壓施工參數、骨料分離控制措施、層間結合和層面處理技術措施、成縫工藝、變態混凝土施工工藝等；驗證室內配合比拌制的碾壓混凝土的工作性和可碾性；實測碾壓混凝土各項性能指標，驗證和確認碾壓混凝土質量控制措施，并結合現場碾壓試驗對碾壓混凝土施工各工序的作業人員進行培訓，從而為大壩碾壓混凝土正式施工提供可靠依據。碾壓試驗目的主要有：

1)驗證室內選定的碾壓混凝土配合比的可碾性和合理性，檢驗本體與層間結合碾壓混凝土之間的力學、變形、耐久(抗滲、抗凍等)及抗剪等方面的性能差異；通過試驗確定粉煤灰替砂的最佳比例，提出對對施工配合比進行優化和調整的意見或建議。

2)驗證碾壓混凝土施工工藝及流程、施工系統及施工設備的適應性，確定合理的施工工藝和參數。如拌和、運輸、鋪筑平倉、碾壓及成縫工藝、碾壓參數、升層間隔時間、不同層面處理方式、變態混凝土施工、成縫等。

3)針對高溫天氣、異常氣候條件，研究改善碾壓混凝土層間結合的措施。測試碾壓混凝土Vc值與氣溫、相對濕度、施工歷時之間的關系，確定合理的施工控制指標范圍。

4)檢驗和改進碾壓混凝土施工工法。

5)實地培訓技術人員、操作人員，提高施工隊伍人員素質。

6)實測碾壓混凝土各項物理力學指標及耐久性指標，評定碾壓混凝土強度、抗滲、抗凍、抗剪強度等特性，驗證和確定碾壓混凝土質量控制標準及措施。

7)獲取碾壓混凝土施工參數，指導主壩碾壓混凝土施工。

3 碾壓混凝土現場試驗

3.1 場地布置

根據建設需要，于2016年09月14日和2016年09月22日，分兩次進行了現場碾壓混凝土工藝試驗。試驗塊尺寸為30m(長)×12m(寬)，試驗塊厚度為1.5m，試驗塊碾壓體積為540m3。試驗塊分為3個碾壓區域，分別為二級配C9020W6F100、二級配C9025W6F300、三級配C9015W4F50區，區域的周邊布置50cm及100cm厚的變態混凝土，變態混凝土有3種配合比：二級配C9020W6F100、二級配C9025W6F300、三級配C9015W4F50變態混凝土。碾壓混凝土現場工藝試驗平面布置圖如圖1。

圖1碾壓混凝土現場工藝試驗平面布置圖

3.2 現場工藝試驗框圖

根據已確定的施工方案、工藝試驗流程及人員分工情況，現場碾壓混凝土工藝試驗框圖見圖2。

圖2 現場碾壓混凝土工藝試驗框圖

3.3 主要試驗項目

試驗項目主要有：

1)混凝土拌和站運轉試驗(碾壓混凝土拌和投料順序、拌和時間、衡器精度、生產能力等)。

2)碾壓混凝土施工工藝和機具協調配合試驗。

3)碾壓混凝土現場質量控制。

4)成縫方法和工藝試驗研究。

5)變態混凝土加漿施工設備和工藝及加漿量確定。

6)研究碾壓參數與壓實度的關系，確定達到碾壓混凝土的壓實度標準的最佳碾壓參數。

3.4 碾壓試驗采用原材料及碾壓混凝土配合比

3.4.1 碾壓混凝土現場工藝試驗所用原材料

碾壓工藝試驗使用的水泥為牡丹江北方水泥有限公司生產的“牡丹江”牌P.MH42.5水泥；粉煤灰采用大唐七臺河發電有限責任公司生產的F類I級粉煤灰；碾壓混凝土減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的萘系SBTJM?-II緩凝高效減水劑及高效引氣劑GYQ?-I。經進場檢驗中熱水泥，I級粉煤灰、減水劑及引氣劑均滿足拌制碾壓混凝土要求。

碾壓工藝試驗使用的細骨料為奮斗水庫庫區腰嶺子料場開采的混合料篩分的天然砂，因天然砂細度模數大，篩去部分粗顆粒(去掉5mm以上及約1/3的2.5mm以上的顆粒)，細度有所降低可以配置碾壓混凝土。粗骨料為同料場經沖洗篩分的天然卵石及破碎的超粒徑卵石，共分3個粒級，粒徑分別為5-20mm、20-40mm、40-80mm。經檢驗砂石骨料品質滿足拌制碾壓混凝土要求。

碾壓混凝土現場工藝試驗用水，采用穆棱河河水，河水經檢測滿足拌制混凝土要求。

3.4.2 碾壓混凝土配合比

碾壓混凝土配合比由水電十六局中心實驗室提供，具體數據見表1。

表1 奮斗水庫碾壓混凝土現場試驗配合比

3.5 碾壓混凝土拌和物均勻性試驗

拌和設備：右岸HZS180型攪拌站(1×4.5m3強制式攪拌機)。

投料順序：砂+水泥+粉煤灰→水+外加劑→骨料(大石、小石、中石)，經拌和試驗，實際拌和物和易性良好，骨料裹漿效果良好，無骨料分離。

拌和時間：碾壓混凝土拌制采用HZS180攪拌站(1×4.5m3強制式拌和站)，每盤拌料3m3，拌和均勻性試驗結果見圖表2。

3.6 碾壓混凝土Vc值與溫度測試

碾壓混凝土Vc值、含氣量及運輸過程Vc值損失與氣溫變化檢測結果見表3。

3.7 碾壓混凝土Vc值經時損失試驗

碾壓混凝土Vc值經時損失檢測結果見表4、圖3-4。

表2 拌和均勻性試驗結果

結論：拌和時間為75s時，混凝土拌和均勻性能滿足要求且較好，故拌和時間取75s。

表3 碾壓混凝土Vc值、含氣量及運輸過程Vc值損失與氣溫變化檢測結果

表4 碾壓混凝土Vc值經時損失檢測結果

注：試驗數據在碾壓現場測得，現場環境采取噴霧保濕，三防布覆蓋遮陽防曬。

圖3 三級配C9015W4F50 Vc值經時損失曲線

圖4 三級配C9025W6F300 Vc值經時損失曲線

從表4、圖3-4可知：碾壓混凝土放置2h(120min)后,三級配C9015W4F50碾壓混凝土Vc值損失為4.4s，二級配C9025W6F300碾壓混凝土Vc值損失為3.4s，根據相關規范要求(碾壓混凝土機口允許Vc值偏差±3s,現場Vc值以控制在2-12s)及配合比設計Vc值為2-5s，現場實際Vc值損失宜控制在4s以內，混凝土從加水拌和到碾壓完畢宜控制在2h以內為最佳。

3.8 振動碾行走速度、碾壓遍數與壓實容重關系試驗

1)現場碾壓工藝試驗，采用BW203AD-4型振動碾。振動碾技術參數：①振動碾重量11.8t；②鋼輪寬度2135mm；③外邊距2295mm；④行駛速度0-6/0-11km/h；⑤振動頻率40/50HZ；⑥振動幅度0.83/0.85mm；⑦離心力130/78kN。

2)振動碾行駛速度為1.3km/h，相鄰條帶碾壓搭接寬度控制在20cm以內，同條帶分段碾壓時，接頭部位重疊碾壓1.0m。兩條碾壓條帶因作業形成高差時，采用無振慢速碾壓1-2遍壓平處理。

3)綜合考慮經濟和效率，三級配碾壓、二級配碾壓在1.3km/h的碾壓行駛速度下不同碾壓遍數與壓實容重的關系見表5，圖6-8。

表5 碾壓機具行駛速度1.3km/h，碾壓遍數與壓實容重的關系檢測結果

續表5 碾壓機具行駛速度1.3km/h，碾壓遍數與壓實容重的關系檢測結果

圖5三級配C9015W4F50碾壓遍數與壓實容重關系

圖6 二級配C9020W6F100碾壓遍數與壓實容重關系

圖7 二級配C9025W6F300碾壓遍數與壓實容重關系

由表5及圖5-7可以看出：對于三級配碾壓混凝土，倉面Vc值控制在2s-5s時，無振碾壓2遍，振動碾壓8遍，再無振碾壓2遍，混凝土壓實容重基本達到最大值，之后繼續碾壓混凝土壓實容重基本不變或略有降低。因此，大壩碾壓混凝土碾壓時采取碾壓機行駛速度在1.3km/h以內，以“無振碾壓2遍+振動碾壓8遍+無振碾壓2遍”的碾壓方式進行施工，若遇天氣特別干燥或者Vc較大時應適當增加碾壓遍數，確保現場壓實度達98%以上。

3.9 碾壓混凝土力學變形及耐久性試驗

3.9.1 碾壓混凝土工藝試驗抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗

碾壓混凝土機口取樣數量較大，此處按統計情況列出。碾壓及變態混凝土抗壓、劈裂抗拉強度統計表見下表6；碾壓混凝土強度隨齡期增長曲線如圖8。

表6 碾壓混凝土抗壓、劈裂抗拉強度統計表

圖8碾壓混凝土強度隨齡期增長曲線

從表6及圖8可看出，碾壓混凝土設計齡期(90d)以后強度增長較多，摻灰量越大后期增長幅度越大。經試驗混凝土抗壓及劈裂抗拉強度滿足設計要求。28d齡期混凝土強度標準偏差小，混凝土生產水平穩定，生產水平可達優良。

3.9.2 碾壓混凝土工藝試驗碾壓及變態混凝土極限拉伸試驗

根據機口取樣檢測情況，碾壓及變態混凝土極限拉伸結果統計表見表7，碾壓混凝土強度隨齡期增長曲線見下圖9。

表7 碾壓及變態混凝土極限拉伸檢測結果統計表

圖9碾壓混凝土強度隨齡期增長曲線

從上表7、圖10可以看出，設計齡期RI、RII、RIII碾壓混凝土及RbI、RbII變態混凝土極限拉伸值、軸心抗拉強度均滿足設計要求，因RII碾壓混凝土(設計標號C9015W4F50)大量摻粉煤灰(摻灰量高達55)及粉煤灰替砂的影響，另外破碎卵石粗骨料有裹石粉等原因，導致早期(28d齡期)強度較低，極限拉伸值低；后期混凝土繼續水化反應強度、極限拉伸值繼續增長，達到設計齡期(90d齡期)，RII碾壓混凝土極限拉伸值基本滿足設計要求。

3.9.3 碾壓混凝土工藝試驗碾壓及變態混凝土抗滲試驗

根據碾壓混凝土現場工藝試驗機口抗滲試驗，碾壓及變態混凝土抗滲結果統計表見表8。

表8 碾壓及變態混凝土抗滲結果統計表

續表8 碾壓及變態混凝土抗滲結果統計表

從表8可知，RI、RII、RIII碾壓混凝土及RbI、RbII變態混凝土90d齡期(設計齡期)及180d齡期，抗滲等級均滿足設計要求。從試件劈開滲水高度看，180d齡期滲水高度略低于90d齡期滲水高度，即碾壓及變態混凝土180d齡期抗滲性能有所提高，但不明顯。對于RII碾壓混凝土(設計標號C9015W4F50)90d齡期時，滲水高度較高達10cm(滿足抗滲等級要求),180d齡期滲水高度下降明顯。

3.9.4 碾壓混凝土工藝試驗碾壓及變態混凝土抗凍試驗

抗凍試驗由機口取樣成型,碾壓及變態混凝土抗凍結果統計表見下表9。

表9 碾壓及變態混凝土抗凍結果統計表

從表9可看出，RI、RII、RIII碾壓混凝土及RbI、RbII變態混凝土90d齡期(設計齡期)及180d齡期，抗凍等級均滿足設計要求。但混凝土180d齡期抗凍性能略有下降。分析原因，碾壓混凝土工藝試驗時用引氣劑，由于原材料品質一般，引氣劑引氣效果較差，為達到規定含氣量，大幅度提高引氣劑摻量，盡管含氣量可以滿足規定值，但從劈開混凝土看引氣劑引入氣體以較大氣泡(可見氣泡直徑為0.2-3mm居多)形式存在，混凝土在≥95%濕度環境養護，水逐漸侵入混凝土氣泡中，在抗凍試驗是對混凝土的抗凍不利；由于穆棱腰嶺子天然料場骨料的小骨料(5-20mm)的堅固性指標超標(8%)，天然砂的堅固性達6%，對混凝土抗凍性能不利；生產混凝土及養護混凝土用河水，河水較渾濁，含硫酸鹽對混凝土抗凍性功能亦有一定影響。

3.10 成縫的工藝和方法

碾壓試驗在每層碾壓混凝土碾壓完成后，采用自制切縫機進行切縫，切縫縫寬2cm，縫長35cm、縫距20cm、深度25cm進行控制，切縫面積是縫面積的60%，保證成縫質量。本次試驗采用先碾后切形式成縫，填縫材料采用兩種對比，第1種為彩條布，第2種采用干砂。切縫時先拉線定出橫縫線位置，由一端向另一端采用切縫機切縫，再將隔縫材料平順的切入縫內，另一種為將隔縫材料干砂人工灌入封內。根據本次試驗成果可以看出，采用干砂作為填縫材料時，在干砂灌入縫時難以填滿密實，不便操作，且干砂易污染倉面；采用雙層彩條布作為填縫材料時，將彩條布對折放入縫內，再采用切縫機刀片壓入，操作簡單，成縫效果良好。

3.11 變態混凝土加漿的施工設備及工藝

變態混凝土加漿采用插孔法，插孔器為自制，先在攤鋪好的碾壓混凝土面上人工造孔，插孔按梅花型或矩形布置，孔距為20cm，孔深25cm。采用“容器法”人工定量加漿，漿液由灰漿運輸車運至倉面，由人工手提統一容量的皮桶控制加漿量，灰漿灑鋪均勻、不漏鋪，振搗采用φ100高頻振搗器。

試驗時采用了5%、6%、8%三種加漿量進行對比試驗，通過現場振搗效果可以看出，加漿量在5%時，表面雖有泛漿，但泛漿效果不夠理想，加漿量在6%時，混凝土振搗后泛漿效果良好，加漿量在8%時，混凝土表面泛漿過剩。

3.12 現場碾壓試驗通水冷卻及冷卻水管布設

本試驗塊冷卻水管采用采用HDPE高密度聚乙稀管，內徑28mm、外徑φ32mm， 壁厚2mm，冷卻水管技術要求如下：

1)管徑：φ32，管壁厚度≤2mm；

3)拉伸屈服應力≥20Mpa；

4)縱向回縮率≤3%；

查埋設的冷卻水管沒有堵塞，管道的連接接頭連接牢固，沒有漏水。試驗時采用高位水池接管引至試驗塊進行冷卻通水。碾壓混凝土試驗塊冷卻水布置圖見圖10。

圖10 碾壓混凝土試驗塊冷卻水布置圖

根據測得冷卻水管進出口水溫，溫差在要求范圍內，試驗塊區溫差不大。未發現溫度裂縫。

4 現場碾壓工藝試驗成果

通過整個碾壓混凝土現場公益試驗，其過程和結果說明：

1)碾壓混凝土采用右岸拌和系統1×4.5m3強制式拌和站拌和，按確定的投料順序：砂+水泥+粉煤灰→水+外加劑→骨料(大石、小石、中石)，經試驗，混凝土拌制時間為75s時，拌和物均勻性滿足要求且和易性較好。

2)碾壓混凝土運輸采用18t自卸汽車運輸，運距約1km，運輸時間約為12min(含接料、卸料時間)，Vc值損失0.5s左右。倉面Vc值控制在1-7s時，粗骨料無離析現象，現場碾壓泛漿效果好，運輸強度滿足要求。

3)碾壓試驗塊壓實厚度為30cm，混凝土松料攤鋪厚度為34-36cm。振動碾行走速度≤1.3km/h,三種碾壓混凝土配合比在先無振2遍，再有振8遍，最后無振1-2遍，混凝土碾壓密實，壓實度滿足要求。即確定的碾壓參數：振動碾重量11.8t,行駛速度1.3km/h，先無振2遍，后有振8遍，再無振2遍。

4)變態混凝土施工采用插空法，先在鋪好的松散碾壓混凝土上用φ10cm的鑿孔器插孔，按梅花形布置，孔距30cm，孔深20cm，采用容器法量取加漿量，倉面加漿量按體積的6%添加，后采用高頻振搗器振搗密實。

5)碾壓混凝土成縫工藝及方法：每層碾壓混凝土碾壓完畢后，采用切縫機進行切縫，縫寬、縫距、縫深、方向按設計要求控制，切縫面積保證為縫面積的2/3，保證成縫質量。切縫時先拉線定出縫位置，再沿確定的位置切縫，再用切縫機將隔縫材料平順的切入縫內，完成后再用振動碾補碾。

6)碾壓混凝土抗壓強度滿足設計要求，RII區C9015W4F50三級配碾壓混凝土設計齡期強度富余較多；抗滲強度均滿足設計要求，RII區C9015W4F50三級配碾壓混凝土抗滲試驗結束劈開后滲水高度較高；抗凍等級均滿足設計要求的等級，RI區C9025W6F300二級配碾壓混凝土質量損失較大。實際施工時應加強原材料品質控制，特別是引氣劑品質控制，控制好混凝土含氣量及了解混凝土氣泡參數。

7)從取芯芯樣外觀看，芯樣稀有孔隙，因天然砂細顆粒(≤0.16mm顆粒含量極少)，已采用10%(體積比)的粉煤灰替砂，難易達到碾壓混凝土最佳石粉含量16%-22%的碾壓效果，建議提高2%的粉煤灰替砂比例，以使混凝土更加密實，質量更優。

8)由于現場實際混凝土骨料有60%左右比例粗骨料為破碎卵石，相對于配合比設計時粗骨料棱角增多、比表面積增大，包裹粗骨料所需要水泥砂漿量增多，建議微增用水量(水膠比不變)，微調碾壓混凝土施工配合比。

5 結 語

奮斗水庫在大壩主體碾壓混凝土開澆前，進行了系統的現場碾壓試驗，通過對配合比的各項性能驗證，對碾壓混凝土各施工工序銜接、完成和資源配置情況進行調整，并取得大壩施工各項施工參數，為大壩順利開倉澆筑提供堅實的基礎。本試驗對于氣候條件惡劣的嚴寒地區同類型中小型碾壓混凝土壩施工予以參考，供同行借鑒。

[1]田育功.碾壓混凝土快速筑壩技術[M].北京：中國水利水電出版社，2010：53-61.

[2]梅錦煜.中國碾壓混凝土筑壩技術2016[M].北京：中國水利水電出版社，2010：26-45.

StudyonRollerCompactedConcreteTechnicalTestforLargeWaterConservancyProject

CHEN Jia-li and ZHOU Xing-ren

(Water Conservancy & Hydropower No.16 Engineer Bureau Limited Company of China, Fuzhou 35003,China)

The Fendou reservoir project is located at the northeast frigid region of Muling City in Heilongjiang Province, being one of the roller compacted concrete dam under construction with the worst natural conditions, various unfavorable climate conditions, as heat, drought, high evaporation, high temperature difference and sever cold winter, have to suffer during the period of construction; secondly, for the first time, artificial aggregates were used to fill the roller compacted dam in frigid region, very little for the particle of natural sand less than 0.16mm, in order to guarantee excellent performances composed of construction, bleeding effect, combination between layers, concrete strength and durability, the technical test was finished before concrete used on the dam, to study and define the major performance indexes and technical parameters of roller compacted concrete in frigid region, so as to supply scientific accordance, construction experiences and parameters about the construction of later roller compacted dam for similar projects.

Fendou reservoir project;roller compacted concrete;field engineer test;parameter

TV544.921

B

1007-7596(2017)09-0014-03

2017-08-20

陳佳禮(1986-)，男，陜西商洛人，工程師，從事水利水電工程試驗檢測工作及施工管理工作；周星任(1989-)，男，貴州興義人，工程師，從事水利水電工程試驗檢測工作及施工管理工作。