［德國］F．奧爾特加

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運(yùn)用插入式振搗法的RCC設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

［德國］F．奧爾特加

摘要:RCC技術(shù)的最新發(fā)展，出現(xiàn)了插入式振搗碾壓混凝土(IV－RCC)，即一種可以通過碾壓或內(nèi)部振搗方式進(jìn)行搗實(shí)的混凝土。回顧了IV－RCC在混凝土壩設(shè)計(jì)與建造中的成功應(yīng)用;對插入式振搗碾壓混凝土設(shè)計(jì)與施工過程中的一些關(guān)鍵點(diǎn)作了介紹。

關(guān)鍵詞:碾壓混凝土設(shè)計(jì);插入式振搗混凝土;混凝土施工

碾壓混凝土(RCC)壩已成為應(yīng)用最廣泛的混凝土壩型，其施工已取代了常規(guī)振搗混凝土(CVC)壩。與CVC壩相比，建造RCC壩更經(jīng)濟(jì)，可節(jié)約造價(jià)30%以上。然而，在很多工程實(shí)例中并沒有達(dá)到這個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，或者筑壩的質(zhì)量沒有CVC壩好。

在過去的15 a中，RCC壩的設(shè)計(jì)與建造技術(shù)已經(jīng)得到長足發(fā)展，混凝土現(xiàn)場填筑的質(zhì)量和性能至少不比傳統(tǒng)插入式振搗混凝土建壩差。RCC的連續(xù)層面結(jié)合技術(shù)和壩體上游面的防滲技術(shù)已得到了改進(jìn)。不過，還應(yīng)盡量簡化施工工藝流程，而插入式振搗碾壓混凝土技術(shù)能很好地解決這些問題。

1　背景

為確保壩面平整度及RCC與壩肩巖體的結(jié)合，許多早期RCC壩在壩面或巖體接觸面均采用傳統(tǒng)混凝土拌合料。在有些實(shí)例中，是采用CVC拌合料作為大壩上游壩面防滲體。

在過去的15 a中，CVC基本上被縮漿RCC所取代。當(dāng)RCC在壩上鋪開后，將專門生產(chǎn)的漿液運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場噴灑在RCC上，調(diào)整其稠度直到拌合料可以用插入式振搗器固結(jié)為止。該工序比傳統(tǒng)的CVC施工工藝更為簡單，且表面光潔度好，與巖體接觸良好。與少灰RCC相比，縮漿RCC和易性相對較好(低維勃稠度)。然而在同一個(gè)工程中，由于各種原因摻漿量也明顯不同，例如RCC拌合不均勻、填筑速度或效率、環(huán)境條件、振搗設(shè)備及施工工藝等。

縮漿RCC也用于大壩嵌入結(jié)構(gòu)周圍，有些嵌入結(jié)構(gòu)是影響大壩性能的關(guān)鍵部位，比如大壩上游面相鄰壩段間橫縫的止水和排水系統(tǒng)。經(jīng)驗(yàn)表明，如果不嚴(yán)格按照工序施工，這些部位很容易變成大壩防滲的薄弱環(huán)節(jié)。縮漿RCC連續(xù)層間的水平面粘結(jié)力不強(qiáng)也可導(dǎo)致通過止水的滲漏。

RCC拌合料的和易性與凝結(jié)時(shí)間得以優(yōu)化，從而可切實(shí)提高RCC壩的現(xiàn)場澆筑質(zhì)量，即將RCC稠度調(diào)和到與傳統(tǒng)大體積硬稠混凝土相似。該項(xiàng)技術(shù)已寫入《美國混凝土配合比規(guī)范》(ACI211．3－75，另見《無坍落度混凝土實(shí)施規(guī)程》1987/1992)的分類中。在該規(guī)范中，將混凝土稠度分為6個(gè)等級，從“極干”到“流動”。

在不添加任何額外漿液的情況下，南非德胡普壩(De Hoop)首次采用插入式振搗法進(jìn)行RCC壩施工且取得了巨大成功。此后在其他項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。

2　IV－RCC拌合料的關(guān)鍵參數(shù)

IV－RCC是干硬性混凝土拌合料(塌落度為0)，其生產(chǎn)、運(yùn)輸和澆筑方式與RCC相同，既可以使用外部碾壓也可以采取內(nèi)插式振搗法固結(jié)。IV－RCC拌合料的特征參數(shù)是混凝土稠度和凝結(jié)時(shí)間。其稠度由改進(jìn)的維勃稠度試驗(yàn)確定，凝結(jié)時(shí)間由混凝土拌合料的砂漿貫入阻力決定(ASTM C403)。

使用維勃稠度計(jì)測試IV－RCC的稠度，總荷載改為12．5 kg，測試值應(yīng)該在8～12 s之間。稠度高于此值則拌合料不適宜用內(nèi)部振搗法，而低于8 s則難以碾壓，且表面清理也存在困難。與其他維勃稠度更高的拌合料相比，該稠度范圍拌合料的和易性還明顯具有其他重要優(yōu)勢。在過去30 a的探索過程中，RCC拌合料獲得和易性(低維勃時(shí)間)，是因?yàn)樵诎韬汀⑦\(yùn)輸和澆筑過程中使混凝土骨料的離析最小化。

就凝結(jié)時(shí)間而言，IV－RCC的初凝時(shí)間應(yīng)該比在整個(gè)壩塊澆筑厚300 mm的RCC所需施工時(shí)間長。如果遵循該凝結(jié)時(shí)間，則在混凝土頂部還沒有發(fā)生初凝時(shí)就可完成澆筑和固結(jié)。同樣在傳統(tǒng)大體積混凝土施工時(shí)，每次填筑混凝土層厚500 mm，每個(gè)壩段分層填筑逐步達(dá)到壩頂高度。但高效的RCC施工要求壩塊的尺寸盡可能地大，理想狀態(tài)是整個(gè)碾壓混凝土壩應(yīng)從一個(gè)壩肩到另一個(gè)壩肩作為一個(gè)壩段整體澆筑。這就意味著拌合料的實(shí)際初凝時(shí)間必須延長，在很多工程實(shí)例中，混凝土的初凝時(shí)間為20 h或更長，從而在留足安全余度避免處理層面縫的情況下，進(jìn)行連續(xù)澆筑作業(yè)(每天24 h，每周7 d不停地作業(yè))。

3　IV－RCC拌合料的設(shè)計(jì)

混凝土拌合料的設(shè)計(jì)，旨在獲得現(xiàn)場實(shí)際澆筑所需的混凝土性能，與實(shí)驗(yàn)室測試不同，只有在現(xiàn)場條件下進(jìn)行規(guī)?；瘽仓拍苷鎸?shí)地取得各澆筑層間結(jié)合強(qiáng)度、現(xiàn)場滲透性等方面的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。因此現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)與適合的施工程序?qū)?shí)驗(yàn)室開展RCC配合比設(shè)計(jì)的早期階段非常重要。

IV－RCC已應(yīng)用于多個(gè)工程項(xiàng)目，從最終質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，混凝土拌合料的最優(yōu)化主要取決于細(xì)骨料的技術(shù)參數(shù)和膠結(jié)材料(包括水泥及各種具有火山灰活性的礦渣混合料)的質(zhì)量。

對過去使用的IV－RCC拌合料的研究表明，相對較低含水率可以獲得較高和易性，這在平均水灰比為0．55的含粉煤灰混凝土中尤為顯著。以西班牙恩西索(Enciso)大壩為例，IV－RCC中Ⅰ類水泥含量54 kg/ m3，粉煤灰含量126 kg/m3，用水量低至84 l/m3，平均維勃時(shí)間為9 s，這意味著水灰比低到0．47時(shí)RCC可以通過插入式振搗器固結(jié)。

按照特定級配和形狀生產(chǎn)的細(xì)骨料與外加劑效果相結(jié)合，將會極大地減少高和易性IV－RCC拌合料的用水量。

由于這些拌合料的含水率相對較低，因此可以減少膠凝材料的用量，水泥用量可低到50 kg/m3，粉煤灰用量低到110 kg/m3。這些混凝土1 a齡期的柱狀試樣平均抗壓強(qiáng)度超過30 MPa，直接抗拉強(qiáng)度接近2 MPa。隨機(jī)采取芯樣試驗(yàn)時(shí)，直接抗拉強(qiáng)度超過1．5 MPa，現(xiàn)場實(shí)測滲透系數(shù)低于10－10m/s。

實(shí)踐表明，IV－RCC中漿液和漿體的體積應(yīng)用范圍廣泛，漿液體積占15．2%～22．3%，漿體體積17．6%～25．7%。因此，可得出結(jié)論，決定RCC是否能采用插入式振搗方式固結(jié)的更關(guān)鍵的因素是細(xì)骨料的質(zhì)量及合適的維勃稠度(維勃時(shí)間為8～12 s)，而不是預(yù)調(diào)高漿體體積。

4　使用IV－RCC應(yīng)考慮的因素

IV－RCC的主要優(yōu)勢為混凝土塊體的均勻性，混凝土的性質(zhì)會隨著時(shí)間在整個(gè)壩塊中均勻發(fā)展。其他不同種類混凝土建造的RCC壩，其上游面非均質(zhì)區(qū)會出現(xiàn)應(yīng)力差，從而產(chǎn)生裂縫與滲漏，混凝土的均勻性可以有效地避免這些現(xiàn)象的發(fā)生。使用IVRCC可極大地減少不同材料間交界面的數(shù)量，保持建筑物具有穩(wěn)定的均質(zhì)性。

設(shè)計(jì)人員最感興趣的是，IV－RCC壩可以將RCC壩可能會存在的沿澆筑層面發(fā)展的不連續(xù)面減少到最低程度。在先期澆筑但尚未初凝的混凝土頂部連續(xù)澆筑厚300 mm的混凝土層，會在垂直方向形成完整的結(jié)構(gòu)，在這種情況下，連續(xù)澆筑層間理論接觸面處的混凝土強(qiáng)度及滲透性與混凝土模型(澆筑層內(nèi))的數(shù)值相同。

在澆筑幾層混凝土后，選擇試驗(yàn)段開挖探坑，可以觀察澆筑混凝土的均勻性。上下層混凝土中的漿體、粗細(xì)骨料都能有效地互相滲透，且混凝土中不會出現(xiàn)不連續(xù)面。

從鉆孔巖芯上肉眼能觀察到的裂縫，可能是由不連續(xù)澆筑產(chǎn)生的、需要處理的層面縫(如找平混凝土與第一層RCC的交界面)，如處理措施沒有按要求完全實(shí)施，則沿層面縫的混凝土強(qiáng)度參數(shù)(凝聚力、內(nèi)摩擦角和抗拉強(qiáng)度)可能比完整混凝土的弱。對已凝固混凝土表面澆灌橫接縫，IV－RCC與傳統(tǒng)的CVC沒本質(zhì)區(qū)別，基本上是水刷石飾面、表面全面清洗。

面臨的重要挑戰(zhàn)是大壩上游面橫縫止水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使用IV－RCC已經(jīng)得到改善，如上所述，該部位是RCC壩最為關(guān)鍵的滲控點(diǎn)之一。有2個(gè)特殊的細(xì)節(jié)需要認(rèn)真對待，設(shè)計(jì)方與施工方必須密切合作:①止水周邊混凝土的性能必須與四周RCC的類似，避免它們之間的接觸面結(jié)合不良，或?qū)娱g結(jié)合力不足;②施工過程中，將止水、排水和裂縫引導(dǎo)器放置到位的固定系統(tǒng)在混凝土澆筑時(shí)不能移動。

圖1所示為止水系統(tǒng)布置，該布置方案對先前的設(shè)計(jì)方案作了極大的改進(jìn)，保證大壩關(guān)鍵部位的水密性。外部框架固定在上游模板斜撐上，支撐著固定并引導(dǎo)止水、脫粘片和排水的臨時(shí)設(shè)施。重要的是，這些部件沒必要埋入混凝土中，因而避免了在振搗過程中的移位，還可防止?jié)撛谌趺娴漠a(chǎn)生和裂縫的發(fā)展。

圖1　上游面橫縫末端止水系統(tǒng)埋設(shè)示意

5　IV－RCC施工工藝

過去對常規(guī)混凝土壩中廣泛應(yīng)用的大體積CVC使用插入式振搗器振搗，盡管IV－RCC稠度等級為干硬，但仍可使用該方法。因此，可以使用同樣規(guī)格的振搗設(shè)備，但在主壩施工前需改良澆筑工藝。安裝在小型液壓挖掘機(jī)機(jī)械臂上的一系列振搗器是傳統(tǒng)施工中常用的。使用便捷式振搗棒對整個(gè)大壩混凝土進(jìn)行系統(tǒng)性振搗固結(jié)不現(xiàn)實(shí)，然而在施工機(jī)械難以作業(yè)的狹窄部位(如止水周邊)，人工振搗器可以滿足IV－RCC充分固結(jié)的要求。

和易性好的混凝土，至少需要直徑為76 mm的高頻振搗器(＞12 000 r/min)，該型號的振搗器可以保證人工振搗的效果。直徑為100～150 mm的較大液壓振動設(shè)備，通常是安裝在液壓挖掘機(jī)上。

在將混凝土傾倒和攤鋪后，針對模板、巖石壩肩或先前澆筑的混凝土塊，對IV－RCC按照線狀振搗作業(yè)。插入式振搗器的振搗寬度取決于所振搗的部位，模板的振搗寬度為400～500 mm，縱縫面附近可增加到1 500 mm;而在相對平緩的壩肩斜坡某些區(qū)域，寬度可達(dá)3 000 mm或更寬。

連續(xù)澆筑厚300 mm的IV－RCC的振搗固結(jié)，振搗器插入的最小深度至少達(dá)500 mm。該施工工序是保證新老澆筑層緊密結(jié)合的關(guān)鍵，以便在下層混凝土初凝前促使2層混凝土間的相互滲透，并消除兩層間的物理縫。

邊緣的IV－RCC內(nèi)部振搗后，立即采用相對較輕的單鼓振搗碾(靜態(tài)重量8～10 t)固結(jié)相鄰的RCC。使用和易性高的混凝土能使RCC在碾壓遍數(shù)較少(通常為4～6遍)的情況下達(dá)到現(xiàn)場最大密度(超過理論上無空氣混凝土密度的99%)。碾壓面富漿表明混凝土已達(dá)到最佳密度，同時(shí)也說明已與下層混凝土結(jié)合良好。

為保證表面平整度和整個(gè)混凝土固結(jié)，重要的是盡量減少混凝土澆筑時(shí)間，從拌制到振搗結(jié)束的時(shí)間應(yīng)控制在45 min～2 h，取決于環(huán)境條件，該時(shí)間隨著白天澆筑和夜晚澆筑而變化，除了混凝土配合比，其他如氣溫、風(fēng)速、運(yùn)輸方式等因素，可能會對混凝土和易性的損失率有較大影響?；炷梁鸵仔运脚c良好的作業(yè)計(jì)劃相結(jié)合，可以簡化施工程序，使臺階式工作面頂部達(dá)到良好的外觀質(zhì)量。

插入式振搗結(jié)束后，立即使用振動式整平板對臺階面找平。

6　結(jié)語

高和易性、超緩凝的RCC正朝著IV－RCC方向優(yōu)化。IV－RCC不僅可通過碾壓還可通過插入式振搗固結(jié)，其關(guān)鍵特性是具有細(xì)骨料的質(zhì)量、控制稠度在8～12 s維勃時(shí)間之間，以及還具有有利的緩凝劑和減水劑。與想像相反，IV－RCC并不意味著高含水量或高漿體量。

IV－RCC簡化了混凝土壩的設(shè)計(jì)和施工工藝，在整個(gè)大壩可通倉澆筑同樣的混凝土，并且避免使用砂漿墊層，縮漿或者摻入添加劑是建造RCC壩最簡單有效的方法。此外，IV－RCC現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，RCC壩常見的幾個(gè)關(guān)鍵問題(如層面縫的粘結(jié)強(qiáng)度和抗?jié)B性)已得到成功破解。隨著這種新概念混凝土的應(yīng)用，大壩的層面和潛在不連續(xù)面已經(jīng)被根除。

在實(shí)際澆筑時(shí)，需事先準(zhǔn)備和檢測特定的施工工藝和設(shè)備，適用的振搗工具與CVC壩通常使用的相同。此外，未來建造IV－RCC壩必須透徹掌握大體積混凝土2種不同的固結(jié)方法，同時(shí)還必須具有相應(yīng)豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。

(周榮馬貴生編譯)

收稿日期:2015-04-23

文章編號:1006-0081(2015) 07-0013-03

中圖法分類號:TV53．6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A