大型水利工程碾压混凝土工艺试验探究

陈佳礼，周星任

(中国水利水电第十六工程局有限公司，福州 350000)

大型水利工程碾压混凝土工艺试验探究

陈佳礼，周星任

(中国水利水电第十六工程局有限公司，福州 350000)

黑龙江省穆棱市奋斗水库工程所在地为东北严寒地区，为目前在建的自然气候条件最为恶劣的碾压混凝土坝之一，施工期间要历经炎热、干燥、高蒸发、高温差及冬季严寒等诸多不利气候条件；又因首次在严寒地区采用人工砂石骨料筑碾压混凝土坝，天然砂≤0.16mm以下颗粒极少，为保证碾压混凝土大坝可施工性、泛浆效果、层间结合、混凝土强度及耐久性等性能优良，在混凝土上坝前通过工艺试验，研究并确定严寒地区碾压混凝土的各项主要性能指标及工艺参数，为之后碾压混凝土坝施工提供科学依据，施工经验及参数供同类工程借鉴参考。

奋斗水库工程；碾压混凝土；现场工艺试验；参数

1 工程概况

奋斗水库行政区划属于黑龙江省穆棱市，距穆棱镇东南14.1km的穆棱河干流上游。水库以城镇供水为主，结合防洪，兼顾灌溉和发电等综合利用任务。水库为大(2)型，属Ⅱ等工程。主要建筑物挡水坝段、泄水坝段、进水口坝段、鱼道过坝段为2级，导流洞封堵标准为2级：厂房、鱼道坝进、出水口、鱼池及次要建筑物为3级，电站坝后式厂房为小(2)型，3级建筑物。导流建筑物为4级；进场道路等级参照4级，坝下交通桥为大桥，汽车荷载等级为公路—Ⅱ级；坝肩边坡为2级，电站厂房边坡为3级。水库正常蓄水位为382.00m，死水位为362.00m，装机容量4.0MW，多年平均发电量1060×104kW·h。混凝土工程量共约277247m3，其中常态混凝土45426m3，碾压及变态混凝土231821m3。

2 工艺试验目的

现场工艺试验通过模拟坝体实际施工的各道工序衔接、完成和资源配置情况，确定碾压混凝土拌和参数及碾压施工参数、骨料分离控制措施、层间结合和层面处理技术措施、成缝工艺、变态混凝土施工工艺等；验证室内配合比拌制的碾压混凝土的工作性和可碾性；实测碾压混凝土各项性能指标，验证和确认碾压混凝土质量控制措施，并结合现场碾压试验对碾压混凝土施工各工序的作业人员进行培训，从而为大坝碾压混凝土正式施工提供可靠依据。碾压试验目的主要有：

1)验证室内选定的碾压混凝土配合比的可碾性和合理性，检验本体与层间结合碾压混凝土之间的力学、变形、耐久(抗渗、抗冻等)及抗剪等方面的性能差异；通过试验确定粉煤灰替砂的最佳比例，提出对对施工配合比进行优化和调整的意见或建议。

2)验证碾压混凝土施工工艺及流程、施工系统及施工设备的适应性，确定合理的施工工艺和参数。如拌和、运输、铺筑平仓、碾压及成缝工艺、碾压参数、升层间隔时间、不同层面处理方式、变态混凝土施工、成缝等。

3)针对高温天气、异常气候条件，研究改善碾压混凝土层间结合的措施。测试碾压混凝土Vc值与气温、相对湿度、施工历时之间的关系，确定合理的施工控制指标范围。

4)检验和改进碾压混凝土施工工法。

5)实地培训技术人员、操作人员，提高施工队伍人员素质。

6)实测碾压混凝土各项物理力学指标及耐久性指标，评定碾压混凝土强度、抗渗、抗冻、抗剪强度等特性，验证和确定碾压混凝土质量控制标准及措施。

7)获取碾压混凝土施工参数，指导主坝碾压混凝土施工。

3 碾压混凝土现场试验

3.1 场地布置

根据建设需要，于2016年09月14日和2016年09月22日，分两次进行了现场碾压混凝土工艺试验。试验块尺寸为30m(长)×12m(宽)，试验块厚度为1.5m，试验块碾压体积为540m3。试验块分为3个碾压区域，分别为二级配C9020W6F100、二级配C9025W6F300、三级配C9015W4F50区，区域的周边布置50cm及100cm厚的变态混凝土，变态混凝土有3种配合比：二级配C9020W6F100、二级配C9025W6F300、三级配C9015W4F50变态混凝土。碾压混凝土现场工艺试验平面布置图如图1。

图1碾压混凝土现场工艺试验平面布置图

3.2 现场工艺试验框图

根据已确定的施工方案、工艺试验流程及人员分工情况，现场碾压混凝土工艺试验框图见图2。

图2 现场碾压混凝土工艺试验框图

3.3 主要试验项目

试验项目主要有：

1)混凝土拌和站运转试验(碾压混凝土拌和投料顺序、拌和时间、衡器精度、生产能力等)。

2)碾压混凝土施工工艺和机具协调配合试验。

3)碾压混凝土现场质量控制。

4)成缝方法和工艺试验研究。

5)变态混凝土加浆施工设备和工艺及加浆量确定。

6)研究碾压参数与压实度的关系，确定达到碾压混凝土的压实度标准的最佳碾压参数。

3.4 碾压试验采用原材料及碾压混凝土配合比

3.4.1 碾压混凝土现场工艺试验所用原材料

碾压工艺试验使用的水泥为牡丹江北方水泥有限公司生产的“牡丹江”牌P.MH42.5水泥；粉煤灰采用大唐七台河发电有限责任公司生产的F类I级粉煤灰；碾压混凝土减水剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的萘系SBTJM®-II缓凝高效减水剂及高效引气剂GYQ®-I。经进场检验中热水泥，I级粉煤灰、减水剂及引气剂均满足拌制碾压混凝土要求。

碾压工艺试验使用的细骨料为奋斗水库库区腰岭子料场开采的混合料筛分的天然砂，因天然砂细度模数大，筛去部分粗颗粒(去掉5mm以上及约1/3的2.5mm以上的颗粒)，细度有所降低可以配置碾压混凝土。粗骨料为同料场经冲洗筛分的天然卵石及破碎的超粒径卵石，共分3个粒级，粒径分别为5-20mm、20-40mm、40-80mm。经检验砂石骨料品质满足拌制碾压混凝土要求。

碾压混凝土现场工艺试验用水，采用穆棱河河水，河水经检测满足拌制混凝土要求。

3.4.2 碾压混凝土配合比

碾压混凝土配合比由水电十六局中心实验室提供，具体数据见表1。

表1 奋斗水库碾压混凝土现场试验配合比

3.5 碾压混凝土拌和物均匀性试验

拌和设备：右岸HZS180型搅拌站(1×4.5m3强制式搅拌机)。

投料顺序：砂+水泥+粉煤灰→水+外加剂→骨料(大石、小石、中石)，经拌和试验，实际拌和物和易性良好，骨料裹浆效果良好，无骨料分离。

拌和时间：碾压混凝土拌制采用HZS180搅拌站(1×4.5m3强制式拌和站)，每盘拌料3m3，拌和均匀性试验结果见图表2。

3.6 碾压混凝土Vc值与温度测试

碾压混凝土Vc值、含气量及运输过程Vc值损失与气温变化检测结果见表3。

3.7 碾压混凝土Vc值经时损失试验

碾压混凝土Vc值经时损失检测结果见表4、图3-4。

表2 拌和均匀性试验结果

结论：拌和时间为75s时，混凝土拌和均匀性能满足要求且较好，故拌和时间取75s。

表3 碾压混凝土Vc值、含气量及运输过程Vc值损失与气温变化检测结果

表4 碾压混凝土Vc值经时损失检测结果

注：试验数据在碾压现场测得，现场环境采取喷雾保湿，三防布覆盖遮阳防晒。

图3 三级配C9015W4F50 Vc值经时损失曲线

图4 三级配C9025W6F300 Vc值经时损失曲线

从表4、图3-4可知：碾压混凝土放置2h(120min)后,三级配C9015W4F50碾压混凝土Vc值损失为4.4s，二级配C9025W6F300碾压混凝土Vc值损失为3.4s，根据相关规范要求(碾压混凝土机口允许Vc值偏差±3s,现场Vc值以控制在2-12s)及配合比设计Vc值为2-5s，现场实际Vc值损失宜控制在4s以内，混凝土从加水拌和到碾压完毕宜控制在2h以内为最佳。

3.8 振动碾行走速度、碾压遍数与压实容重关系试验

1)现场碾压工艺试验，采用BW203AD-4型振动碾。振动碾技术参数：①振动碾重量11.8t；②钢轮宽度2135mm；③外边距2295mm；④行驶速度0-6/0-11km/h；⑤振动频率40/50HZ；⑥振动幅度0.83/0.85mm；⑦离心力130/78kN。

2)振动碾行驶速度为1.3km/h，相邻条带碾压搭接宽度控制在20cm以内，同条带分段碾压时，接头部位重叠碾压1.0m。两条碾压条带因作业形成高差时，采用无振慢速碾压1-2遍压平处理。

3)综合考虑经济和效率，三级配碾压、二级配碾压在1.3km/h的碾压行驶速度下不同碾压遍数与压实容重的关系见表5，图6-8。

表5 碾压机具行驶速度1.3km/h，碾压遍数与压实容重的关系检测结果

续表5 碾压机具行驶速度1.3km/h，碾压遍数与压实容重的关系检测结果

图5三级配C9015W4F50碾压遍数与压实容重关系

图6 二级配C9020W6F100碾压遍数与压实容重关系

图7 二级配C9025W6F300碾压遍数与压实容重关系

由表5及图5-7可以看出：对于三级配碾压混凝土，仓面Vc值控制在2s-5s时，无振碾压2遍，振动碾压8遍，再无振碾压2遍，混凝土压实容重基本达到最大值，之后继续碾压混凝土压实容重基本不变或略有降低。因此，大坝碾压混凝土碾压时采取碾压机行驶速度在1.3km/h以内，以“无振碾压2遍+振动碾压8遍+无振碾压2遍”的碾压方式进行施工，若遇天气特别干燥或者Vc较大时应适当增加碾压遍数，确保现场压实度达98%以上。

3.9 碾压混凝土力学变形及耐久性试验

3.9.1 碾压混凝土工艺试验抗压强度、劈裂抗拉强度试验

碾压混凝土机口取样数量较大，此处按统计情况列出。碾压及变态混凝土抗压、劈裂抗拉强度统计表见下表6；碾压混凝土强度随龄期增长曲线如图8。

表6 碾压混凝土抗压、劈裂抗拉强度统计表

图8碾压混凝土强度随龄期增长曲线

从表6及图8可看出，碾压混凝土设计龄期(90d)以后强度增长较多，掺灰量越大后期增长幅度越大。经试验混凝土抗压及劈裂抗拉强度满足设计要求。28d龄期混凝土强度标准偏差小，混凝土生产水平稳定，生产水平可达优良。

3.9.2 碾压混凝土工艺试验碾压及变态混凝土极限拉伸试验

根据机口取样检测情况，碾压及变态混凝土极限拉伸结果统计表见表7，碾压混凝土强度随龄期增长曲线见下图9。

表7 碾压及变态混凝土极限拉伸检测结果统计表

图9碾压混凝土强度随龄期增长曲线

从上表7、图10可以看出，设计龄期RI、RII、RIII碾压混凝土及RbI、RbII变态混凝土极限拉伸值、轴心抗拉强度均满足设计要求，因RII碾压混凝土(设计标号C9015W4F50)大量掺粉煤灰(掺灰量高达55)及粉煤灰替砂的影响，另外破碎卵石粗骨料有裹石粉等原因，导致早期(28d龄期)强度较低，极限拉伸值低；后期混凝土继续水化反应强度、极限拉伸值继续增长，达到设计龄期(90d龄期)，RII碾压混凝土极限拉伸值基本满足设计要求。

3.9.3 碾压混凝土工艺试验碾压及变态混凝土抗渗试验

根据碾压混凝土现场工艺试验机口抗渗试验，碾压及变态混凝土抗渗结果统计表见表8。

表8 碾压及变态混凝土抗渗结果统计表

续表8 碾压及变态混凝土抗渗结果统计表

从表8可知，RI、RII、RIII碾压混凝土及RbI、RbII变态混凝土90d龄期(设计龄期)及180d龄期，抗渗等级均满足设计要求。从试件劈开渗水高度看，180d龄期渗水高度略低于90d龄期渗水高度，即碾压及变态混凝土180d龄期抗渗性能有所提高，但不明显。对于RII碾压混凝土(设计标号C9015W4F50)90d龄期时，渗水高度较高达10cm(满足抗渗等级要求),180d龄期渗水高度下降明显。

3.9.4 碾压混凝土工艺试验碾压及变态混凝土抗冻试验

抗冻试验由机口取样成型,碾压及变态混凝土抗冻结果统计表见下表9。

表9 碾压及变态混凝土抗冻结果统计表

从表9可看出，RI、RII、RIII碾压混凝土及RbI、RbII变态混凝土90d龄期(设计龄期)及180d龄期，抗冻等级均满足设计要求。但混凝土180d龄期抗冻性能略有下降。分析原因，碾压混凝土工艺试验时用引气剂，由于原材料品质一般，引气剂引气效果较差，为达到规定含气量，大幅度提高引气剂掺量，尽管含气量可以满足规定值，但从劈开混凝土看引气剂引入气体以较大气泡(可见气泡直径为0.2-3mm居多)形式存在，混凝土在≥95%湿度环境养护，水逐渐侵入混凝土气泡中，在抗冻试验是对混凝土的抗冻不利；由于穆棱腰岭子天然料场骨料的小骨料(5-20mm)的坚固性指标超标(8%)，天然砂的坚固性达6%，对混凝土抗冻性能不利；生产混凝土及养护混凝土用河水，河水较浑浊，含硫酸盐对混凝土抗冻性功能亦有一定影响。

3.10 成缝的工艺和方法

碾压试验在每层碾压混凝土碾压完成后，采用自制切缝机进行切缝，切缝缝宽2cm，缝长35cm、缝距20cm、深度25cm进行控制，切缝面积是缝面积的60%，保证成缝质量。本次试验采用先碾后切形式成缝，填缝材料采用两种对比，第1种为彩条布，第2种采用干砂。切缝时先拉线定出横缝线位置，由一端向另一端采用切缝机切缝，再将隔缝材料平顺的切入缝内，另一种为将隔缝材料干砂人工灌入封内。根据本次试验成果可以看出，采用干砂作为填缝材料时，在干砂灌入缝时难以填满密实，不便操作，且干砂易污染仓面；采用双层彩条布作为填缝材料时，将彩条布对折放入缝内，再采用切缝机刀片压入，操作简单，成缝效果良好。

3.11 变态混凝土加浆的施工设备及工艺

变态混凝土加浆采用插孔法，插孔器为自制，先在摊铺好的碾压混凝土面上人工造孔，插孔按梅花型或矩形布置，孔距为20cm，孔深25cm。采用“容器法”人工定量加浆，浆液由灰浆运输车运至仓面，由人工手提统一容量的皮桶控制加浆量，灰浆洒铺均匀、不漏铺，振捣采用φ100高频振捣器。

试验时采用了5%、6%、8%三种加浆量进行对比试验，通过现场振捣效果可以看出，加浆量在5%时，表面虽有泛浆，但泛浆效果不够理想，加浆量在6%时，混凝土振捣后泛浆效果良好，加浆量在8%时，混凝土表面泛浆过剩。

3.12 现场碾压试验通水冷却及冷却水管布设

本试验块冷却水管采用采用HDPE高密度聚乙稀管，内径28mm、外径φ32mm， 壁厚2mm，冷却水管技术要求如下：

1)管径：φ32，管壁厚度≤2mm；

3)拉伸屈服应力≥20Mpa；

4)纵向回缩率≤3%；

查埋设的冷却水管没有堵塞，管道的连接接头连接牢固，没有漏水。试验时采用高位水池接管引至试验块进行冷却通水。碾压混凝土试验块冷却水布置图见图10。

图10 碾压混凝土试验块冷却水布置图

根据测得冷却水管进出口水温，温差在要求范围内，试验块区温差不大。未发现温度裂缝。

4 现场碾压工艺试验成果

通过整个碾压混凝土现场公益试验，其过程和结果说明：

1)碾压混凝土采用右岸拌和系统1×4.5m3强制式拌和站拌和，按确定的投料顺序：砂+水泥+粉煤灰→水+外加剂→骨料(大石、小石、中石)，经试验，混凝土拌制时间为75s时，拌和物均匀性满足要求且和易性较好。

2)碾压混凝土运输采用18t自卸汽车运输，运距约1km，运输时间约为12min(含接料、卸料时间)，Vc值损失0.5s左右。仓面Vc值控制在1-7s时，粗骨料无离析现象，现场碾压泛浆效果好，运输强度满足要求。

3)碾压试验块压实厚度为30cm，混凝土松料摊铺厚度为34-36cm。振动碾行走速度≤1.3km/h,三种碾压混凝土配合比在先无振2遍，再有振8遍，最后无振1-2遍，混凝土碾压密实，压实度满足要求。即确定的碾压参数：振动碾重量11.8t,行驶速度1.3km/h，先无振2遍，后有振8遍，再无振2遍。

4)变态混凝土施工采用插空法，先在铺好的松散碾压混凝土上用φ10cm的凿孔器插孔，按梅花形布置，孔距30cm，孔深20cm，采用容器法量取加浆量，仓面加浆量按体积的6%添加，后采用高频振捣器振捣密实。

5)碾压混凝土成缝工艺及方法：每层碾压混凝土碾压完毕后，采用切缝机进行切缝，缝宽、缝距、缝深、方向按设计要求控制，切缝面积保证为缝面积的2/3，保证成缝质量。切缝时先拉线定出缝位置，再沿确定的位置切缝，再用切缝机将隔缝材料平顺的切入缝内，完成后再用振动碾补碾。

6)碾压混凝土抗压强度满足设计要求，RII区C9015W4F50三级配碾压混凝土设计龄期强度富余较多；抗渗强度均满足设计要求，RII区C9015W4F50三级配碾压混凝土抗渗试验结束劈开后渗水高度较高；抗冻等级均满足设计要求的等级，RI区C9025W6F300二级配碾压混凝土质量损失较大。实际施工时应加强原材料品质控制，特别是引气剂品质控制，控制好混凝土含气量及了解混凝土气泡参数。

7)从取芯芯样外观看，芯样稀有孔隙，因天然砂细颗粒(≤0.16mm颗粒含量极少)，已采用10%(体积比)的粉煤灰替砂，难易达到碾压混凝土最佳石粉含量16%-22%的碾压效果，建议提高2%的粉煤灰替砂比例，以使混凝土更加密实，质量更优。

8)由于现场实际混凝土骨料有60%左右比例粗骨料为破碎卵石，相对于配合比设计时粗骨料棱角增多、比表面积增大，包裹粗骨料所需要水泥砂浆量增多，建议微增用水量(水胶比不变)，微调碾压混凝土施工配合比。

5 结 语

奋斗水库在大坝主体碾压混凝土开浇前，进行了系统的现场碾压试验，通过对配合比的各项性能验证，对碾压混凝土各施工工序衔接、完成和资源配置情况进行调整，并取得大坝施工各项施工参数，为大坝顺利开仓浇筑提供坚实的基础。本试验对于气候条件恶劣的严寒地区同类型中小型碾压混凝土坝施工予以参考，供同行借鉴。

[1]田育功.碾压混凝土快速筑坝技术[M].北京：中国水利水电出版社，2010：53-61.

[2]梅锦煜.中国碾压混凝土筑坝技术2016[M].北京：中国水利水电出版社，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

陈佳礼(1986-)，男，陕西商洛人，工程师，从事水利水电工程试验检测工作及施工管理工作；周星任(1989-)，男，贵州兴义人，工程师，从事水利水电工程试验检测工作及施工管理工作。