冬季低温期碾压沥青混凝土心墙施工技术

谢晓龙

(中国葛洲坝集团股份有限公司第二工程公司,四川成都 610091)

1 寒冷地区冬季低温期碾压沥青混凝土心墙施工的意义

我国水电站大坝应用碾压沥青混凝土施工的经验少,特别是碾压沥青混凝土心墙的铺筑层厚长期被禁锢在 20.0±2.0cm以及在环境气温 5.0℃以上才允许铺筑施工等条件限制,导致寒冷地区每年碾压沥青混凝土的有效施工天数有限,尤以寒冷地区明显,严重制约着碾压沥青混凝土心墙的施工进度。

在寒冷地区,采用常规施工技术冬季低温期不能施工,加之常规施工方法的施工效率低,根本无法满足大坝工程对碾压沥青混凝土心墙施工进度的要求,从而延长了工程的总工期。气候的影响,将严重制约寒冷地区采用碾压沥青混凝土防渗心墙坝型的设计,严重阻碍和制约了我国西部水利水电建设事业的发展。

在寒冷地区的坝区,当年 10月至次年 4月的降雪和积雪期环境气温均在 5.0℃以下(每天的11∶30～13∶00之间的气温在 5.0℃左右 ),低温(气温 0℃以下)天数占全年天数的 65.0%;而在冬季进行施工,能够进行碾压沥青混凝土心墙施工作业的时间非常短,从而导致心墙层面接头增加(不利于防渗)、机械设备的利用率很低以及沥青保温时间太长,从而造成施工成本的增加。如何在冬季低温期(包括小雪天)进行施工,充分的利用每年这 6个月时间进行碾压沥青混凝土心墙施工,才能加快碾压沥青混凝土心墙的施工进度,确保碾压沥青混凝土心墙堆石坝工程按照合同工期完建,减少工程施工成本已成为世界关注的问题之一。

业界一直未能在环境气温 0℃以下进行碾压沥青混凝土心墙施工,只有挪威进行过相关的试验研究,但未应用到工程施工中。我们所研究的环境气温在 -5.0℃时碾压沥青混凝土心墙施工技术不仅具有开创性,还具有划时代的意义。

2 寒冷地区冬季低温期碾压沥青混凝土心墙施工技术

2.1 冬季低温期施工准备

(1)生产设备和施工机械准备。

冬季低温期沥青拌和系统的骨料输送器、骨料加热器、热骨料筛分机、自动称量系统、成品运输系统、沥青脱桶设备和沥青加热系统必须完好并且没有被冻结,生产的控制系统必须完好。要依据土石坝坝区冬季低温期的气候条件,对拌和楼进行冬季适应性改造,使该系统具有在 -5.0℃气温条件下生产沥青混合料的能力。

将常规沥青混合料拌和运输车的底板、厢板加装保温隔热层,并加装车厢保温隔热盖板,使其适应冬季低温期的沥青混合料运输。一般是把常规装载机铲斗改换成料斗、改造液压系统制成沥青混合料的垂直运输设备,要求在沥青混合料斗上加装盖板,其料斗和斗门最好具有保温功能。

沥青混合料拌制所需的各种骨料、人工砂、天然砂、填充粉料应充足,即应有能够满足一层心墙碾压沥青混凝土铺筑所需用的原材料;沥青储存罐内应有足够的软化沥青,其温度在 160.0℃左右。

检查沥青混合料水平运输、垂直运输和摊铺、碾压设备是否完好。运输车和摊铺机的斗门开闭是否灵活、保温部分要可靠。同时,承担沥青混合料碾压和过渡料碾压的振动碾至少要保证各有一台完好。

所制作的心墙层面的防雨雪棚用于施工中遇小雪时遮挡雪花,避免雪在即将摊铺沥青混合料的区域融化成水;避免雪融水进入摊铺(还未初步碾压)的沥青混合料中,否则,所摊铺的沥青混合料碾压后的孔隙率大,影响防渗效果。

(2)施工现场准备。

在心墙两端基座表面喷涂的“稀释沥青”已经干透,其上摊铺的沥青玛蹄脂已凝固,铺筑的碾压沥青混凝土心墙表面已经清洁,心墙表面无污物、积水、雪和冰等并经监理工程师验收合格、批准开工;红外线加热器工作可靠,保温材料和辅助器具准备齐全。

(3)其它相关施工准备。

施工现场通往沥青混合料生产系统的道路应畅通,碾压沥青混凝土心墙上下游的堆石料填筑高度应满足防渗心墙上升的要求,碾压沥青混凝土心墙监测仪器埋设完毕并经监理工程师验收合格、同意对仪器进行覆盖。

2.2 冬季低温期碾压沥青混凝土心墙施工

(1)沥青混合料制备。

在沥青混合料拌制中,将骨料的温度加热至190.0℃～200.0℃的上限值。若填充粉料在拌制中不加热,则可适当提高骨料的加热温度值,以确保沥青混合料的出机口温度在规定的上限值170.0℃～175.0℃左右;对于低于 150.0℃的混合料则作为废料处理。沥青混合料出机口温度与热骨料温度关系曲线见图 1。

在成品储料罐的外层加设保温层,出料口增加保温层和加温装置,使混合料在成品储料罐储存的过程中尽量减小温度损失;在罐内设置管式红外线加热器,适当补偿混合料的温度损失;成品沥青混合料在储料罐内储存的时间不能超过 6h,应尽量减少其存放时间,避免成品沥青混合料的温度损失。

(2)沥青混合料摊铺。

本项技术的沥青混合料摊铺层厚 30cm(单层摊铺厚度比常规施工技术提高了 30.4%)。由于人工摊铺沥青混合料的速度较慢,故冬季低温期碾压沥青混凝土心墙的沥青混合料宜采用机械摊铺作业。

图1 沥青混合料出机口温度与热骨料温度关系曲线图

冬季低温期碾压沥青混凝土心墙施工采用人工摊铺施工作业时,要确保各个环节正常,包括沥青混合料各生产环节均正常,即能确保施工顺利和快速的进行,使沥青混合料能够不间断的摊铺,并可及时进行沥青混合料的初碾,才能保证土石坝碾压沥青混凝土心墙的施工质量。

冬季低温期心墙沥青混凝土摊铺机作业时,必须保证摊铺机前部的远红外线加热器正常工作,把已铺筑的沥青混凝土层面(深 10～15mm)加热到 70.0℃左右;减少所摊铺的混合料在基础沥青混凝土接触面的温度损失,确保底部混合料被碾压密实。

沥青混合料入仓温度应控制在 162.0℃～170.0℃,摊铺机行走速度为 0～3.0m/min。摊铺过程中遇小雪时,要采取综合防水措施,即在心墙摊铺机前面设置移动式组装防雨棚车(长、宽、高分别为 6.0m、2.5m、2.0m);防雨棚车的作用是防止雪花飘落到即将摊铺沥青混合料的部位,不下雪时则不使用防雨棚车。心墙摊铺机摊铺后未初次碾压的沥青混合料要用耐热帆布覆盖(长10.0～15.0m),防止雪落到混合料上。

将棚车连接在摊铺机前面,随摊铺机一起前行,人工在防雨棚车内将层面积水清除掉,并用加热器将水渍烘干。棚车行走至心墙放大段时,将棚车与摊铺机间的连接器解开,摊铺机继续向前摊铺 2.0～3.0m。在基座上贴防雨布,基座流水顺防雨布流至水平段后再分流到上下游过渡料中,确保雨水不流到即将摊铺沥青混合料的基面上。

(3)沥青混合料碾压。

沥青混合料的储运设备和摊铺机料斗等均加设保温设施,沥青混合料入仓温度应控制在不低于 162.0℃。在运输过程中应保证沥青混合料尽量全封闭,减少其与环境冷空气进行接触,以降低沥青混合料的温度损失。

在摊铺过程中,应及时检测沥青混合料的温度,入仓(摊铺)后每隔 5～10min检测一次温度,以便指挥振动碾适时进行碾压。

当摊铺后的沥青混合料温度降至155.0℃～158.0℃时,及时进行初次碾压(无振碾压 2遍),及时对摊铺的沥青混合料表面进行封闭;只要振动碾在沥青混合料上面不下陷即应尽量早碾压,以防止沥青混合料表面温度损失过大而碾压不密实,或产生龟裂。沥青混合料初碾温度与空隙率关系见图 2。当环境温度为 -5℃时,既使在145.0℃～154.0℃时初碾,沥青混凝土表面仍出现毛面及龟裂现象,所以,初碾温度不能低于155.0℃。

图2 沥青混合料初碾温度与空隙率关系图

沥青混合料采用一台 1.5t振动碾碾压,过渡料采用两台 2.5t振动碾碾压;沥青混合料和心墙过渡料的碾压顺序为:静碾(无振)过渡料 1遍(振动碾行走 1个来回)→(初碾)静碾沥青混合料 2遍→振动碾压过渡料 5遍→(复碾)振动碾压沥青混合料 13遍→(终碾)动碾过渡料 3遍。

振动碾行走速度为 25～30m/min,用 1.5t振动碾在沥青心墙上静碾 1遍收光混凝土面,最后用 2.5t振动碾静碾过渡料 1遍并压平过渡料与心墙接触部位。

施工过程中若遇下雪,应立即在未碾压的沥青混合料上覆盖帆布,以尽量减慢沥青混合料的温降速度,保证碾压过程中混合料温度保持在140℃以上,从而保证其压实度。振动碾在防雨帆布上碾压沥青混合料。

(4)施工质量控制。

影响冬季低温期碾压沥青混凝土心墙施工质量的主要因素有现场气温、风速、雪和初次碾压温度等。为此,针对施工工艺流程中的各施工工序采取相应的措施,确保温度及施工质量。

主要控制沥青混合料出机口温度、入仓温度、初碾和终碾的温度;沥青混合料水平运输、垂直运输和摊铺机沥青混合料斗的保温措施要可靠。

铺筑施工过程中,应检测沥青混合料的入仓温度,入仓后每隔 5～10min检测一次温度,当沥青混合料温度降到初碾温度时进行碾压,碾压完毕仍要检测温度,待其达到终碾温度时进行最终碾压。

冶勒大坝心墙碾压沥青混凝土控制指标为密度大于 2.37g/cm3、空隙率小于 3.0%、渗透系数为 1×10-9,无损检测与钻孔取芯试验结果相符。

2.3 寒冷地区冬季低温期施工注意事项

2.3.1 骨料的加热温度

沥青混合料拌制中骨料的加热温度应控制在190.0℃～200.0℃,骨料温度超过 220.0℃时停止沥青混合料生产,待热料仓的骨料温度降到允许值时恢复生产;确保沥青混合料的出机口温度在规定的上限(175℃)左右;对于所拌制的沥青混合料的温度低于 150.0℃或超过 185.0℃的混合料作为废料处理。

2.3.2 沥青混合料的储运

尽量避免所拌制的沥青混合料在成品料仓内的存放,沥青混合料成品在成品料仓内储存的时间不能超过 6h,运输车内的沥青混合料储存时间不能超过 40min;一般垂直运输设备的料斗没有加热能力,沥青混合料最好不要在该设备料斗内滞留,滞留时间一般应控制在 15min以内。

2.3.3 成品沥青混合料保温

成品沥青混合料的保温措施:(1)在沥青混合料成品储料罐的外层加设保温层,使混合料在成品储料罐储存的过程中尽量减小温度损失;在成品料储存罐内和其卸料斗门处要设置管式红外线加热器,适当补偿混合料的温度损失;(2)成品沥青混合料的水平运输、垂直运输设备和摊铺机沥青混合料斗等均加设了保温层,从而保证了沥青混合料在运输过程中尽量作到全封闭,减少沥青混合料与环境冷空气的接触时间,尽量减少成品沥青混合料在运输过程中的温度损失;(3)沥青混合料运输。做好土石坝碾压沥青混凝土心墙施工现场的准备工作,及时解决心墙施工现场发生的干扰施工的突发事件,确保沥青混合料运输道路的畅通及将运到施工现场的沥青混合料能顺利、及时的摊铺和碾压,尽量缩短沥青混合料在现场等待的时间。施工现场发生阻滞现象时,每隔15～20min对滞留在施工现场运输车辆中的沥青混合料进行一次温度测量,停滞等待的时间越长,测量温度的时间间隔越短,当其温度下降到限定值 160.0℃时作为废料弃掉。

2.3.4 沥青混合料入仓温度控制

将沥青混合料入仓温度控制在 165.0℃～175.0℃,沥青混合料入仓温度不得低于 160.0℃,低于此温度的沥青混合料不能入仓,作为废料弃掉。

2.3.5 心墙基础面加热

低温期心墙沥青混凝土铺筑施工时,将心墙已施工的沥青混凝土层面加热至70.0℃左右,以减少摊铺时混合料与沥青混凝土接触面的温度损失。

2.3.6 摊铺后的沥青混合料碾压

严格控制土石坝碾压沥青混凝土心墙铺筑施工作业的环境温度,气温在 -5.0℃以上、风速 3级以下的条件下可以进行碾压沥青混凝土心墙施工作业,初碾温度为 160.0℃～165.0℃,冬季低温期铺筑作业时要及时对摊铺的沥青混合料进行初碾,封闭摊铺的沥青混合料,确保摊铺的沥青混合料的层面碾压密实,防止表面龟裂现象发生。

3 结 语

由于工程所处严寒地区冬季低温期的时间占全年时间的 45.0%,采用冬季低温期碾压沥青混凝土心墙施工技术,避免了冶勒大坝冬季停工,充分的利用了长达 6个月左右的冬季进行碾压沥青混凝土心墙铺筑施工,充分的利用了现有设备,降低了工程施工成本,缩短了工程建设时间并使工程提前发挥了经济和社会效益。该项技术的应用,为我国西部寒冷地区碾压沥青混凝土心墙施工提供了先例,为在寒冷地区推广该类坝型提供了技术条件。