沥青混凝土面板施工工艺研究

徐 丽

(葛洲坝集团第二工程有限公司,四川成都 610091)

1 概 述

山西西龙池抽水蓄能电站装机容量 1 200 M W,年发电量 18.05亿 k W◦h,整个枢纽由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库、地面开关站等建筑物组成。其中上水库采用沥青混凝土全库防渗,下水库库底及堆石坝面板采用沥青混凝土面板防渗,总防渗面积 22.46万 m2。

沥青混凝土的配合比、摊铺和碾压是沥青混凝土面板施工中的技术难点,目前国内相关施工经验不足,尚处在学习、研究阶段。因此,研究沥青混凝土的施工工艺及方法,对于提高其施工质量、切实掌握沥青混凝土施工核心技术具有重要的意义。

沥青混凝土施工工艺研究包括施工环境条件、施工工艺及施工质量检测等。西龙池上水库沥青混凝土防渗面板施工由日本大成株式会社与葛洲坝集团公司共同完成。通过该上水库沥青混凝土防渗面板施工,积累了一定的有益经验。

2 影响沥青混凝土性能的主要因素

影响沥青混凝土性能的因素主要有以下几方面。

(1)原材料和配合比对沥青混凝土性能的影响。

沥青混凝土所使用的主要原材料有:沥青、骨料及掺料。沥青各组分的变化、粗细骨料和填充料的矿物成分、粗骨料的粒形(针片状的含量)以及填充料的细度等均对沥青混凝土的施工特性有不同程度的影响,其中填充料本身的化学成分是一个较重要的影响因素。

沥青混凝土有强度、密度和防渗要求及变形能力、低温稳定性等要求。沥青用量的多少对上述性能影响非常大,配合比是决定沥青混合料技术指标的主要因素。

(2)施工工艺对沥青混合料质量的影响。

沥青混凝土施工对温度要求非常高。施工中沥青混合料的拌制、运输、摊铺、碾压等施工工序的连接均将直接影响沥青混凝土的质量。因此,选择适当的施工方法、施工机具、碾压方式和接缝处理方法,对保证沥青混凝土的施工质量非常重要。

3 施工方案的选择

施工方案的选择是根据工程施工特点选配合适的施工机械,再确定摊铺方案(摊铺顺序、条幅划分方法、摊铺方法等)。

3.1 施工特点

上水库沥青混凝土防渗面板为简式结构,厚20 c m,从内至外依次为:整平胶结层、加厚层、防渗层、封闭层。防渗面板按照不同结构方式、不同材料和施工方法分为库底、斜坡,库底与斜坡之间呈圆弧过渡连接。其中库底由整平胶结层、(加厚层)防渗层、封闭层组成,采用普通沥青。斜坡主要由整平胶结层、(加厚层)防渗层、封闭层组成,采用改性沥青。圆弧段由整平胶结层、加厚层、防渗层、封闭层组成,采用改性沥青。库底与进出水口廊道采用沥青砂浆连接,全库防渗面积约 22.46万 m2。施工中,坡面和圆弧采用同种方式施工,坡面最长 85 m,坡比为 1∶2。

3.2 施工机械的选择

机械设备选择的原则:由于沥青混凝土施工对混合料拌和质量、施工温度要求比较高,施工中不但要保证混合料拌和质量的稳定性,还要保证施工的连续性。设备选择的原则为:

(1)混合料拌和设备。

混合料拌和设备称量系统要有一定的精确性和可靠性,设备应具备良好的稳定性,其生产能力必须满足沥青混凝土施工高峰的强度要求。经性能比较后,选用辽阳筑机 3000型沥青混凝土搅拌设备,从而满足了工程进度及质量需要。

(2)运输设备。

沥青混凝土运输设备根据其摊铺强度、运输能力及运距确定运输设备型号及数量。运输设备须具有保温性能,以防止混合料在运输过程中的热量散失,且应操作方便、易于装卸;斜坡施工时,具有转运功能及斜坡运输能力,设备外形尺寸需适应施工现场环境。

为此,采用改造后的自卸汽车作为沥青混凝土运输设备。斜坡施工由自卸汽车配合主绞车架和运料小车完成沥青混凝土运输。

(3)摊铺设备。

根据工程施工特点,要求摊铺机应具有良好的可操控性,易于维护,且生产能力与拌和设备能力相匹配。

西龙池工程库底为 300 m×300 m的近似平面结构(最大坡比小于 3%),采用经过改造的徐工集团 R P 951型路面摊铺机,其摊铺宽度可达 9.5 m。库坝斜坡最大坡长 85 m,坡比 1∶2,适宜采用牵引式摊铺机,最终选用经改造的、由德国A B G生产的 T I T A N326-2 V D T型路面摊铺机。

(4)碾压设备。

碾压设备的选择比较灵活,可以在满足沥青混凝土压实度的前提下灵活选取。西龙池工程采用上海酒井 S W330型振动碾用于库底碾压。斜坡碾压时仅对其进行适用性改造即可。

(5)辅助设备。

主绞车架是沥青混凝土斜坡施工中最为重要的设备,其主要功能是将沥青混合料从自卸汽车转运到斜坡运料小车内,同时为运料小车、摊铺机提供牵引力。在单元条幅施工完毕,再将摊铺机和运料小车移动至下一条幅施工部位。副绞车架主要为斜坡碾压机具提供牵引力。

类似于主副绞车架这类设备目前市场上并无专用设备可供选择,一般是根据工程具体情况研制。西龙池工程所用主副绞车架为自制。研究中,主要考虑了以下几点因素:①结构尺寸满足施工环境要求。②液压动力与需求相适应并相对独立。转运系统、运料小车牵引系统、斜坡摊铺机牵引系统均可独立同时运作,以保证施工的连续性。③具备行走能力和运送能力,摊铺条幅施工完毕,可将摊铺机、运料小车等设备转运至下一施工条幅。④操作简便、具有较高的安全系数。

3.3 摊铺方案的确定

3.3.1 摊铺顺序

摊铺顺序采用自内向外,自低向高进行。为防止沥青混凝土表面受到破坏,防渗层面板施工完毕,禁止车辆行驶,以保证摊铺机摊铺出的沥青混凝土具有较高的密实度,易于控制摊铺层厚。

3.3.2 施工条幅的确定

(1)在沥青混凝土面板施工中,施工条幅接缝始终是沥青混凝土面板的薄弱环节,施工条幅的划分应充分考虑减少接缝且接缝易于施工的划分方法。条幅形状要尽量规则,易于机械作业,减少人工摊铺。同时,上下层接缝要错开 1 m以上。在整体布置条幅划分方案时,还要考虑摊铺施工进度,条幅的宽、长度要与机械设备能力相配套,避免在条幅间出现施工横缝。

(2)西龙池库底摊铺条幅均宽 6.4 m,其是根据拌和楼生产能力、运输能力、碾压机械能力等综合考虑的。斜坡摊铺宽 4.25 m(斜坡曲面除外),是由摊铺机摊铺速度、斜坡运料能力确定的。

其中斜坡段与圆弧段做为一个条幅进行施工,在条幅划分上减少了横封。摊铺均可以采取机械施工,从而减少了人工摊铺施工范围,加快了摊铺速度,保证了施工质量;圆弧段采用梯形条幅划分方式,有利于接缝处理,从而保证了施工过程中接缝的加热效果。

4 摊铺施工

4.1 沥青混合料温度控制

沥青混凝土的力学特性对温度变化十分敏感。沥青混凝土的施工工艺是利用沥青混凝土在不同温度下不同的力学特征、对各个温度阶段采取一定的施工方法来完成沥青混凝土施工的。

4.1.1 沥青混合料温度控制标准

沥青混凝土在拌和、运输、摊铺、碾压几个阶段,对温度的要求均有严格的规定,西龙池上水库沥青混凝土施工过程中对温度控制的要求见表 1。

表 1 沥青混凝土摊铺、碾压施工温度控制标准表

4.1.2 沥青混合料温度控制

(1)在沥青混凝土施工过程中,温度控制至关重要。因此,在施工方案设计和机械配置选择方面须考虑沥青混凝土从拌制、运输、摊铺、碾压各个阶段的温度应满足施工工艺要求。在实际施工中,需要着重控制沥青混合料从拌制到复碾完毕的温度控制。

(2)西龙池上水库库底沥青混凝土防渗面板在正常施工情况下,从混合料拌制到摊铺完毕,仅需 30 m in左右。初、复碾施工时间与外界气温有关,当摊铺好的沥青混凝土降温至工艺要求温度后即可进行初、副碾碾压施工。

(3)斜坡摊铺施工时段为 2 h,即正常情况下,沥青混合料从拌制到完成复碾需在 2 h之内完成。由于斜坡施工各个环节均相关联,施工需要各个设备之间相互协作,任何一种设备出现故障均会造成摊铺施工中断。因此,施工中保持机械设备的正常运行以及对沥青混凝土混合料保温非常重要。

(4)西龙池水库采用普通 20 t自卸汽车进行沥青混合料运输。选用这一方案时作了 3个方面准备:

①在拌和楼安装了储存料斗,用于施工中断时沥青混合料的储存保温。

②保持多个工作面同时作业,当某一作业面施工中断时,混合料可转移至其他作业面。

③对自卸汽车的保温时间进行了统计验证,详见表 2。

表 2 西龙池水库自卸汽车可保温时间统计表

(5)已摊铺沥青混合料温度控制:沥青混合料经过摊铺后,温度下降较快,一般情况 30 m i n左右降至初碾温度,60 m i n左右降至复碾温度。如遇大风天气,温度下降速度会更快。施工中应不停的对温度进行检测,以便进行碾压施工。如果机械出现故障造成施工中断,应立即对已摊铺的沥青混合料进行碾压施工。西龙池上水库施工中比较常见的机械故障是主绞车架和摊铺机故障。应对方法:利用斜坡碾压机自带的卷扬机为碾压机自身提供牵引力并进行斜坡碾压。

4.1.3 施工温度控制要点

(1)沥青混凝土降温过程中的测温是在摊铺条幅两侧进行的。由于散热速度不同,边缘温度一般比条幅中间的温度低 3℃～5℃。

(2)测温所用工具一般为电子温度计。在使用前,应进行温度校检,并在读数稳定后方能读数。

(3)已拌制的沥青混合料的温度是在一定范围内波动的,每一罐的温度都会有一定的差异,运输过程中温度损失也不同,测温时,应对同一部位进行两次以上的温度测量,依照 20～30 m为一个单元进行温度控制。

4.2 摊铺施工

摊铺是沥青混凝土施工中重要的一道施工工序,其施工质量的好坏影响着沥青混凝土的密实度、表面平整度、厚度和接缝施工质量等指标。在摊铺施工中,要求经过摊铺机摊铺出的沥青混凝土的密实度达到最终密实度的 90%,摊铺机摊铺行走过程中,要尽量保持速度稳定。摊铺施工时应注意:

(1)严格依照试验确定的摊铺速度进行摊铺。使用摊铺机振捣装置对所摊铺的沥青混凝土进行了预振。摊铺机速度确定后,预振的频率随之确定,摊铺出的沥青混凝土密实度相对均匀。

(2)摊铺机在进行摊铺作业的同时,需要对上一条幅边缘进行加热,固定行走速度,这样操作有助于红外加热器对接缝进行均匀加热。

(3)保持摊铺机行走平直。接缝加热系统是固定在摊铺机上的,其加热范围是根据摊铺机正常行走速度确定的,行走方向的偏移会造成加热部位偏移,从而影响接缝加热的效果。

(4)厚度控制:在摊铺过程中,必须设置熟练的操作人员对摊铺厚度进行控制,这对摊铺质量及施工成本非常重要。

4.3 碾压方式与碾压时机

(1)沥青混凝土的各项技术指标与混凝土的碾压效果密切相关。选择碾压方式和碾压时机非常重要,表 3为西龙池上水库沥青混凝土碾压的施工参数。

表 3 沥青混凝土碾压次数和碾压重迭宽度表

(2)初 碾:初碾是对摊铺条幅进行预碾。刚摊铺的沥青混凝土表面有些松散,为防止沥青混凝土表面局部在复碾前冷却,需要进行初碾。初碾可以使混凝土表面缝隙封闭,与内部结合紧密,一方面使沥青混凝土在散热过程中可以均匀散热,同时可以使沥青混凝土表面缝隙收缩,防止在复碾时因碾压机产生的水渗入沥青混凝土内部而形成表面气泡。初碾时机的选择,温度不能过高。特别是在坡面施工时,较高温度的沥青混合料骨料之间尚没有形成粘结力,若此时进行初碾,极易破坏摊铺条幅的外部形状。

(3)复 碾:复碾是沥青混合料形成最终技术指标的一道重要工序。施工时,既要严格控制碾压遍数、碾压机行走速度,也要注意碾压重叠宽度,杜绝漏碾,更不应“过碾”。过碾一般会出现沥青混凝土表面返油现象,对沥青混凝土力学结构不利。另外,在碾压时应注意控制碾压温度,过高的碾压温度会使沥青混凝土表面形成横向裂缝及裂纹。温度过低,则难以达到沥青混凝土要求的密实度。

4.4 接缝施工工艺

完成摊铺的沥青混凝土的最薄弱环节是施工缝。施工接缝的质量好坏直接影响防渗效果。接缝施工中,需注意加热效果和碾压时机。接缝取样若不合格,处理比较困难。因为一般的处理方法是用红外加热器对接缝处表面进行加热,直至接缝处深 7 c m处的温度大于 75℃,然后立即对接缝处进行碾压。而加热到这样的温度,大致需要 5 m i n左右的时间,加热过程中,易使沥青混凝土表面温度过高而造成其老化等。

保证接缝施工质量应做好以下几点:

(1)尽量安排连续施工。库底施工应将两个工作面布置在相邻条幅上,前后错开不间断施工,热缝处理相对简单,质量易于保证。

(2)使摊铺条幅尽量平直可保证接缝加热时的效果。保持摊铺机行走速度稳定是保证接缝加热效果的重要方面。

(3)保持接缝边缘形状不受破坏。标准的接缝边缘形状应该是 45°斜面。在上一条幅碾压中,如果不注意碾压机行走路线,碾压机行走过于靠近摊铺条幅边缘,易使沥青混凝土摊铺条幅边缘变形。条幅边缘形状破坏后,对碾压的受力方式和加热效果均有影响,从而影响接缝施工质量。

(4)及时进行碾压:在摊铺机末端接缝处设置振动夯,可以使接缝处在摊铺完毕即可进行碾压。在具备碾压条件时要用碾压机对接缝进行碾压。

5 施工组织

(1)西龙池上水库沥青混凝土面板施工原计划施工工期为 7个月,均为白班作业。后根据沥青混凝土施工特点调整为三班作业,从 2006年 6月至 10月施工基本结束,工程顺利完工。

(2)对沥青混凝土厚度进行控制。以西龙池工程为例,整平胶结层和防渗层沥青混凝土设计厚度均为 10 c m,正负误差 5 m m,每减少 1 m m沥青混凝土摊铺厚度,将影响材料用量 1%。摊铺厚度控制至关重要,施工中必须保持摊铺机按照试验规定的行走速度行走,将摊铺厚度控制在设计允许的范围内。

6 常见缺陷及处理

沥青混凝土施工中,质量缺陷主要有两类,一是沥青混凝土表面裂缝;二是沥青混凝土密度、渗透等力学指标不能满足要求。

6.1 表面裂缝的形成和处理

裂纹、裂缝产生的原因主要有以下几方面:(1)混合料质量不合格或施工工艺偏差。

沥青混合料在拌制过程中,由于矿料含水率变化,致使其加热不够,沥青与矿料之间粘聚力变小;沥青配合比产生误差(如称量系统故障);施工停顿造成长时间未进行碾压或碾压时混合料温度偏低。这一类裂缝出现时,会伴随出现密度、渗透等指标不能满足要求。此类裂缝需要对沥青混凝土进行铲除后返工处理。

(2)温度裂缝。

由于暴雨等气候突变造成沥青混凝土内部产生温度应力,从而在表面形成温度裂缝。这类裂缝一般很轻微。经检测,沥青混凝土各项技术指标均满足技术要求。对于这类裂缝,一般利用沥青混凝土自愈合特点,对其表面进行碾压处理。

6.2 力学指标不合格

西龙池工程采用核子密度仪对沥青混凝土密度进行检测。当发现其密度不能满足要求时即进行取样检测,并对结果进行分析,如各项技术指标接近设计指标,则采取重新碾压的方法进行处理。对于防渗层混凝土,在室外 30℃气温的照射下,其温度将接近终碾温度,此时进行重新碾压,一般可以达到设计指标。对于与设计指标相差较大或经过碾压处理仍不能满足要求的沥青混凝土,需要确定其范围,并对其进行挖除处理或在其表面补铺沥青混凝土,厚度一般为 5 c m。

6.3 沥青混凝土表面返油

在防渗层和加厚层施工过程中,沥青混凝土表面可能产生返油现象。具体表现为碾压表面光滑,有明显的沥青胶浆,厚度可达 0.5 c m,一般称作“过碾返油”。根据分析得知产生这种现象的原因主要有:(1)沥青混凝土过碾。(2)碾压温度过高,骨料颗粒间摩擦力较小,造成重颗粒下沉,轻物质上浮,形成表面返油。在施工过程中,应该严格控制施工工艺,避免出现过碾返油现象。如果出现返油现象,需要对该部位进行检测,对于不能达到技术指标者需进行返工处理。

6.4 沥青混凝土表面气泡

沥青混凝土表面气泡产生的原因有以下两个:

(1)碾压机在碾压时,一般用水做为脱离剂,在碾压过程中,水有可能进入到沥青混凝土内部,随着水的蒸发会在沥青混凝土表面产生气泡。

(2)由于矿粉、粗细骨料等沥青混凝土原材料在生产、运输、储藏等环节中极易吸收空气中的水分,导致原材料含水量不均匀,骨料加热不够等,也会在沥青混凝土表面产生气泡现象。

对气泡问题的处理方法是:(1)适当提高矿粉和粗细骨料的加热温度;(2)延长粗细骨料和矿粉的热拌时间;(3)在现场将气泡及时捅破,并重复碾压。

7 结 语

沥青混凝土施工工艺目前尚处于探索阶段,文中所述是笔者对山西西龙池上水库沥青混凝土的施工方法和施工中出现问题的应对措施进行的初步总结,供同行参考。