运用插入式振捣法的RCC设计与施工要点

［德国］F．奥尔特加



运用插入式振捣法的RCC设计与施工要点

［德国］F．奥尔特加

摘要:RCC技术的最新发展，出现了插入式振捣碾压混凝土(IV－RCC)，即一种可以通过碾压或内部振捣方式进行捣实的混凝土。回顾了IV－RCC在混凝土坝设计与建造中的成功应用;对插入式振捣碾压混凝土设计与施工过程中的一些关键点作了介绍。

关键词:碾压混凝土设计;插入式振捣混凝土;混凝土施工

碾压混凝土(RCC)坝已成为应用最广泛的混凝土坝型，其施工已取代了常规振捣混凝土(CVC)坝。与CVC坝相比，建造RCC坝更经济，可节约造价30%以上。然而，在很多工程实例中并没有达到这个经济指标，或者筑坝的质量没有CVC坝好。

在过去的15 a中，RCC坝的设计与建造技术已经得到长足发展，混凝土现场填筑的质量和性能至少不比传统插入式振捣混凝土建坝差。RCC的连续层面结合技术和坝体上游面的防渗技术已得到了改进。不过，还应尽量简化施工工艺流程，而插入式振捣碾压混凝土技术能很好地解决这些问题。

1　背景

为确保坝面平整度及RCC与坝肩岩体的结合，许多早期RCC坝在坝面或岩体接触面均采用传统混凝土拌合料。在有些实例中，是采用CVC拌合料作为大坝上游坝面防渗体。

在过去的15 a中，CVC基本上被缩浆RCC所取代。当RCC在坝上铺开后，将专门生产的浆液运输到现场喷洒在RCC上，调整其稠度直到拌合料可以用插入式振捣器固结为止。该工序比传统的CVC施工工艺更为简单，且表面光洁度好，与岩体接触良好。与少灰RCC相比，缩浆RCC和易性相对较好(低维勃稠度)。然而在同一个工程中，由于各种原因掺浆量也明显不同，例如RCC拌合不均匀、填筑速度或效率、环境条件、振捣设备及施工工艺等。

缩浆RCC也用于大坝嵌入结构周围，有些嵌入结构是影响大坝性能的关键部位，比如大坝上游面相邻坝段间横缝的止水和排水系统。经验表明，如果不严格按照工序施工，这些部位很容易变成大坝防渗的薄弱环节。缩浆RCC连续层间的水平面粘结力不强也可导致通过止水的渗漏。

RCC拌合料的和易性与凝结时间得以优化，从而可切实提高RCC坝的现场浇筑质量，即将RCC稠度调和到与传统大体积硬稠混凝土相似。该项技术已写入《美国混凝土配合比规范》(ACI211．3－75，另见《无坍落度混凝土实施规程》1987/1992)的分类中。在该规范中，将混凝土稠度分为6个等级，从“极干”到“流动”。

在不添加任何额外浆液的情况下，南非德胡普坝(De Hoop)首次采用插入式振捣法进行RCC坝施工且取得了巨大成功。此后在其他项目中得到了应用。

2　IV－RCC拌合料的关键参数

IV－RCC是干硬性混凝土拌合料(塌落度为0)，其生产、运输和浇筑方式与RCC相同，既可以使用外部碾压也可以采取内插式振捣法固结。IV－RCC拌合料的特征参数是混凝土稠度和凝结时间。其稠度由改进的维勃稠度试验确定，凝结时间由混凝土拌合料的砂浆贯入阻力决定(ASTM C403)。

使用维勃稠度计测试IV－RCC的稠度，总荷载改为12．5 kg，测试值应该在8～12 s之间。稠度高于此值则拌合料不适宜用内部振捣法，而低于8 s则难以碾压，且表面清理也存在困难。与其他维勃稠度更高的拌合料相比，该稠度范围拌合料的和易性还明显具有其他重要优势。在过去30 a的探索过程中，RCC拌合料获得和易性(低维勃时间)，是因为在拌和、运输和浇筑过程中使混凝土骨料的离析最小化。

就凝结时间而言，IV－RCC的初凝时间应该比在整个坝块浇筑厚300 mm的RCC所需施工时间长。如果遵循该凝结时间，则在混凝土顶部还没有发生初凝时就可完成浇筑和固结。同样在传统大体积混凝土施工时，每次填筑混凝土层厚500 mm，每个坝段分层填筑逐步达到坝顶高度。但高效的RCC施工要求坝块的尺寸尽可能地大，理想状态是整个碾压混凝土坝应从一个坝肩到另一个坝肩作为一个坝段整体浇筑。这就意味着拌合料的实际初凝时间必须延长，在很多工程实例中，混凝土的初凝时间为20 h或更长，从而在留足安全余度避免处理层面缝的情况下，进行连续浇筑作业(每天24 h，每周7 d不停地作业)。

3　IV－RCC拌合料的设计

混凝土拌合料的设计，旨在获得现场实际浇筑所需的混凝土性能，与实验室测试不同，只有在现场条件下进行规模化浇筑才能真实地取得各浇筑层间结合强度、现场渗透性等方面的关键数据。因此现场经验与适合的施工程序对实验室开展RCC配合比设计的早期阶段非常重要。

IV－RCC已应用于多个工程项目，从最终质量和经济性角度考虑，混凝土拌合料的最优化主要取决于细骨料的技术参数和胶结材料(包括水泥及各种具有火山灰活性的矿渣混合料)的质量。

对过去使用的IV－RCC拌合料的研究表明，相对较低含水率可以获得较高和易性，这在平均水灰比为0．55的含粉煤灰混凝土中尤为显著。以西班牙恩西索(Enciso)大坝为例，IV－RCC中Ⅰ类水泥含量54 kg/ m3，粉煤灰含量126 kg/m3，用水量低至84 l/m3，平均维勃时间为9 s，这意味着水灰比低到0．47时RCC可以通过插入式振捣器固结。

按照特定级配和形状生产的细骨料与外加剂效果相结合，将会极大地减少高和易性IV－RCC拌合料的用水量。

由于这些拌合料的含水率相对较低，因此可以减少胶凝材料的用量，水泥用量可低到50 kg/m3，粉煤灰用量低到110 kg/m3。这些混凝土1 a龄期的柱状试样平均抗压强度超过30 MPa，直接抗拉强度接近2 MPa。随机采取芯样试验时，直接抗拉强度超过1．5 MPa，现场实测渗透系数低于10－10m/s。

实践表明，IV－RCC中浆液和浆体的体积应用范围广泛，浆液体积占15．2%～22．3%，浆体体积17．6%～25．7%。因此，可得出结论，决定RCC是否能采用插入式振捣方式固结的更关键的因素是细骨料的质量及合适的维勃稠度(维勃时间为8～12 s)，而不是预调高浆体体积。

4　使用IV－RCC应考虑的因素

IV－RCC的主要优势为混凝土块体的均匀性，混凝土的性质会随着时间在整个坝块中均匀发展。其他不同种类混凝土建造的RCC坝，其上游面非均质区会出现应力差，从而产生裂缝与渗漏，混凝土的均匀性可以有效地避免这些现象的发生。使用IVRCC可极大地减少不同材料间交界面的数量，保持建筑物具有稳定的均质性。

设计人员最感兴趣的是，IV－RCC坝可以将RCC坝可能会存在的沿浇筑层面发展的不连续面减少到最低程度。在先期浇筑但尚未初凝的混凝土顶部连续浇筑厚300 mm的混凝土层，会在垂直方向形成完整的结构，在这种情况下，连续浇筑层间理论接触面处的混凝土强度及渗透性与混凝土模型(浇筑层内)的数值相同。

在浇筑几层混凝土后，选择试验段开挖探坑，可以观察浇筑混凝土的均匀性。上下层混凝土中的浆体、粗细骨料都能有效地互相渗透，且混凝土中不会出现不连续面。

从钻孔岩芯上肉眼能观察到的裂缝，可能是由不连续浇筑产生的、需要处理的层面缝(如找平混凝土与第一层RCC的交界面)，如处理措施没有按要求完全实施，则沿层面缝的混凝土强度参数(凝聚力、内摩擦角和抗拉强度)可能比完整混凝土的弱。对已凝固混凝土表面浇灌横接缝，IV－RCC与传统的CVC没本质区别，基本上是水刷石饰面、表面全面清洗。

面临的重要挑战是大坝上游面横缝止水系统的设计，使用IV－RCC已经得到改善，如上所述，该部位是RCC坝最为关键的渗控点之一。有2个特殊的细节需要认真对待，设计方与施工方必须密切合作:①止水周边混凝土的性能必须与四周RCC的类似，避免它们之间的接触面结合不良，或层间结合力不足;②施工过程中，将止水、排水和裂缝引导器放置到位的固定系统在混凝土浇筑时不能移动。

图1所示为止水系统布置，该布置方案对先前的设计方案作了极大的改进，保证大坝关键部位的水密性。外部框架固定在上游模板斜撑上，支撑着固定并引导止水、脱粘片和排水的临时设施。重要的是，这些部件没必要埋入混凝土中，因而避免了在振捣过程中的移位，还可防止潜在弱面的产生和裂缝的发展。

图1　上游面横缝末端止水系统埋设示意

5　IV－RCC施工工艺

过去对常规混凝土坝中广泛应用的大体积CVC使用插入式振捣器振捣，尽管IV－RCC稠度等级为干硬，但仍可使用该方法。因此，可以使用同样规格的振捣设备，但在主坝施工前需改良浇筑工艺。安装在小型液压挖掘机机械臂上的一系列振捣器是传统施工中常用的。使用便捷式振捣棒对整个大坝混凝土进行系统性振捣固结不现实，然而在施工机械难以作业的狭窄部位(如止水周边)，人工振捣器可以满足IV－RCC充分固结的要求。

和易性好的混凝土，至少需要直径为76 mm的高频振捣器(＞12 000 r/min)，该型号的振捣器可以保证人工振捣的效果。直径为100～150 mm的较大液压振动设备，通常是安装在液压挖掘机上。

在将混凝土倾倒和摊铺后，针对模板、岩石坝肩或先前浇筑的混凝土块，对IV－RCC按照线状振捣作业。插入式振捣器的振捣宽度取决于所振捣的部位，模板的振捣宽度为400～500 mm，纵缝面附近可增加到1 500 mm;而在相对平缓的坝肩斜坡某些区域，宽度可达3 000 mm或更宽。

连续浇筑厚300 mm的IV－RCC的振捣固结，振捣器插入的最小深度至少达500 mm。该施工工序是保证新老浇筑层紧密结合的关键，以便在下层混凝土初凝前促使2层混凝土间的相互渗透，并消除两层间的物理缝。

边缘的IV－RCC内部振捣后，立即采用相对较轻的单鼓振捣碾(静态重量8～10 t)固结相邻的RCC。使用和易性高的混凝土能使RCC在碾压遍数较少(通常为4～6遍)的情况下达到现场最大密度(超过理论上无空气混凝土密度的99%)。碾压面富浆表明混凝土已达到最佳密度，同时也说明已与下层混凝土结合良好。

为保证表面平整度和整个混凝土固结，重要的是尽量减少混凝土浇筑时间，从拌制到振捣结束的时间应控制在45 min～2 h，取决于环境条件，该时间随着白天浇筑和夜晚浇筑而变化，除了混凝土配合比，其他如气温、风速、运输方式等因素，可能会对混凝土和易性的损失率有较大影响。混凝土和易性水平与良好的作业计划相结合，可以简化施工程序，使台阶式工作面顶部达到良好的外观质量。

插入式振捣结束后，立即使用振动式整平板对台阶面找平。

6　结语

高和易性、超缓凝的RCC正朝着IV－RCC方向优化。IV－RCC不仅可通过碾压还可通过插入式振捣固结，其关键特性是具有细骨料的质量、控制稠度在8～12 s维勃时间之间，以及还具有有利的缓凝剂和减水剂。与想像相反，IV－RCC并不意味着高含水量或高浆体量。

IV－RCC简化了混凝土坝的设计和施工工艺，在整个大坝可通仓浇筑同样的混凝土，并且避免使用砂浆垫层，缩浆或者掺入添加剂是建造RCC坝最简单有效的方法。此外，IV－RCC现场检测结果表明，RCC坝常见的几个关键问题(如层面缝的粘结强度和抗渗性)已得到成功破解。随着这种新概念混凝土的应用，大坝的层面和潜在不连续面已经被根除。

在实际浇筑时，需事先准备和检测特定的施工工艺和设备，适用的振捣工具与CVC坝通常使用的相同。此外，未来建造IV－RCC坝必须透彻掌握大体积混凝土2种不同的固结方法，同时还必须具有相应丰富的施工经验。

(周荣马贵生编译)

收稿日期:2015-04-23

文章编号:1006-0081(2015) 07-0013-03

中图法分类号:TV53．6

文献标志码:A