四级配碾压混凝土试验方法及施工质量控制

郭少臣+林育强

【摘要】针对四级配碾压混凝土的性能特点，为消除尺寸效应、大骨料筛除等对性能研究的不利影响，研发了试验设备及装置，提出了四级配、三级配碾压混凝土同步浇筑上升的施工工艺参数和质量控制关键技术措施，为四级配碾压混凝土筑坝技术的推广应用提供了技术依据。

【关键词】沙沱水电站；四级配碾压混凝土；试验方法；质量控制

1. 概述

（1）碾压混凝土筑坝技术是世界筑坝史上的一次重大技术创新。碾压混凝土筑坝技术以其施工速度快、工期短、投资省、质量安全可靠、机械化程度高、施工简单、适应性强、绿色环保等优势，建坝周期比同类的常态混凝土坝缩短工期1/3以上[1]，因此备受世界坝工界青睐。

图1振动成型器示意图（2）传统碾压混凝土拌和物干硬，黏聚性较差，施工过程中粗骨料易发生分离，所以一般都限制碾压混凝土坝均采用二、三级配骨料，最大粒径为40～80mm，且适当减少最大粒径及粗骨料所占的比例[2]。如采用四级配骨料，最大粒径120～150mm，可显著减少胶凝材料用量、降低水化热、提高混凝土抗裂性能、增加混凝土浇筑层厚，从而进一步降低成本、简化温控、提高施工速度、减少层面，充分发挥碾压混凝土的技术经济优势。但四级配碾压混凝土筑坝技术，有诸多问题需探索研究并解决，如试验方法、试验装置、施工工艺及运输过程中骨料分离控制及碾压层厚增加带来的现有碾压机械适用性等问题[3，4]。

（3）本文介绍了四级配碾压混凝土试验方法、性能特点，并结合工艺性试验及该技术在沙沱水电站大坝的实际施工应用情况，阐述了四级配碾压混凝土在质量控制方面的关键技术措施，为该技术在类似工程的推广应用提供技术依据。

2. 四级配碾压混凝土试验装置及方法

图2全级配碾压混凝土抗剪特性试验系统图3全级配混凝土徐变试验系统2.1试验装置研发。 研发了试验设备及装置，形成整套四级配碾压混凝土试验系统。

（1）全级配碾压混凝土振动成型器。研发了全级配碾压混凝土振动成型器成型，振动器频率50±3 Hz，振幅3±0.2mm，附有可拆卸的试模压板和压重块，压板形状与试件表面形状一致，其边长或直径比试件尺寸约小5mm。将压重块的质量调整至碾压混凝土试件表面压强为4.9kPa。全级配碾压混凝土振动成型器示意图见图1。

（2）CW-5000型电液-伺服自动反力加荷徐变试验系统。研发了用于全级配混凝土徐变试验的CW-5000型电液-伺服自动反力加荷徐变试验系统。该系统由电液伺服-自动反力联合加载、数据自动采集的高精度、荷载稳定的徐变试验测试装置组成。具备以下特点：试件上部采用弹簧实现反力加载，底部采用5000KN电液伺服系统加载，通过控制系统实现联合加载，并保持荷载稳定；控制系统可根据设定值自动调整荷载，保障荷载的精度和准确性；具有安全保护系统，试验结果自动采集。全级配碾压混凝土抗剪特性试验系统见图2，全级配混凝土徐变试验系统见图3。

全级配混凝土芯样抗拉装置。针对传统芯样抗拉装置拉板容易脱落、试件粘接及剥落耗时耗力，尤其是全级配芯样尺寸较大、不易操作等不足，研发了一种新型芯样抗拉试验装置，极大地简化了抗拉试件与拉板粘接、拔落、破碎试件与拉板剥离等制备和处理过程，显著提高了工作效率，避免拉板与试件表面不垂直、拉杆与试件中心不对中等不利因素对试验结果的影响，具有简便、省时、高效、安全、经济、节能、环保等特点，并申报了国家发明专利。

2.2试验方法。

（1）为了消除试件尺寸的影响，三级配、四级配碾压混凝土及三级配变态混凝土均采用相同的形状与尺寸进行热学、力学、变形、耐久等全级配性能试验，即不筛除特大石、大石。

（2）在全级配碾压混凝土成型时，将混凝土拌和物分层浇注在试模内，浇注层厚度不超过300mm，全级配混凝土抗压强度、劈拉强度、轴心抗拉强度、绝热温升、抗渗、抗冻试件采用两次装料成型，轴心抗压弹模、自生体积变形、热学性能、徐变试件分三次装料成型。按每100cm2插捣12次进行插捣，插捣上层时捣棒应插入下层10mm～20mm，将拌和物表面整平后，将装有压板的振动成型器垂直置于拌和物表面进行振动成型，振动时间以浇注层表面均匀泛浆为准。当下层振动完毕后，装入上层拌和物，重复上述步骤至成型完毕。

（3）全级配混凝土拌和成型的同时，成型湿筛混凝土小试件，与全级配试件陪伴进行养护、观测。为了消除试件尺寸的影响，三级配、四级配碾压混凝土均采用相同的形状与尺寸进行热学、力学、变形、耐久等全级配性能试验，全级配混凝土拌和成型的同时，成型湿筛混凝土小试件。

2.3试件尺寸全级配碾压混凝土的试件尺寸见表1。

3. 四级配碾压混凝土的施工工艺及质量控制

3.1四级配碾压混凝土配合比。根据室内拌和物性能试验结果，四级配碾压混凝土用水量为71Kg/m3，砂率为30%，粗骨料组合为20：30：30：20（特大石：大石：中石：小石）时，混凝土拌和物VC值为1s～3s时，混凝土拌和物黏稠、大骨料裹浆情况较好。碾压混凝土配合比见表2。

3.2四级配碾压混凝土施工工艺。为了对上坝应用进行施工工艺和材料性能校核，在沙沱水电站引水渠拦渣坎设置试验块，进行了四级配碾压混凝土工艺性试验。四级配碾压混凝土施工采用三一集团生产的YZ20C型全液压单钢轮振动碾。根据碾压混凝土工艺性试验结果，不同区域的三级配碾压混凝土、四级配碾压混凝土可采取相同施工工艺参数、同步浇筑上升。层厚为0.4m、0.5m时四级配碾压混凝土施工工艺参数推荐值列于表3。

3.3四级配碾压混凝土施工质量控制关键措施。从现场施工情况来看，施工组织管理有序，拌和物性能基本满足施工要求，集中大骨料得到及时分散，碾压操作规范，压实度满足技术要求。根据四级配碾压混凝土拌和物性能特点和现场施工经验，施工质量控制主要从以下几方面入手：

（1）混凝土拌和物VC值控制。低温、阴天、小雨气候，VC值控制在3s～5s，尽量趋近3s；高温、大风时，VC值控制在1s～3s，并及时喷雾保湿；VC值不宜过小，否则易造成骨料包裹性差、分离严重、砂浆损失等问题。

（2）入仓方式。自卸车自拌合楼接料后直接入仓是最佳的入仓方式，其次可采用满管配合进行皮带机入仓。

（3）骨料分离改善措施。在VC值控制不佳、汽车接料时位置较偏时，骨料分离情况严重，人工很难充分分散集中的大骨料。可从以下几个角度着手：汽车接料时缓慢行走2～3遍，可降低料堆高度、减少大骨料滚落数目；卸料后，利用挖机分散料堆两侧集中的大骨料；平仓机从接近料堆底部推料并行走一定距离，可从立面、平面充分分散集中骨料，避免大骨料集中引起的骨料架空现象；人工配合分散挖机或平仓机的盲区。

（4）施工组织管理。与三级配碾压混凝土相比，在高温环境下四级配碾压混凝土VC值损失较快，施工过程中应根据环境条件进行VC值动态控制、骨料分离控制，并保证振动碾行走速度及碾压遍数、确保碾压质量。

综上，通过原材料质量控制、VC值动态控制、骨料分离综合处理、浇筑仓面面积动态控制等措施，可确保四级配碾压混凝土拌和物性能和碾压质量。

4. 四级配碾压混凝土筑坝技术施工应用

2011年3月，沙沱水电站在沙沱水电站左岸挡水坝段进行了第一仓四级配碾压混凝土浇筑，标志着四级配碾压混凝土筑坝技术正式上坝应用。沙沱水电站四级配碾压混凝土的应用情况如下：

（1）共在大坝左岸1#～4#坝段、右岸13#～16#坝段采用了四级配碾压混凝土筑坝技术，累计浇筑约18万m3。

（2）坝体内部采用C9015四级配碾压混凝土，上游面采用C9020三级配碾压混凝土及C9020三级配变态混凝土防渗，坝体下游侧50cm范围内采用C9015四级配变态混凝土。

（3）坝体施工采用了上游三级配、内部四级配碾压混凝土同步上升的方式，施工工艺参数为碾压层厚为0.5m，碾压遍数为无振2遍+有振碾压8遍+无振碾压2遍，激振力为395kN，振动碾行走速度控制在1.0～1.2km/h。

（4）2013年4月20日，工程下闸蓄水；在蓄水过程及3年多运行期间，大坝安全监测指标均在设计范围内，坝体运行状况良好。2016年5月最新监测数据表明：四级配坝段未监测到层间渗压异常，大坝处于稳定状态。

5. 结语

使用四级配碾压混凝土应用于大坝混凝土，可节约胶凝材料、简化温控措施，从而减少直接工程投资；同时随着浇筑层厚增加、施工速度和工程建设进度加快，使大坝早日竣工、提前发电，创造巨大的间接经济效益。此外，在节约水泥用量、减少骨料生产带来粉尘等方面带来的好处，将产生显著的生态环境效益，具有广阔的应用前景和推广价值。

参考文献

[1]田育功.碾压混凝土快速筑坝技术[M].中国水利水电出版社，2010.

[2]Meijuan Rao， Huaquan Yang， Yuqiang Lin， Influence of Maximum Aggregate Sizes on the Performance of RCC， Construction and Building Materials. 2016， 115：42～47.

[3]林育强，石妍，李家正，杨华全. 四级配碾压混凝土现场施工工艺试验研究[J]. 水力发电学报，2012，（5）.