沥青混凝土心墙连续多层碾压施工与质量控制

2023-12-15陈朋朋梅华李志华王军何建新

科学技术与工程 2023年33期

陈朋朋, 梅华, 李志华, 王军, 何建新*

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院, 乌鲁木齐 830052; 2.新疆生产建设兵团第九师水文水资源管理中心, 塔城 834601; 3.新疆绿翔建设工程集团有限责任公司, 塔城 834601)

沥青混凝土心墙是沿坝轴线不分段通仓摊铺碾压施工的,在心墙中不可避免形成较多不连续的结合层面[1]。新疆地处欧亚大陆腹地,“冷、热、风、干”等环境因素严重影响了工程建设进度[2-3]。尤其在夏季高温季节沥青混凝土连续多层铺筑时,基层沥青混凝土降温缓慢,即便将初碾温度控制在130～145 ℃,终碾完成后温度约120 ℃,要达到规范要求结合面温度的上限值90 ℃仍需较长时间,才能进行上一层沥青混合料的摊铺,造成心墙沥青混凝土的施工中断,在坝轴线很短的狭窄河谷中,这种施工不连续更突出。国内对高温环境下沥青混凝土心墙施工技术研究较少,《水工沥青混凝土试验规程》(DL/T5362—2018)[4]仅根据两个工程进行了总结,四川金平水电站(坝高91.5 m)结合面温度在91～93 ℃进行连续碾压,至今坝体运行良好。四川冶勒沥青混凝土心墙坝(坝高124.5 m)进行了连续施工工艺研究,发现基层沥青混凝土温度在70 ℃和90 ℃时的孔隙率均小于3%。张林艳等[5]针对环氧沥青混合料的施工质量控制方法,分别对于人机配置、施工组织、工艺过程等角度进行了总结。开鑫等[6]、刘亮等[7]通过室内试验模拟心墙连续两层铺筑的工况,分别研究结合面温度为90、100、110 ℃时上层沥青混凝土的压实性和心墙变形情况,结果表明:当基层温度升高至100 ℃时可以保证施工质量。蔡骞[8]进行了不同层面温度下室内模拟现场心墙施工及小梁弯曲试验,论证了向心墙层面洒水降温的工程措施不会影响层间结合质量,并加快了施工进度。甘亚军等[9]论述了设定温度上限、保温、采用大摊铺层厚和增大接头预留面积等措施降低了高寒、大风沙等恶劣环境对施工的影响,保证了施工进度。刘成虎等[10]通过现场无损检测和芯样法分析了卡洛特大坝心墙的施工质量及体形控制,得出心墙的体形不仅受过度料的影响,与环境温度也有关。张栋[11]在南方多雨地区通过严格把控原材料、施工过程、夜间及雨季施工质量控制措施,实现了每日三层的施工记录,且工程质量达到优良等级。前人对于心墙连续施工技术与质量控制的研究鲜有提及,尤其是高温环境下如何保证碾压效果与心墙质量。因此,有必要进行沥青混凝土心墙的多层摊铺碾压施工技术的研究,分析连续摊铺碾压效果及心墙侧胀变形规律。在不影响施工质量的前提下,提出将基层温度的上限值适当提高,以缩短心墙施工等待时间,实现沥青混凝心墙土全天候连续多层摊铺碾压施工。

现结合兵团第九师新疆乔拉布拉水库沥青混凝土心墙施工现场,通过控制不同基层沥青混凝土温度的方法,进行心墙连续摊铺碾压现场试验。采用无核密度法和芯样法测定沥青混凝土密实度,分析碾压层侧向变形量规律,研究控制心墙多层摊铺碾压施工的关键要素,提出连续多层摊铺碾压施工的质量控制措施,以期为缩短施工周期提供技术指导。

1 工程概况及试验方法

1.1 工程概况

乔拉布拉水库是一座拦河式水库,它位于乔拉布拉河出山口上游1.6 km处,距乔拉布拉河渠上游500 m左右。水库库容450万m3,主要由大坝、放水隧洞、溢洪道等主要建筑物组成。挡水建筑物为沥青混凝土心墙砂砾石坝,最大坝高81.5 m,坝顶长275.0 m。

1.2 试验原材料及配合比

试验选用的沥青为中国石油克拉玛依石化公司生产的90号(A)道路石油沥青,骨料选择天然砂砾石破碎,粗骨料分为9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm共3种粒级,细骨料为0.075～2.36 mm的人工砂,为增强骨料与沥青黏附性和沥青混凝土水稳定性,填料选择新疆额敏屯鑫建材有限公司生产的P.O42.5普通水泥。沥青混凝土配合比应通过室内试验和现场摊铺试验进行选择[12],最终确定的沥青混凝土基础配合比设计参数为:级配指数0.36、填料用量11%、沥青用量6.6%。现场根据沥青拌和楼的二次筛分的热骨料级配情况,对基础配合比(质量百分比)进行调整后确定出施工配合比如表1所示。

表1 沥青混凝土配合比Table 1 Mix proportion of asphalt concrete

1.3 试验方案

根据表1所示的施工配合比,沥青混合料采用机械摊铺,心墙摊铺宽度为90 cm,摊铺厚度为30 cm,施工中沥青混凝土初碾温度控制在130～140 ℃,终碾温度120 ℃,碾压流程采用了3 t压路机静碾2遍+动碾10遍+静碾2遍[13],心墙碾压后层面返油情况如图1所示。每层摊铺碾压完成大约需2.5 h,待沥青混凝土基层温度下降至规定温度后,陆续进行第二层、第三层的摊铺,完成一日连续摊铺碾压三层的施工。采用PQI-301型无核密度仪对碾压后的每层沥青混凝土进行无核密度检测如图2所示,并对第三层沥青混凝土钻芯取样,进行密度和马歇尔试验。

图2 现场无核密度仪检测密度Fig.2 Density detection by on-site non-nuclear density meter

每层沥青混合料碾压后高度约24 cm,沥青心墙表面宽度为100～110 cm,待心墙温度降低至50 ℃时,在坝段上选择3个代表断面,由于上游侧水位的影响,仅将心墙下游侧过渡料挖开三层,把心墙侧面过渡料清理干净,并进行连续摊铺碾压心墙侧胀变形的测量。以连续摊铺碾压三层的顶面宽度为参照,引一铅垂线。在3个断面分别以3 cm高度从顶面至底面依次量测宽度,每个碾压层取9个测点如图3所示。

图3 心墙下游侧胀量测量Fig.3 Measurement of lateral expansion downstream of core wall

2 试验结果分析

第36层碾压施工完成后,等待心墙降温时间约2 h,待沥青混凝土基层温度下降至(100±5)℃时,陆续进行第37层、第38层的摊铺碾压。第36～38层沥青混凝土无核密度检测结果和孔隙率如图4和图5所示。每层选取11个测点。第38层芯样的密度、马歇尔稳定度和流值如表2所示。

图4 第36～38层沥青混凝土密度Fig.4 Asphalt concrete density of layers from the 36th to the 38th

图5 第36～38层沥青混凝土孔隙率Fig.5 Porosity of asphalt concrete of layers from the 36th to the 38th

表2 第38层沥青混凝土芯样检测结果Table 2 Test results of asphalt concrete core samples of the 38th layer

由无损检测结果可以看出,由于连续摊铺碾压层间等待时间相对较短,部分坝段基层沥青混凝土温度超过了100 ℃,影响了第37层、第38层的碾压密实度,虽然孔隙率满足了施工规范小于3%的要求,但在此基层温度下碾压的上层沥青混凝土孔隙率相对较大,心墙防渗安全储备降低。从第38层的钻芯取样的密度检测结果也可以看到同样规律,现场碾压芯样的平均密度较实验室击实密度低了0.02 g/cm3。基层温度高于100 ℃将影响上层沥青混合料的压实效果,还需要继续延长沥青混凝土施工的层间等待时间,以保证基层沥青混凝土有效降温和骨架结构的形成。

对第39～41层连续摊铺碾压的基层控制温度进行了调整,施工中沥青混凝土初碾温度仍然控制在130～140 ℃,终碾温度120 ℃,第39层施工完成后,要求施工等待时间延长至4 h,现场实测环境温度为25～28 ℃,沥青混凝土表面降温速度为5～6 ℃/h,待基层沥青混凝土温度下降至(95±5)℃时,陆续进行第40层、第41层的摊铺碾压。第39～41层沥青混凝土无核密度检测结果和孔隙率如图6和图7所示,每层选11个测点。待心墙温度降至50 ℃以下时,对第41层进行钻取芯样,表3为10组芯样的密度和马歇尔稳定度、流值的检测结果。

图6 第39～41层沥青混凝土密度Fig.6 Asphalt concrete density of layers from the 39th to the 41th

图7 第39～41层沥青混凝土孔隙率Fig.7 Porosity of asphalt concrete of layers from the 39th to the 41th

表3 第41层沥青混凝土芯样检测结果Table 3 Test results of asphalt concrete core samples of the 41th layer

由于各摊铺碾压层施工等待时间的延长,基层沥青混凝土温度降到了100 ℃以下,各碾压层的孔隙率相对较小,沥青混凝土碾压质量较好。从第41层钻芯取样的密度检测结果也可以看出同样的规律,现场碾压芯样的平均密度与实验室击实的密度相当。控制沥青混凝土基层温度在100 ℃以下时,上层沥青混合料可有效压实,孔隙率易控制在2%以内。此时,沥青混凝土马歇尔稳定度与流值均较大,也表现出较好的物理性能。

从表4可以看出,沥青混凝土心墙连续摊铺碾压表现出一定的侧胀变形,形成所谓的“松塔效应”。最大侧胀量均发生在碾压层表面,第39～41层的最大侧胀率依次为20.4%、21.9%和12.8%,每层向下均逐渐减小,至15 cm后侧胀已不明显。第39层、第40层侧胀率相当,连续摊铺碾压施工的沥青混凝土侧胀量并无明显增大现象。第41层侧胀率相对较小,下层沥青混凝土在上层碾压过程中出现二次侧胀。通过和吐鲁番大河沿水库碾压试验段的测量结果进行对比,基层沥青混凝土温度控制在90 ℃,连续两层摊铺碾压后,上层沥青混凝土最大侧胀率为24.8%,下层沥青混凝土最大侧胀率为27.6%。从两个工程的试验结果上来看基本规律是吻合的。

表4 第39～41层沥青混凝土心墙下游侧胀情况Table 4 Downstream lateral expansion of asphalt concrete core wall of layers from the 39th to the 41th

沥青混凝土要实现一日多层摊铺碾压施工,关键是要控制好基层沥青混凝土的温度。试验结果均表明,沥青混凝土碾压过程中会出现“松塔效应”,基层沥青混凝土温度过高,上层沥青混合料碾压将进一步增大下层沥青混凝土的侧胀变形。结合乔拉布拉水库施工现场温度监测资料,如果将基层沥青混凝土温度控制在100 ℃以下,适当延长沥青混凝土连续摊铺碾压的施工等待时间,合理安排施工时段,每层施工时段7～8 h,完全可以实现一日三层的沥青混凝土快速施工。应该说明的是:为更好地解决高温环境下沥青混凝土心墙的连续施工问题,还应考虑其他施工控制措施。

3 施工控制措施

心墙沥青混凝土施工质量的控制是一项复杂的系统工程,应从原材料、沥青混合料和心墙施工各环节进行要求[14]。袁文艺等[15]认为落实三级质量检测机制有利于沥青混凝土心墙坝的高质量施工。这在一定程度上可以起到约束作用,但在特殊环境下难以保证沥青混凝土心墙的施工质量与效率。夏季高温环境给沥青混凝土一日多层摊铺碾压施工带来了困难,尤其是碾压后沥青混凝土温度要下降至规范规定90 ℃时,需要等待数小时,如何在保证施工质量的前提下缩短在高温时段的施工等待时间,是提高沥青混凝土心墙坝施工效率的关键。结合新疆吐鲁番地区阿拉沟水库、大河沿水库和乔拉布拉水库的施工,总结了夏季高温环境下沥青混凝土多层碾压施工的控制措施如下。

(1)适当降低骨料加热温度和沥青混合料的出机口温度。高温环境下沥青混凝土拌合时出机口温度宜取规范要求的较低值,最高不宜超过160 ℃。沥青混合料的出机口温度取决于骨料的加热温度,此环境下骨料最高加热温度不宜超过180 ℃。适当降低沥青混合料出机口温度目的在于保证心墙碾压密实的前提下,缩短高温环境下的施工的等待时间。

(2)适当提高结合面温度限制值。高温气候下碾压后沥青混凝土温度下降较为缓慢,若以沥青混凝土终碾温度120 ℃,环境气温30 ℃进行估算,心墙温度降至规范要求的温度90 ℃,至少需要5～6 h,将会影响心墙施工的连续性,造成设备和人员闲置。室内和现场试验均表明,若将下层沥青混凝土温度上限值适当提高至100 ℃,可保证上层沥青混合料碾压密实,且沥青心墙侧胀变形增加量不大。这可有效缩短沥青混凝土心墙每层施工的间隔时间2 h左右,提高了施工速度,减少了资源闲置。

(3)白天施工宜采取碾压后沥青混凝土快速散热的降温措施。白天施工为加快碾压后沥青混凝土的降温速度,除了控制沥青混合料温度取低限值外,施工中还可以采取一些降温措施。如新疆五一水库工程夏季施工中采用了过渡料洒水降低心墙温度的方法;阿拉沟水库夏季白天施工中采用心墙和过渡料施工高程高出两侧坝壳料3～5 m,中午用帆布进行遮阳,充分利用自然风降温的办法。施工过程中不得将冷却水直接喷洒到沥青心墙表面降温,将会影响沥青混凝土的层间结合。

(4)要做到心墙连续摊铺碾压,应考虑夜间不间断全天施工措施。中国西部高海拔山区由于昼夜温差大,夜间气温较低,夜间碾压完成的沥青混凝土表面降温速度快,应随时监测沥青混凝土结合面温度,环境温度较低时应做好棉被保温措施。待基层温度降到70～100 ℃时,及时铺筑上一层沥青混合料做到连续施工。通过适当照明措施,解决规范规定的夜间不能施工的局限性,实现夜间不间断施工,可大大提高沥青混凝土年施工有效时间,加快施工进度。夜间施工应注意现场照明,施工中应做到“晚间要比白天亮,作业层面无阴影”。施工中除在两坝肩安装大型镝灯外,还应在心墙上下游过渡料外侧每隔10 m设置一组移动碘钨灯,保证工作面无采光盲区。

(5)各级管理单位应加强施工组织管理,使各工序紧密衔接。沥青混凝土施工本身就是沥青心墙坝施工的难点和重点,保证其施工质量非常重要。沥青混合料应做到及时拌合、运输、摊铺,每车沥青混合料运输、摊铺全过程宜控制在30 min内完成,适时进行沥青混凝土的碾压,每层沥青混凝土施工循环7～8 h即可实现无间歇连续铺筑。同时,其他各参建单位也要紧密配合,通过提高检测频次的手段,加强施工质量检测工作,把好心墙的施工质量关,尤其应注意施工结合面的质量控制工作。