高溫環(huán)境下碾壓混凝土壩的施工技術(shù)

□易善亮（河南省水利水電工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)測監(jiān)督站）

□田學(xué)成（河南宏大水利工程有限公司）

□劉長垠(河南省水利宣傳中心)

20世紀(jì)60年代，世界各國開始碾壓混凝土的試驗研究，70年代開始應(yīng)用于臨時工程和修復(fù)工程，1979年我國開始碾壓混凝土筑壩技術(shù)探索、研究和試驗工作，1986年在福建坑口電站建成第一座碾壓混凝土壩，1993年建成當(dāng)時世界第一高的普定壩 (壩高75.0m)，1996年建成當(dāng)時世界第一的碾壓混凝土薄拱壩——溪柄壩(壩高63.5m)，2001年建成當(dāng)時世界第一高的碾壓混凝土雙曲薄拱壩——龍首壩(壩高80.0m)，2002年建成的四川沙牌三心重力拱壩壩高達(dá)到132.0m，2005年建成的招徠河雙曲薄拱壩壩高達(dá)到107.0m；世界最高的碾壓混凝土重力壩是我國的龍灘大壩，大壩終期高度216.5m。經(jīng)過30余年的開發(fā)和實踐，碾壓混凝土在大壩工程建設(shè)筑壩技術(shù)方面，取得了令人矚目的進(jìn)展和成就，積累了寶貴的經(jīng)驗，形成了一整套具有我國特點的筑壩技術(shù)。

一、碾壓混凝土壩的優(yōu)點及存在的問題

（一）碾壓混凝土壩的優(yōu)點

碾壓混凝土筑壩技術(shù)具有工藝簡單、上壩強(qiáng)度高、工期短、造價低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，已經(jīng)成為最有競爭力的壩型之一，在世界大壩建設(shè)中得到了大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用。一是可進(jìn)行流水化、大面積連續(xù)澆筑，提高混凝土的施工強(qiáng)度；二是可利用原有混凝土施工配套系統(tǒng)，提高系統(tǒng)利用率，最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的工作能力；三是可最大限度地使用機(jī)械，提高機(jī)械化程度，減輕勞動強(qiáng)度，減少勞動力，提高施工質(zhì)量；四是大量使用摻合料，節(jié)約水泥，降低成本；五是可縮短工期（1/2～1/3），提高投資收益。

（二）碾壓混凝土壩存在的問題

在推廣應(yīng)用碾壓混凝土壩技術(shù)及發(fā)展的道路上，還有不少問題有待深化認(rèn)識，并需進(jìn)一步提高建壩質(zhì)量和降低造價，有些問題尚需研究、改進(jìn)和提高。

1.高壩溫度控制問題

在高壩工程中，如何利用碾壓混凝土長齡期(如180d、360d)的抗壓強(qiáng)度極限拉伸、熱學(xué)、彈模等性能，特別是結(jié)合高壩體積大，壩體溫度下降緩慢，歷時達(dá)數(shù)十年，壩體的后期降溫實際上有很微小的應(yīng)力效應(yīng)，加以合理利用自重與外荷載、分析計算出更為合理的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，是項很值得探討、謀取共識的問題。

2.碾壓混凝土高拱壩提早并縫灌漿問題

由于碾壓混凝土大都是全壩面通倉澆筑，在混凝土澆筑過程中即已形成拱體，不像常態(tài)混凝土壩柱狀分塊、冷卻降溫后并縫成拱，工程建設(shè)者多期望早期投產(chǎn)，往往出現(xiàn)拱壩溫度場來不及降溫到穩(wěn)定溫度狀態(tài)時即行并縫灌漿、投產(chǎn)載荷，投產(chǎn)后，壩體溫度將延續(xù)下降。針對這一特點，有必要深入研究拱壩溫度場未降溫到位即行投產(chǎn)受荷后的應(yīng)力變化及其效應(yīng)。

3.中低碾壓混凝土壩工程的再優(yōu)化問題

在中低碾壓混凝土壩的設(shè)計強(qiáng)度指標(biāo)，實際已留有相當(dāng)余地，而在此基礎(chǔ)上，配制的混凝土又普遍大幅超強(qiáng)，兩者都存在很大潛力。值得設(shè)計上考慮調(diào)整壩的強(qiáng)度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并相應(yīng)采用更為合理的混凝土材料組分和配合比，將會明顯改變中低壩溫度的理念，進(jìn)一步提高碾壓混凝土壩的廣泛適應(yīng)性。

4.高壩采用后期強(qiáng)度合理利用問題

高碾壓混凝土壩實際建設(shè)和投產(chǎn)受荷的齡期至少在一年以上。目前多數(shù)高壩設(shè)計采用90d齡期。大量工程試驗成果表明，180d或更長齡期的碾壓混凝土，其物理力學(xué)性能有很大潛力，這種超潛能不加利用，是很大的浪費。工程設(shè)計中已有足夠安全裕度，存留這些潛能做高壩的意義不大。資料統(tǒng)計結(jié)果顯示，180d比90d齡期的碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度極限拉伸和抗拉強(qiáng)度都在1.08∶1～1.10∶1之間。對確定溫度控制指標(biāo)而言至少可獲得緩解2～3℃的效應(yīng)。

5.施工單位的素質(zhì)問題

工程建設(shè)中，大型工程從發(fā)標(biāo)、評標(biāo)到施工興建、工程管理大部分較正常。但一些中小型工程，特別是工程資金較緊的工程，有的承建單位片面追求低造價、爭項目，進(jìn)場施工時甚至主要設(shè)備不到位，技術(shù)人員配備不齊，有的工程僅有1～2個人搞過或見過碾壓混凝土工程，施工方案有明顯漏洞，隊伍素質(zhì)弱，施工中出現(xiàn)不少質(zhì)量問題。這種現(xiàn)象令人不安，值得各方警惕，采取強(qiáng)化管理措施以防工程產(chǎn)生不良后果。

二、硬化后碾壓混凝土的結(jié)構(gòu)與性能

（一）變形性能

碾壓混凝土早期彈性模量較低，壩體實際彈性模量低于常態(tài)混凝土的彈性模量，對于壩體的早期抗裂很有利。采用摻用引氣劑、改善骨料性能、摻合料等措施，能夠降低碾壓混凝土的彈性模量和減少碾壓混凝土中的裂縫。碾壓混凝土的極限拉伸值比常態(tài)混凝土大，極限拉伸變形與混凝土中膠凝材料所占的比例基本上是線性關(guān)系。徐變變形可能超過彈性變形，有的能達(dá)到彈性變形的2～4倍，壩體碾壓混凝土徐變變形與常態(tài)混凝土的徐變變形相比不一定小。由于碾壓混凝土中摻加了粉煤灰，所以碾壓混凝土的干縮明顯小于常態(tài)混凝土，而且降低了混凝土自生體積變形的收縮量；通過選擇水泥品種、摻用粉煤灰和纖維、提高混凝土粗骨料含量、選擇適當(dāng)?shù)耐饧觿┑确绞?，能降低混凝土的干縮變形。碾壓混凝土的溫度變形系數(shù)小于常態(tài)混凝土。

總之，碾壓混凝土的變形性能比常態(tài)混凝土更優(yōu)越，這對提高其抗裂性能、降低壩體混凝土的開裂是很有利的。

（二）耐久性能

水泥用量相同的碾壓混凝土比常態(tài)混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和更強(qiáng)的抗磨損性能，抗壓強(qiáng)度一樣的碾壓混凝土與常態(tài)混凝土的抗沖耐磨性能基本相同，但是由于碾壓混凝土難以獲得平整光滑的表面，所以無法大量用于水工建筑物的抗沖磨部位。隨著碾壓混凝土齡期的不斷延長，空隙率逐漸下降，空隙構(gòu)造逐漸完善，抗凍性能逐漸提高，滲透系數(shù)逐漸降低，具有“滲透自愈”的特點。碾壓混凝土的施工縫面抗?jié)B性能是影響大壩整體抗?jié)B能力的關(guān)鍵，只要認(rèn)真處理水平施工縫面或連續(xù)鋪筑，完全能夠滿足抗?jié)B要求。碾壓混凝土的抗碳化能力隨粉煤灰摻量而降低；壩體內(nèi)部的碾壓混凝土實際上不存在碳化問題，但是由于壩體外部的碾壓混凝土一般沒有鋼筋（或鋼筋保護(hù)層足夠厚），碳化造成的危害極小。碾壓混凝土一般不會發(fā)生滲透溶蝕破壞。

（三）熱學(xué)性能

我國碾壓混凝土筑壩技術(shù)的特點是低水泥用量、高粉煤灰摻量，膠凝材料的水化熱主要受齡期和粉煤灰摻量的影響，其中粉煤灰摻量則起到縮放作用，齡期影響膠凝材料水化熱的發(fā)展趨勢。碾壓混凝土早期的絕熱溫升增長率較大，后期則比較穩(wěn)定。對于骨料來源相同的碾壓混凝土和常態(tài)混凝土來說，導(dǎo)熱系數(shù)十分接近，導(dǎo)熱系數(shù)隨著混凝土容重的增加、溫度的提高及混凝土含水率的增大而增大。碾壓混凝土的比熱與用水量的影響是線性關(guān)系，加水量增大則比熱增大，與常態(tài)混凝土沒有明顯的差異。

總之，碾壓混凝土膠凝材料的水化熱、混凝土的絕熱溫升均比常態(tài)混凝土低，導(dǎo)熱系數(shù)、比熱與常態(tài)混凝土相當(dāng)，所以碾壓混凝土的熱學(xué)性能與常態(tài)混凝土相比，十分優(yōu)越，這對提高混凝土的抗裂性能更有利。

三、高溫環(huán)境對碾壓混凝土的影響

（一）高溫環(huán)境對碾壓混凝土層面抗剪強(qiáng)度的影響

氣溫是影響層面抗剪強(qiáng)度的主要因素，但并不是高溫條件中的唯一因素。碾壓混凝土澆筑倉面上的相同氣溫并不產(chǎn)生相同的影響效果。高溫環(huán)境條件還包括日照、大氣相對濕度、風(fēng)速、蒸發(fā)以及降雨等氣象因素等特性。龍灘水電站的研究成果表明：碾壓混凝土連續(xù)施工中，層面抗剪參數(shù)隨結(jié)合層面混凝土的成熟度（層面間隔時間×氣溫）的增大而減小，隨濕度的增加而增加。

（二）高溫環(huán)境對碾壓混凝土連續(xù)施工的影響

碾壓混凝土連續(xù)施工是指不考慮對碾壓層面進(jìn)行處理，各碾壓層面不間斷地施工，直至完成一個澆筑塊的混凝土施工。施工過程中的氣溫、降雨、相當(dāng)濕度、風(fēng)速及太陽輻射等環(huán)境條件對施工質(zhì)量有著重要的影響。

太陽輻射是影響混凝土連續(xù)澆筑施工質(zhì)量的一個重要因素。氣溫的高低與太陽輻射的大小密切相關(guān)。在炎炎烈日下，混凝土拌和物會因吸收太陽輻射熱而溫度回升，使混凝土表面的水分蒸發(fā)加快。

大氣相對濕度也是影響碾壓混凝土連續(xù)施工質(zhì)量的一個重要的環(huán)境因素。澆筑倉面上大氣相對濕度小，將使得攤鋪后碾壓混凝土中的水分蒸發(fā)加快，從而使碾壓混凝土特別是表層混凝土失水。夏季施工中，這種影響將變得更加突出。

風(fēng)速也將加快混凝土表面的水分蒸發(fā)，使得表層混凝土因失水而引起含水量較小，從而也會使混凝土初凝時間縮短、VC值增大、振動碾難以壓實。

碾壓混凝土連續(xù)施工的施工質(zhì)量同時受到以上各種環(huán)境因素的綜合影響，各因素之間是相互連系、相互影響的。氣溫高是強(qiáng)烈日曬的結(jié)果；風(fēng)速大往往使得混凝土倉面大氣濕度減小，混凝土拌和物表面水分蒸發(fā)加快；當(dāng)倉面濕度較大時，刮風(fēng)首先使空氣中的水分發(fā)生遷移，由于濕度大，則難以對碾壓混凝土表面產(chǎn)生大的影響，相反，當(dāng)倉面濕度較小時，刮風(fēng)會使碾壓混凝土表面蒸發(fā)加快，加劇水分散失，使碾壓混凝土表面變干發(fā)白。

在高溫環(huán)境下，判斷碾壓混凝土是否可以繼續(xù)施工，其標(biāo)準(zhǔn)是看碾壓混凝土的倉面間隔時間是否控制在允許間隔時間內(nèi)。

四、高溫環(huán)境下碾壓混凝土施工控制措施

（一）配合比及原材料的選擇

1.膠凝材料

選用低熱或中熱水泥，或在混凝土中摻加適量的粉煤灰，以降低水泥用量，從而可降低水化熱，保障混凝土的后期強(qiáng)度。

總之,解決電解問題過程中,基于證據(jù)推理是突破認(rèn)識誤區(qū)的一種有效方法,其基本的步驟為“提取題給信息→轉(zhuǎn)換成證據(jù)→根據(jù)證據(jù)等建立邏輯關(guān)系→推理判斷→獲得解決”。

2.骨料

在滿足設(shè)計要求的前提下，應(yīng)根據(jù)就地取材原則選用級配良好、含雜質(zhì)少的骨料。骨料在混凝土材料中占比例最大，所以骨料溫度對混凝土溫度的影響很大，施工時應(yīng)對骨料采取覆蓋遮陽、堆高、灑水降溫、風(fēng)冷等措施，以降低骨料的溫度。

3.水

在混凝土材料中，水的比熱是最大的。采用深井水、地下水、冰水等低熱水是降低混凝土拌和物溫度的十分有效的辦法。

4.外加劑

摻入緩凝性減水劑，可以降低水泥用量和單位用水量，改善混凝土的和易性，減少水化熱的影響，同時還可以減緩澆筑速度，有利于散熱。

（二）碾壓混凝土拌和、運輸系統(tǒng)的控制措施

所有輸送骨料的皮帶機(jī)和成品料倉中骨料應(yīng)全部加蓋遮陽板，避免太陽光直接照射；為了確保料倉內(nèi)的預(yù)冷骨料不受冷量損失，應(yīng)在拌和樓料倉內(nèi)四周全部安裝保溫材料；混凝土系統(tǒng)設(shè)制冷廠，利用制冷設(shè)備制造冷水拌和混凝土；保證骨料的脫水時間，減少骨料中的含水量，增加低溫水的用量。

用于運輸?shù)能囕v，應(yīng)提前進(jìn)行灑水降溫，并全部架設(shè)活動遮蓋及貼保溫板，同時對道路加強(qiáng)維修和養(yǎng)護(hù)，提高車輛的行駛速度，減少混凝土在車上的滯留時間，防止混凝土運輸過程中的溫度倒灌和回升。

（三）混凝土澆筑過程的控制措施

澆筑前應(yīng)將與混凝土接觸的模板、鋼筋等處充分澆水濕潤降溫，必要時采用遮陽擋風(fēng)簡易裝置；接觸混凝土的機(jī)械盡可能避免日照，必要時進(jìn)行灑水冷卻降溫；合理分層或分塊澆筑，以便加快熱量散發(fā)；縮短混凝土的入倉時間，保證混凝土層間結(jié)合的質(zhì)量；動態(tài)控制出機(jī)口中VC值，以碾壓混凝土碾壓時VC值控制在4～6S為宜；邊攤鋪，邊碾壓，為了防止熱氣倒灌，應(yīng)隨時對碾壓完畢的混凝土進(jìn)行保溫覆蓋；盡量利用夜間或低溫時段進(jìn)行施工。

（四）混凝土倉面的控制措施

1.噴霧

采用可移動式噴槍進(jìn)行噴霧，以改變倉內(nèi)小環(huán)境，降低倉內(nèi)氣溫，增加倉內(nèi)濕度，防止已經(jīng)入倉的混凝土溫度倒灌和VC值損失。

2.冷卻水管

為了控制大壩內(nèi)部的最高溫度，應(yīng)按照不干擾施工的原則合理布置冷卻水管，嚴(yán)格控制通水時間和溫度，確保壩體均勻降溫及溫度降到最高允許溫度以下。

（五）混凝土的養(yǎng)護(hù)措施

在炎熱天氣下，混凝土的養(yǎng)護(hù)工作極為關(guān)鍵。碾壓混凝土施工完后，及時覆蓋保溫被，終凝后采用噴水或灑水養(yǎng)護(hù)，禁止忽濕忽干，確保養(yǎng)護(hù)連續(xù)，低溫時段內(nèi)應(yīng)及時掀開保溫被進(jìn)行散熱。

五、結(jié)語

在高溫環(huán)境下進(jìn)行碾壓混凝土施工過程中，應(yīng)根據(jù)碾壓混凝土的自身特點，合理選擇配合比參數(shù)及原材料，并進(jìn)行優(yōu)化，這樣可以從根本上解決克服碾壓混凝土的缺點，同時針對碾壓混凝土拌和、運輸系統(tǒng)、混凝土澆筑過程、混凝土倉面等不同施工時段及施工部位采用不同的綜合措施，可以確保碾壓混凝土在高溫環(huán)境下的施工質(zhì)量。