堆石混凝土(RFC)施工工法

(湖北水總水利水電建設股份有限公司，湖北 武漢 430056)

1 前 言

堆石混凝土(Rock Filled Concrete，RFC)，是利用自密實混凝土(SCC)的高流動、抗分離性能好以及自流動的特點，在粒徑較大的塊石(在實際工程中可采用的塊石粒徑在300mm以上)內(nèi)隨機充填自密實混凝土而形成的混凝土堆石體。堆石混凝土的概念在2003年由清華大學的金峰教授和安雪暉教授首先提出，并申請了國家專利，專利號ZL03102674.5。我公司根據(jù)兩個工程的經(jīng)驗累積并結(jié)合現(xiàn)場實際進行創(chuàng)新，總結(jié)出了一套RFC施工工法。

大體積混凝土，特別是大壩混凝土，從成本預算以及質(zhì)量控制兩方面來說都希望減少水泥用量以降低混凝土的成本及水化熱。就目前積累的工程經(jīng)驗而言，采用得較多的方法是減少水的用量或者是采用較大粒徑骨料以增加骨料用量。前者，例如碾壓混凝土可以減少用水量，但是碾壓混凝土施工節(jié)奏快，對整個系統(tǒng)要求較高，需要大功率的碾壓機械，施工中不能輕易延緩，且會出現(xiàn)層間結(jié)合強度、抗?jié)B等新問題。后者由于受到拌和與振搗能力的限制，難以使用更大的骨料。混凝土砌石、埋石混凝土等技術也被廣泛采用，但是這種筑壩方式需要較多的技術工人，工人的技術水平和責任心是施工質(zhì)量的主要因素，在目前的技術和管理水平下很難保證施工質(zhì)量，再加上近年來人工費用不斷上漲，埋石混凝土等筑壩技術面臨著越來越大的困難。與這兩個筑壩技術相比，RFC施工技術施工簡便、水泥用量少、水化溫升小、綜合成本低、施工速度快、體積穩(wěn)定性好、層間抗剪能力強，具有更為廣泛的應用前景。

2 工法特點

2.1 工藝簡便，施工快速

該工法主要包括兩道工序：堆石入倉和自密實混凝土的生產(chǎn)澆筑。兩道工序經(jīng)過合理的施工組織設計均可以通過大規(guī)模的機械作業(yè)來實現(xiàn)，并且自密實混凝土無須振搗，減少了工人的參與。RFC施工工法保證施工層面會有大量的塊石棱角外漏，加強了層間結(jié)合性，所以可以適當簡化施工縫的鑿毛工序。混凝土生產(chǎn)運輸澆筑量減半、無須振搗、適當?shù)暮喕徝ば虻榷紴榧涌旃こ探ㄔO速度提供了極大的助力。

2.2 施工成本低

該工法大量的塊石使用減少了混凝土的用量，較常態(tài)混凝土成本有所降低；混凝土無須振搗、簡易鑿毛、機械化施工、中后期澆筑與堆石入倉同時施工等優(yōu)點極大地加快了施工進度，進而降低了施工成本。

3 適用范圍

本工法適用于筑壩工程、基礎回填、臨時工程、堤防工程、襯砌及鋼管回填等工程部位建設中。其中適用性最好的是應用于筑壩工程，譬如混凝土重力壩、溢流壩、拱壩的壩體建設及加固。

4 工藝原理

RFC由于堆石料占混凝土方量的55%～60%，石料源可以充分利用基礎開挖時產(chǎn)生的利用料，只要滿足導則規(guī)范要求均可應用到堆石混凝土施工中；堆石混凝土施工縫規(guī)定了要有大量的塊石棱角出露澆筑高程5～15cm,露在層面之外的塊石在上下層之間可以起到契合的作用，加強了層間結(jié)合性，所以施工縫的鑿毛可以適當簡化，只需要對塊石棱角出露較少的位置進行鑿毛；堆石料入倉前要對其進行篩選以及沖洗，避免不符合規(guī)范的塊石入倉；RFC施工工法的原理是依靠自密實混凝土的高流動性以及高抗離析性，無須振搗即可依靠自重完全填充模板內(nèi)任何角落和鋼筋間隙。

5 施工工藝流程及操作要點

5.1 施工工藝流程

RFC施工工藝簡單，主要有堆石選取與運抵現(xiàn)場、堆石清洗與倉面清理、模板支立、堆石入倉及模板完成、自密實混凝土(簡稱SCC) 配制及運輸澆筑共5道工序，在合理的施工組織下可循環(huán)施工，大大提升混凝土的施工速度。其主要流程見圖1。

圖1 RFC施工工藝流程

5.2 堆石選取與運抵現(xiàn)場

堆石料的石料來源主要分為兩種：利用料以及開采料，所選取的塊石粒徑應大于300mm,根據(jù)堆石的運輸以及入倉能力應該選取盡可能大的塊石，但是堆石料最大粒徑以不大于1/2層高為限；使用挖掘機對石料大小進行篩選，篩選時要保證堆石料級配良好，以免堆石產(chǎn)生較大的縫隙，造成密實度不高、增加成本；可通過裝載機、挖掘機等設備裝車，利用自卸汽車將堆石料運輸至指定地點。

5.3 堆石清洗與倉面清理

堆石入倉前對堆石料進行沖洗是很重要的一個環(huán)節(jié)，我公司在深溪河水庫工程采用的是在備料區(qū)設置水泵對篩選后的石料進行沖洗。澆筑倉面必須保證清潔，不宜有積水、碎渣等，層面上的混凝土乳皮以及嵌入表面的松動堆石應予以清除，對于有防滲要求的部位或者倉面無塊石棱角出露的部位必須鑿毛處理。

5.4 模板支立

堆石混凝土的模板宜優(yōu)先采用翻轉(zhuǎn)模板，固定后的翻轉(zhuǎn)模板具有牢固性、密封性和抗變形性，并且模板支立速度快。前期或者部分部位不適合翻轉(zhuǎn)模板安裝的時候可以采用組合鋼模，組合鋼模的固定方式有外撐及內(nèi)拉兩種，但是盡量采用如圖3所示的外撐來固定，因為內(nèi)拉需要的拉筋會造成堆石料入倉困難，外撐可以使堆石料入倉盡量地機械化。由于堆石混凝土具有較強的流動性，所受到的側(cè)壓力較常態(tài)混凝土來說要高，特別是在模板底部，澆筑過程中，應安排專職人員檢查、維護、調(diào)整模板的位置和形態(tài)，防止變形漏漿。

5.5 堆石入倉及模板完成

RFC施工技術中堆石入倉環(huán)節(jié)施工過程簡單，現(xiàn)場控制管理簡單，可使用自卸汽車通過上壩公路入倉的方式，因為這種方式具有堆石速度較快、綜合造價低等優(yōu)點；堆石料可采用20t自卸汽車從備料區(qū)運至澆筑倉面，在堆石混凝土倉面下游處應留有不小于5m寬的道路，確保自卸汽車能夠?qū)⒍咽\至與壩軸線平行的各處位置，自卸汽車入倉前要通過鋼格柵對輪胎進行沖洗，保證輪胎無殘留污水；入倉后堆石的堆放有一定要求，倉面上游2/3區(qū)域嚴禁自卸汽車進入，應在下游設置2～3個集中卸料點，由挖掘機直接轉(zhuǎn)運堆石入倉，從上游往下游入倉即可，入倉時要盡量輕放，避免碰撞產(chǎn)生碎屑，堆石倉面下游1/3區(qū)域可由自卸汽車直接卸料入倉堆積，由挖機輔助平倉(見圖2)；挖掘機、裝載機進入施工倉面應在下層堆石混凝土上放置潔凈輪胎，以免對下層新澆混凝土造成早期損傷；石料入倉后，使用挖掘機轉(zhuǎn)至施工面并進行輔助平倉及簡單的壓實緊密工作，挖掘機在堆放石料時應盡量輕拿輕放，防止碰撞產(chǎn)生碎屑。

圖2 入倉后堆石的堆放示意圖

5.6 自密實混凝土配制與運輸澆筑

自密實混凝土的運輸應該保證澆筑的連續(xù)性，宜采用地泵連接布料機進行澆筑，澆筑之前應再次確認模板、預埋件位置、鋼筋型號位置等是否無誤，再進行澆筑。每次澆筑厚度為1.8m,可根據(jù)施工實際情況進行調(diào)整，但不宜超過2m;在澆筑過程中應該遵循單點澆筑的原則，澆筑點布置均勻，澆筑點間距不能超過3m,每個澆筑點澆滿之后方可移動到下一個澆筑位置，澆筑點不應重復使用，澆筑布置點如圖3所示; 配制前應對于原材料質(zhì)量進行檢測，澆筑時要根據(jù)混凝土拌和物的性能狀態(tài)、砂含水率的變化等不確定性因素適當調(diào)整混凝土配合比；在有外觀要求的模板處，可放慢澆筑速度、加長澆筑距離、減小混凝土入倉落差，并輕微敲打模板，這樣拆模后的混凝土會有較光滑美觀的表面。

圖3 堆石混凝土倉面澆筑示意圖

6 材料與設備及勞動力組織

6.1 材料與設備組織

主要設備如表1所列。

表1 主要材料設備

6.2 勞動力組織

主要勞動力如表2所列。

表2 主要工種投入

7 質(zhì)量控制

7.1 標準與規(guī)范

為了保證施工質(zhì)量滿足設計要求，混凝土達到優(yōu)良，在混凝土施工過程中，須按照標準及規(guī)范對混凝土生產(chǎn)的原材料、配合比、拌和物進行定期檢測，檢測頻率如表3所列。

表3 原材料、拌和物檢測頻率

續(xù)表

7.2 過程中的控制措施

拌和混凝土時應嚴格按照實驗室所給的配料單進行，不得擅自更改，攪拌應采用強制式攪拌機，原材料性能以及用量的監(jiān)控是RFC質(zhì)量控制的關鍵環(huán)節(jié)，須根據(jù)材料變化進行現(xiàn)場試拌，以驗證工作性能是否滿足要求。要求測量以下數(shù)值:

a. V漏斗值、初試擴展度。

b. V漏斗值、保塑1h拓展度。

c.其他保塑要求時間的擴展度、V漏斗值。

d.環(huán)境溫度、混凝土出機溫度。

此外，原材料投量也要嚴格按照規(guī)范進行，投料計量運行偏差如表4所列。

表4 自密實混凝土各組分稱量允許偏差

混凝土運輸?shù)缆窇^為平坦，避免離析現(xiàn)象的產(chǎn)生，且在運輸途中不能向車內(nèi)加水，運輸時間從出料到澆筑完畢嚴格控制在2h之內(nèi)。

混凝土運輸后可能發(fā)生離析，可在入倉之前進行二次攪拌，以保持混凝土的均勻性，保證混凝土質(zhì)量；混凝土自由下落高度不宜超過2m,否則采用溜槽、串筒或其他緩降措施；澆筑過程中，倉面應保持濕潤。光照強烈或大風干燥時，應進行噴霧或進行表面水分補償，保持表面不發(fā)白；正在施工的倉面，應防止外來水流入；堆石混凝土由于接縫面有大量塊石露出，增加層間結(jié)合性，防滲性能較好，但考慮到滲水對于大壩成型后的質(zhì)量有較大的影響，澆筑時可在防滲面板下游50cm處增設一條5cm深的凹槽，以增加防滲面板的防滲性能(見圖4)。

圖4 面板凹槽成型圖

混凝土澆筑完成終凝后即應開始保濕養(yǎng)護，對永久暴露面，養(yǎng)護時間不宜少于28d，有特殊要求的部位宜適當延長養(yǎng)護時間；溫度較低時，可以用養(yǎng)護墊子覆蓋防止凍結(jié)；雨季澆筑堆石混凝土后應有防雨措施并備有不透水覆蓋材料，小雨時應適當減少混凝土拌和用水量，不得改變自密實性能控制指標。

混凝土成型之后需要對其密實度、堆石混凝土強度和抗?jié)B性能進行檢測，堆石混凝土澆筑強度及密實度需要通過鉆孔取芯對芯樣的抗壓強度進行檢測并觀察密實度；堆石混凝土的工程抗?jié)B性能可通過鉆孔壓水試驗進行檢測。

7.3 管理措施

目前，質(zhì)量管理主要是采用“三全一多樣”的全面質(zhì)量管理方法，即全員的質(zhì)量管理、全過程質(zhì)量管理、全企業(yè)的質(zhì)量管理和多方法的質(zhì)量管理。而全面質(zhì)量管理是依托在一系列的基礎工作之上的，基礎工作包括標準化工作、計量工作、質(zhì)量信息工作、質(zhì)量責任制和質(zhì)量教育工作。 施工單位員工應從上至下都明確責任劃分，從宏觀(如施工布置、計劃)到細節(jié)(如混凝土拌和物的質(zhì)量、混凝土的強度)都應予以重視。

8 安全措施

8.1 安全技術措施

項目部負責人應該按照國家安全文明施工、交通、消防、職業(yè)衛(wèi)生、環(huán)境保護等有關規(guī)定，合理規(guī)劃施工總體布局。保證風、水、電管線、通信設施、施工照明等布置合理規(guī)范；現(xiàn)場材料、設備按規(guī)定定點存放，擺放有序，并符合消防要求；設施設備、安全文明施工、交通、消防及緊急救護標志、標識清晰、齊全；排架、作業(yè)平臺搭設穩(wěn)固，底部生根，桿件綁扎牢固，跳板滿鋪，臨空面設置防護欄桿和防護網(wǎng)；垂直交叉作業(yè)應設隔離防護棚，或錯開作業(yè)時間。

8.2 安全管理措施

項目部依據(jù)施工組織設計中的安全措施，結(jié)合具體施工方法和施工現(xiàn)場的作業(yè)條件及環(huán)境，以書面的形式，編制出具有可操作性、針對性的自密實混凝土施工安全技術交底文件，并對作業(yè)人員進行全面的安全技術交底；項目經(jīng)理及安全員應經(jīng)常性地對施工現(xiàn)場進行檢查，根據(jù)檢查情況做好安全檢查記錄，特別是對于高邊坡、施工臨時用電的檢查；在檢查過程中，對發(fā)現(xiàn)的安全隱患或不符合規(guī)程制度要求的，填寫“施工現(xiàn)場安全自查整改記錄”，根據(jù)輕重緩急原則，可采取口頭警告、現(xiàn)場糾正、罰款、責令停止施工等方式。

8.3 應急管理

預先編制應急預案，根據(jù)應急預案采購應急物資并建立現(xiàn)場應急救援隊伍，一旦出現(xiàn)突發(fā)事件，應及時向上匯報。此外還要定期開展應急培訓和演練。

9 環(huán)保措施

堆石混凝土使用大量塊石和粉煤灰，減少了水泥的用量和大功率的碾壓機械，可以減少溫室氣體和能源消耗，是一種環(huán)境友好的混凝土。但需要注意的是工程中常見的兩個污染：揚塵和噪聲污染。對于前者，可以在天氣干燥的時候定期對施工道路進行灑水降塵，日常也要時刻對施工機械進行清理，防止泥沙裹帶產(chǎn)生揚塵。對于后者，由于施工連續(xù)性的影響，只能合理安排施工計劃，避免夜間施工。

10 效益分析

堆石凝土施工是水利水電工程中一項高效、低廉的混凝土施工工藝，具有施工速度快、質(zhì)量好、成本低的特點，經(jīng)濟效益顯著。

11 應用實例

湖北省五峰縣土家族自治縣深溪河水庫正常蓄水位1300.00m，最大壩高63m，總庫容277.9萬m3，是一座小(1)型水庫，工程任務以煙草灌溉為主，兼顧居民生產(chǎn)生活用水，可灌溉7個行政村的2.62萬畝農(nóng)田，其中基本煙草2.11萬畝，可解決1.61萬人的生活用水。工程由堆石混凝土重力壩、輸水管道及相關附屬設施組成，最大壩高63.00m，總庫容277.9萬m3，調(diào)節(jié)庫容208.3萬m3。壩址多年平均流量0.392m3/s，多年平均徑流量為1236.1萬m3，多年平均徑流深為982.6mm。采用RFC施工工法。堆石混凝土單價如表5所列。

根據(jù)表5統(tǒng)計數(shù)據(jù)，堆石混凝土直接工程費為211.1元/m3,根據(jù)預算中相關的取費標準進行測算，在直接費為211.1元的情況下，其綜合單價為247.2元/m3。而等級為C20的普通常態(tài)混凝土在該項目施工條件類似的情況下最低單價為289.83元/m3，可見RFC這種施工工藝還是在一定程度上節(jié)約了成本。

表5 堆石混凝土單價