瀝青混凝土心墻連續(xù)多層碾壓施工與質(zhì)量控制

陳朋朋, 梅華, 李志華, 王軍, 何建新*

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院, 烏魯木齊 830052; 2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第九師水文水資源管理中心, 塔城 834601; 3.新疆綠翔建設(shè)工程集團有限責(zé)任公司, 塔城 834601)

瀝青混凝土心墻是沿壩軸線不分段通倉攤鋪碾壓施工的,在心墻中不可避免形成較多不連續(xù)的結(jié)合層面[1]。新疆地處歐亞大陸腹地,“冷、熱、風(fēng)、干”等環(huán)境因素嚴重影響了工程建設(shè)進度[2-3]。尤其在夏季高溫季節(jié)瀝青混凝土連續(xù)多層鋪筑時,基層瀝青混凝土降溫緩慢,即便將初碾溫度控制在130～145 ℃,終碾完成后溫度約120 ℃,要達到規(guī)范要求結(jié)合面溫度的上限值90 ℃仍需較長時間,才能進行上一層瀝青混合料的攤鋪,造成心墻瀝青混凝土的施工中斷,在壩軸線很短的狹窄河谷中,這種施工不連續(xù)更突出。國內(nèi)對高溫環(huán)境下瀝青混凝土心墻施工技術(shù)研究較少,《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》(DL/T5362—2018)[4]僅根據(jù)兩個工程進行了總結(jié),四川金平水電站(壩高91.5 m)結(jié)合面溫度在91～93 ℃進行連續(xù)碾壓,至今壩體運行良好。四川冶勒瀝青混凝土心墻壩(壩高124.5 m)進行了連續(xù)施工工藝研究,發(fā)現(xiàn)基層瀝青混凝土溫度在70 ℃和90 ℃時的孔隙率均小于3%。張林艷等[5]針對環(huán)氧瀝青混合料的施工質(zhì)量控制方法,分別對于人機配置、施工組織、工藝過程等角度進行了總結(jié)。開鑫等[6]、劉亮等[7]通過室內(nèi)試驗?zāi)M心墻連續(xù)兩層鋪筑的工況,分別研究結(jié)合面溫度為90、100、110 ℃時上層瀝青混凝土的壓實性和心墻變形情況,結(jié)果表明:當(dāng)基層溫度升高至100 ℃時可以保證施工質(zhì)量。蔡騫[8]進行了不同層面溫度下室內(nèi)模擬現(xiàn)場心墻施工及小梁彎曲試驗,論證了向心墻層面灑水降溫的工程措施不會影響層間結(jié)合質(zhì)量,并加快了施工進度。甘亞軍等[9]論述了設(shè)定溫度上限、保溫、采用大攤鋪層厚和增大接頭預(yù)留面積等措施降低了高寒、大風(fēng)沙等惡劣環(huán)境對施工的影響,保證了施工進度。劉成虎等[10]通過現(xiàn)場無損檢測和芯樣法分析了卡洛特大壩心墻的施工質(zhì)量及體形控制,得出心墻的體形不僅受過度料的影響,與環(huán)境溫度也有關(guān)。張棟[11]在南方多雨地區(qū)通過嚴格把控原材料、施工過程、夜間及雨季施工質(zhì)量控制措施,實現(xiàn)了每日三層的施工記錄,且工程質(zhì)量達到優(yōu)良等級。前人對于心墻連續(xù)施工技術(shù)與質(zhì)量控制的研究鮮有提及,尤其是高溫環(huán)境下如何保證碾壓效果與心墻質(zhì)量。因此,有必要進行瀝青混凝土心墻的多層攤鋪碾壓施工技術(shù)的研究,分析連續(xù)攤鋪碾壓效果及心墻側(cè)脹變形規(guī)律。在不影響施工質(zhì)量的前提下,提出將基層溫度的上限值適當(dāng)提高,以縮短心墻施工等待時間,實現(xiàn)瀝青混凝心墻土全天候連續(xù)多層攤鋪碾壓施工。

現(xiàn)結(jié)合兵團第九師新疆喬拉布拉水庫瀝青混凝土心墻施工現(xiàn)場,通過控制不同基層瀝青混凝土溫度的方法,進行心墻連續(xù)攤鋪碾壓現(xiàn)場試驗。采用無核密度法和芯樣法測定瀝青混凝土密實度,分析碾壓層側(cè)向變形量規(guī)律,研究控制心墻多層攤鋪碾壓施工的關(guān)鍵要素,提出連續(xù)多層攤鋪碾壓施工的質(zhì)量控制措施,以期為縮短施工周期提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況及試驗方法

1.1 工程概況

喬拉布拉水庫是一座攔河式水庫,它位于喬拉布拉河出山口上游1.6 km處,距喬拉布拉河渠上游500 m左右。水庫庫容450萬m3,主要由大壩、放水隧洞、溢洪道等主要建筑物組成。擋水建筑物為瀝青混凝土心墻砂礫石壩,最大壩高81.5 m,壩頂長275.0 m。

1.2 試驗原材料及配合比

試驗選用的瀝青為中國石油克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的90號(A)道路石油瀝青,骨料選擇天然砂礫石破碎,粗骨料分為9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm共3種粒級,細骨料為0.075～2.36 mm的人工砂,為增強骨料與瀝青黏附性和瀝青混凝土水穩(wěn)定性,填料選擇新疆額敏屯鑫建材有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通水泥。瀝青混凝土配合比應(yīng)通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場攤鋪試驗進行選擇[12],最終確定的瀝青混凝土基礎(chǔ)配合比設(shè)計參數(shù)為:級配指數(shù)0.36、填料用量11%、瀝青用量6.6%。現(xiàn)場根據(jù)瀝青拌和樓的二次篩分的熱骨料級配情況,對基礎(chǔ)配合比(質(zhì)量百分比)進行調(diào)整后確定出施工配合比如表1所示。

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

1.3 試驗方案

根據(jù)表1所示的施工配合比,瀝青混合料采用機械攤鋪,心墻攤鋪寬度為90 cm,攤鋪厚度為30 cm,施工中瀝青混凝土初碾溫度控制在130～140 ℃,終碾溫度120 ℃,碾壓流程采用了3 t壓路機靜碾2遍+動碾10遍+靜碾2遍[13],心墻碾壓后層面返油情況如圖1所示。每層攤鋪碾壓完成大約需2.5 h,待瀝青混凝土基層溫度下降至規(guī)定溫度后,陸續(xù)進行第二層、第三層的攤鋪,完成一日連續(xù)攤鋪碾壓三層的施工。采用PQI-301型無核密度儀對碾壓后的每層瀝青混凝土進行無核密度檢測如圖2所示,并對第三層瀝青混凝土鉆芯取樣,進行密度和馬歇爾試驗。

圖2 現(xiàn)場無核密度儀檢測密度Fig.2 Density detection by on-site non-nuclear density meter

每層瀝青混合料碾壓后高度約24 cm,瀝青心墻表面寬度為100～110 cm,待心墻溫度降低至50 ℃時,在壩段上選擇3個代表斷面,由于上游側(cè)水位的影響,僅將心墻下游側(cè)過渡料挖開三層,把心墻側(cè)面過渡料清理干凈,并進行連續(xù)攤鋪碾壓心墻側(cè)脹變形的測量。以連續(xù)攤鋪碾壓三層的頂面寬度為參照,引一鉛垂線。在3個斷面分別以3 cm高度從頂面至底面依次量測寬度,每個碾壓層取9個測點如圖3所示。

圖3 心墻下游側(cè)脹量測量Fig.3 Measurement of lateral expansion downstream of core wall

2 試驗結(jié)果分析

第36層碾壓施工完成后,等待心墻降溫時間約2 h,待瀝青混凝土基層溫度下降至(100±5)℃時,陸續(xù)進行第37層、第38層的攤鋪碾壓。第36～38層瀝青混凝土無核密度檢測結(jié)果和孔隙率如圖4和圖5所示。每層選取11個測點。第38層芯樣的密度、馬歇爾穩(wěn)定度和流值如表2所示。

圖4 第36～38層瀝青混凝土密度Fig.4 Asphalt concrete density of layers from the 36th to the 38th

圖5 第36～38層瀝青混凝土孔隙率Fig.5 Porosity of asphalt concrete of layers from the 36th to the 38th

表2 第38層瀝青混凝土芯樣檢測結(jié)果Table 2 Test results of asphalt concrete core samples of the 38th layer

由無損檢測結(jié)果可以看出,由于連續(xù)攤鋪碾壓層間等待時間相對較短,部分壩段基層瀝青混凝土溫度超過了100 ℃,影響了第37層、第38層的碾壓密實度,雖然孔隙率滿足了施工規(guī)范小于3%的要求,但在此基層溫度下碾壓的上層瀝青混凝土孔隙率相對較大,心墻防滲安全儲備降低。從第38層的鉆芯取樣的密度檢測結(jié)果也可以看到同樣規(guī)律,現(xiàn)場碾壓芯樣的平均密度較實驗室擊實密度低了0.02 g/cm3。基層溫度高于100 ℃將影響上層瀝青混合料的壓實效果,還需要繼續(xù)延長瀝青混凝土施工的層間等待時間,以保證基層瀝青混凝土有效降溫和骨架結(jié)構(gòu)的形成。

對第39～41層連續(xù)攤鋪碾壓的基層控制溫度進行了調(diào)整,施工中瀝青混凝土初碾溫度仍然控制在130～140 ℃,終碾溫度120 ℃,第39層施工完成后,要求施工等待時間延長至4 h,現(xiàn)場實測環(huán)境溫度為25～28 ℃,瀝青混凝土表面降溫速度為5～6 ℃/h,待基層瀝青混凝土溫度下降至(95±5)℃時,陸續(xù)進行第40層、第41層的攤鋪碾壓。第39～41層瀝青混凝土無核密度檢測結(jié)果和孔隙率如圖6和圖7所示,每層選11個測點。待心墻溫度降至50 ℃以下時,對第41層進行鉆取芯樣,表3為10組芯樣的密度和馬歇爾穩(wěn)定度、流值的檢測結(jié)果。

圖6 第39～41層瀝青混凝土密度Fig.6 Asphalt concrete density of layers from the 39th to the 41th

圖7 第39～41層瀝青混凝土孔隙率Fig.7 Porosity of asphalt concrete of layers from the 39th to the 41th

表3 第41層瀝青混凝土芯樣檢測結(jié)果Table 3 Test results of asphalt concrete core samples of the 41th layer

由于各攤鋪碾壓層施工等待時間的延長,基層瀝青混凝土溫度降到了100 ℃以下,各碾壓層的孔隙率相對較小,瀝青混凝土碾壓質(zhì)量較好。從第41層鉆芯取樣的密度檢測結(jié)果也可以看出同樣的規(guī)律,現(xiàn)場碾壓芯樣的平均密度與實驗室擊實的密度相當(dāng)。控制瀝青混凝土基層溫度在100 ℃以下時,上層瀝青混合料可有效壓實,孔隙率易控制在2%以內(nèi)。此時,瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度與流值均較大,也表現(xiàn)出較好的物理性能。

從表4可以看出,瀝青混凝土心墻連續(xù)攤鋪碾壓表現(xiàn)出一定的側(cè)脹變形,形成所謂的“松塔效應(yīng)”。最大側(cè)脹量均發(fā)生在碾壓層表面,第39～41層的最大側(cè)脹率依次為20.4%、21.9%和12.8%,每層向下均逐漸減小,至15 cm后側(cè)脹已不明顯。第39層、第40層側(cè)脹率相當(dāng),連續(xù)攤鋪碾壓施工的瀝青混凝土側(cè)脹量并無明顯增大現(xiàn)象。第41層側(cè)脹率相對較小,下層瀝青混凝土在上層碾壓過程中出現(xiàn)二次側(cè)脹。通過和吐魯番大河沿水庫碾壓試驗段的測量結(jié)果進行對比,基層瀝青混凝土溫度控制在90 ℃,連續(xù)兩層攤鋪碾壓后,上層瀝青混凝土最大側(cè)脹率為24.8%,下層瀝青混凝土最大側(cè)脹率為27.6%。從兩個工程的試驗結(jié)果上來看基本規(guī)律是吻合的。

表4 第39～41層瀝青混凝土心墻下游側(cè)脹情況Table 4 Downstream lateral expansion of asphalt concrete core wall of layers from the 39th to the 41th

瀝青混凝土要實現(xiàn)一日多層攤鋪碾壓施工,關(guān)鍵是要控制好基層瀝青混凝土的溫度。試驗結(jié)果均表明,瀝青混凝土碾壓過程中會出現(xiàn)“松塔效應(yīng)”,基層瀝青混凝土溫度過高,上層瀝青混合料碾壓將進一步增大下層瀝青混凝土的側(cè)脹變形。結(jié)合喬拉布拉水庫施工現(xiàn)場溫度監(jiān)測資料,如果將基層瀝青混凝土溫度控制在100 ℃以下,適當(dāng)延長瀝青混凝土連續(xù)攤鋪碾壓的施工等待時間,合理安排施工時段,每層施工時段7～8 h,完全可以實現(xiàn)一日三層的瀝青混凝土快速施工。應(yīng)該說明的是:為更好地解決高溫環(huán)境下瀝青混凝土心墻的連續(xù)施工問題,還應(yīng)考慮其他施工控制措施。

3 施工控制措施

心墻瀝青混凝土施工質(zhì)量的控制是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,應(yīng)從原材料、瀝青混合料和心墻施工各環(huán)節(jié)進行要求[14]。袁文藝等[15]認為落實三級質(zhì)量檢測機制有利于瀝青混凝土心墻壩的高質(zhì)量施工。這在一定程度上可以起到約束作用,但在特殊環(huán)境下難以保證瀝青混凝土心墻的施工質(zhì)量與效率。夏季高溫環(huán)境給瀝青混凝土一日多層攤鋪碾壓施工帶來了困難,尤其是碾壓后瀝青混凝土溫度要下降至規(guī)范規(guī)定90 ℃時,需要等待數(shù)小時,如何在保證施工質(zhì)量的前提下縮短在高溫時段的施工等待時間,是提高瀝青混凝土心墻壩施工效率的關(guān)鍵。結(jié)合新疆吐魯番地區(qū)阿拉溝水庫、大河沿水庫和喬拉布拉水庫的施工,總結(jié)了夏季高溫環(huán)境下瀝青混凝土多層碾壓施工的控制措施如下。

(1)適當(dāng)降低骨料加熱溫度和瀝青混合料的出機口溫度。高溫環(huán)境下瀝青混凝土拌合時出機口溫度宜取規(guī)范要求的較低值,最高不宜超過160 ℃。瀝青混合料的出機口溫度取決于骨料的加熱溫度,此環(huán)境下骨料最高加熱溫度不宜超過180 ℃。適當(dāng)降低瀝青混合料出機口溫度目的在于保證心墻碾壓密實的前提下,縮短高溫環(huán)境下的施工的等待時間。

(2)適當(dāng)提高結(jié)合面溫度限制值。高溫氣候下碾壓后瀝青混凝土溫度下降較為緩慢,若以瀝青混凝土終碾溫度120 ℃,環(huán)境氣溫30 ℃進行估算,心墻溫度降至規(guī)范要求的溫度90 ℃,至少需要5～6 h,將會影響心墻施工的連續(xù)性,造成設(shè)備和人員閑置。室內(nèi)和現(xiàn)場試驗均表明,若將下層瀝青混凝土溫度上限值適當(dāng)提高至100 ℃,可保證上層瀝青混合料碾壓密實,且瀝青心墻側(cè)脹變形增加量不大。這可有效縮短瀝青混凝土心墻每層施工的間隔時間2 h左右,提高了施工速度,減少了資源閑置。

(3)白天施工宜采取碾壓后瀝青混凝土快速散熱的降溫措施。白天施工為加快碾壓后瀝青混凝土的降溫速度,除了控制瀝青混合料溫度取低限值外,施工中還可以采取一些降溫措施。如新疆五一水庫工程夏季施工中采用了過渡料灑水降低心墻溫度的方法;阿拉溝水庫夏季白天施工中采用心墻和過渡料施工高程高出兩側(cè)壩殼料3～5 m,中午用帆布進行遮陽,充分利用自然風(fēng)降溫的辦法。施工過程中不得將冷卻水直接噴灑到瀝青心墻表面降溫,將會影響瀝青混凝土的層間結(jié)合。

(4)要做到心墻連續(xù)攤鋪碾壓,應(yīng)考慮夜間不間斷全天施工措施。中國西部高海拔山區(qū)由于晝夜溫差大,夜間氣溫較低,夜間碾壓完成的瀝青混凝土表面降溫速度快,應(yīng)隨時監(jiān)測瀝青混凝土結(jié)合面溫度,環(huán)境溫度較低時應(yīng)做好棉被保溫措施。待基層溫度降到70～100 ℃時,及時鋪筑上一層瀝青混合料做到連續(xù)施工。通過適當(dāng)照明措施,解決規(guī)范規(guī)定的夜間不能施工的局限性,實現(xiàn)夜間不間斷施工,可大大提高瀝青混凝土年施工有效時間,加快施工進度。夜間施工應(yīng)注意現(xiàn)場照明,施工中應(yīng)做到“晚間要比白天亮,作業(yè)層面無陰影”。施工中除在兩壩肩安裝大型鏑燈外,還應(yīng)在心墻上下游過渡料外側(cè)每隔10 m設(shè)置一組移動碘鎢燈,保證工作面無采光盲區(qū)。

(5)各級管理單位應(yīng)加強施工組織管理,使各工序緊密銜接。瀝青混凝土施工本身就是瀝青心墻壩施工的難點和重點,保證其施工質(zhì)量非常重要。瀝青混合料應(yīng)做到及時拌合、運輸、攤鋪,每車瀝青混合料運輸、攤鋪全過程宜控制在30 min內(nèi)完成,適時進行瀝青混凝土的碾壓,每層瀝青混凝土施工循環(huán)7～8 h即可實現(xiàn)無間歇連續(xù)鋪筑。同時,其他各參建單位也要緊密配合,通過提高檢測頻次的手段,加強施工質(zhì)量檢測工作,把好心墻的施工質(zhì)量關(guān),尤其應(yīng)注意施工結(jié)合面的質(zhì)量控制工作。

4 結(jié)論

(1)基層瀝青混凝土表面溫度降至100 ℃時,連續(xù)攤鋪各碾壓層無損檢測的孔隙率均可控制在3%以內(nèi),可以滿足規(guī)范要求,且鉆芯取樣的孔隙率檢測結(jié)果與現(xiàn)場實驗室的擊實試樣的孔隙率結(jié)果吻合較好。

(2)瀝青混凝土心墻連續(xù)攤鋪碾壓三層表現(xiàn)出較明顯的施工側(cè)脹變形。在上層瀝青混凝土碾壓過程中,基層溫度越高,二次側(cè)脹越明顯?；鶎訛r青混凝土表面溫度降至100 ℃以下,一日連續(xù)三層攤鋪碾壓側(cè)脹率無明顯增大現(xiàn)象?？赏ㄟ^合理安排施工時段及采取必要措施,實現(xiàn)心墻全天候多層連續(xù)攤鋪碾壓的施工。