運用插入式振搗法的RCC設計與施工要點

［德國］F．奧爾特加

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運用插入式振搗法的RCC設計與施工要點

［德國］F．奧爾特加

摘要:RCC技術的最新發展，出現了插入式振搗碾壓混凝土(IV－RCC)，即一種可以通過碾壓或內部振搗方式進行搗實的混凝土。回顧了IV－RCC在混凝土壩設計與建造中的成功應用;對插入式振搗碾壓混凝土設計與施工過程中的一些關鍵點作了介紹。

關鍵詞:碾壓混凝土設計;插入式振搗混凝土;混凝土施工

碾壓混凝土(RCC)壩已成為應用最廣泛的混凝土壩型，其施工已取代了常規振搗混凝土(CVC)壩。與CVC壩相比，建造RCC壩更經濟，可節約造價30%以上。然而，在很多工程實例中并沒有達到這個經濟指標，或者筑壩的質量沒有CVC壩好。

在過去的15 a中，RCC壩的設計與建造技術已經得到長足發展，混凝土現場填筑的質量和性能至少不比傳統插入式振搗混凝土建壩差。RCC的連續層面結合技術和壩體上游面的防滲技術已得到了改進。不過，還應盡量簡化施工工藝流程，而插入式振搗碾壓混凝土技術能很好地解決這些問題。

1　背景

為確保壩面平整度及RCC與壩肩巖體的結合，許多早期RCC壩在壩面或巖體接觸面均采用傳統混凝土拌合料。在有些實例中，是采用CVC拌合料作為大壩上游壩面防滲體。

在過去的15 a中，CVC基本上被縮漿RCC所取代。當RCC在壩上鋪開后，將專門生產的漿液運輸到現場噴灑在RCC上，調整其稠度直到拌合料可以用插入式振搗器固結為止。該工序比傳統的CVC施工工藝更為簡單，且表面光潔度好，與巖體接觸良好。與少灰RCC相比，縮漿RCC和易性相對較好(低維勃稠度)。然而在同一個工程中，由于各種原因摻漿量也明顯不同，例如RCC拌合不均勻、填筑速度或效率、環境條件、振搗設備及施工工藝等。

縮漿RCC也用于大壩嵌入結構周圍，有些嵌入結構是影響大壩性能的關鍵部位，比如大壩上游面相鄰壩段間橫縫的止水和排水系統。經驗表明，如果不嚴格按照工序施工，這些部位很容易變成大壩防滲的薄弱環節。縮漿RCC連續層間的水平面粘結力不強也可導致通過止水的滲漏。

RCC拌合料的和易性與凝結時間得以優化，從而可切實提高RCC壩的現場澆筑質量，即將RCC稠度調和到與傳統大體積硬稠混凝土相似。該項技術已寫入《美國混凝土配合比規范》(ACI211．3－75，另見《無坍落度混凝土實施規程》1987/1992)的分類中。在該規范中，將混凝土稠度分為6個等級，從“極干”到“流動”。

在不添加任何額外漿液的情況下，南非德胡普壩(De Hoop)首次采用插入式振搗法進行RCC壩施工且取得了巨大成功。此后在其他項目中得到了應用。

2　IV－RCC拌合料的關鍵參數

IV－RCC是干硬性混凝土拌合料(塌落度為0)，其生產、運輸和澆筑方式與RCC相同，既可以使用外部碾壓也可以采取內插式振搗法固結。IV－RCC拌合料的特征參數是混凝土稠度和凝結時間。其稠度由改進的維勃稠度試驗確定，凝結時間由混凝土拌合料的砂漿貫入阻力決定(ASTM C403)。

使用維勃稠度計測試IV－RCC的稠度，總荷載改為12．5 kg，測試值應該在8～12 s之間。稠度高于此值則拌合料不適宜用內部振搗法，而低于8 s則難以碾壓，且表面清理也存在困難。與其他維勃稠度更高的拌合料相比，該稠度范圍拌合料的和易性還明顯具有其他重要優勢。在過去30 a的探索過程中，RCC拌合料獲得和易性(低維勃時間)，是因為在拌和、運輸和澆筑過程中使混凝土骨料的離析最小化。

就凝結時間而言，IV－RCC的初凝時間應該比在整個壩塊澆筑厚300 mm的RCC所需施工時間長。如果遵循該凝結時間，則在混凝土頂部還沒有發生初凝時就可完成澆筑和固結。同樣在傳統大體積混凝土施工時，每次填筑混凝土層厚500 mm，每個壩段分層填筑逐步達到壩頂高度。但高效的RCC施工要求壩塊的尺寸盡可能地大，理想狀態是整個碾壓混凝土壩應從一個壩肩到另一個壩肩作為一個壩段整體澆筑。這就意味著拌合料的實際初凝時間必須延長，在很多工程實例中，混凝土的初凝時間為20 h或更長，從而在留足安全余度避免處理層面縫的情況下，進行連續澆筑作業(每天24 h，每周7 d不停地作業)。

3　IV－RCC拌合料的設計

混凝土拌合料的設計，旨在獲得現場實際澆筑所需的混凝土性能，與實驗室測試不同，只有在現場條件下進行規模化澆筑才能真實地取得各澆筑層間結合強度、現場滲透性等方面的關鍵數據。因此現場經驗與適合的施工程序對實驗室開展RCC配合比設計的早期階段非常重要。

IV－RCC已應用于多個工程項目，從最終質量和經濟性角度考慮，混凝土拌合料的最優化主要取決于細骨料的技術參數和膠結材料(包括水泥及各種具有火山灰活性的礦渣混合料)的質量。

對過去使用的IV－RCC拌合料的研究表明，相對較低含水率可以獲得較高和易性，這在平均水灰比為0．55的含粉煤灰混凝土中尤為顯著。以西班牙恩西索(Enciso)大壩為例，IV－RCC中Ⅰ類水泥含量54 kg/ m3，粉煤灰含量126 kg/m3，用水量低至84 l/m3，平均維勃時間為9 s，這意味著水灰比低到0．47時RCC可以通過插入式振搗器固結。

按照特定級配和形狀生產的細骨料與外加劑效果相結合，將會極大地減少高和易性IV－RCC拌合料的用水量。

由于這些拌合料的含水率相對較低，因此可以減少膠凝材料的用量，水泥用量可低到50 kg/m3，粉煤灰用量低到110 kg/m3。這些混凝土1 a齡期的柱狀試樣平均抗壓強度超過30 MPa，直接抗拉強度接近2 MPa。隨機采取芯樣試驗時，直接抗拉強度超過1．5 MPa，現場實測滲透系數低于10－10m/s。

實踐表明，IV－RCC中漿液和漿體的體積應用范圍廣泛，漿液體積占15．2%～22．3%，漿體體積17．6%～25．7%。因此，可得出結論，決定RCC是否能采用插入式振搗方式固結的更關鍵的因素是細骨料的質量及合適的維勃稠度(維勃時間為8～12 s)，而不是預調高漿體體積。

4　使用IV－RCC應考慮的因素

IV－RCC的主要優勢為混凝土塊體的均勻性，混凝土的性質會隨著時間在整個壩塊中均勻發展。其他不同種類混凝土建造的RCC壩，其上游面非均質區會出現應力差，從而產生裂縫與滲漏，混凝土的均勻性可以有效地避免這些現象的發生。使用IVRCC可極大地減少不同材料間交界面的數量，保持建筑物具有穩定的均質性。

設計人員最感興趣的是，IV－RCC壩可以將RCC壩可能會存在的沿澆筑層面發展的不連續面減少到最低程度。在先期澆筑但尚未初凝的混凝土頂部連續澆筑厚300 mm的混凝土層，會在垂直方向形成完整的結構，在這種情況下，連續澆筑層間理論接觸面處的混凝土強度及滲透性與混凝土模型(澆筑層內)的數值相同。

在澆筑幾層混凝土后，選擇試驗段開挖探坑，可以觀察澆筑混凝土的均勻性。上下層混凝土中的漿體、粗細骨料都能有效地互相滲透，且混凝土中不會出現不連續面。

從鉆孔巖芯上肉眼能觀察到的裂縫，可能是由不連續澆筑產生的、需要處理的層面縫(如找平混凝土與第一層RCC的交界面)，如處理措施沒有按要求完全實施，則沿層面縫的混凝土強度參數(凝聚力、內摩擦角和抗拉強度)可能比完整混凝土的弱。對已凝固混凝土表面澆灌橫接縫，IV－RCC與傳統的CVC沒本質區別，基本上是水刷石飾面、表面全面清洗。

面臨的重要挑戰是大壩上游面橫縫止水系統的設計，使用IV－RCC已經得到改善，如上所述，該部位是RCC壩最為關鍵的滲控點之一。有2個特殊的細節需要認真對待，設計方與施工方必須密切合作:①止水周邊混凝土的性能必須與四周RCC的類似，避免它們之間的接觸面結合不良，或層間結合力不足;②施工過程中，將止水、排水和裂縫引導器放置到位的固定系統在混凝土澆筑時不能移動。

圖1所示為止水系統布置，該布置方案對先前的設計方案作了極大的改進，保證大壩關鍵部位的水密性。外部框架固定在上游模板斜撐上，支撐著固定并引導止水、脫粘片和排水的臨時設施。重要的是，這些部件沒必要埋入混凝土中，因而避免了在振搗過程中的移位，還可防止潛在弱面的產生和裂縫的發展。

圖1　上游面橫縫末端止水系統埋設示意

5　IV－RCC施工工藝

過去對常規混凝土壩中廣泛應用的大體積CVC使用插入式振搗器振搗，盡管IV－RCC稠度等級為干硬，但仍可使用該方法。因此，可以使用同樣規格的振搗設備，但在主壩施工前需改良澆筑工藝。安裝在小型液壓挖掘機機械臂上的一系列振搗器是傳統施工中常用的。使用便捷式振搗棒對整個大壩混凝土進行系統性振搗固結不現實，然而在施工機械難以作業的狹窄部位(如止水周邊)，人工振搗器可以滿足IV－RCC充分固結的要求。

和易性好的混凝土，至少需要直徑為76 mm的高頻振搗器(＞12 000 r/min)，該型號的振搗器可以保證人工振搗的效果。直徑為100～150 mm的較大液壓振動設備，通常是安裝在液壓挖掘機上。

在將混凝土傾倒和攤鋪后，針對模板、巖石壩肩或先前澆筑的混凝土塊，對IV－RCC按照線狀振搗作業。插入式振搗器的振搗寬度取決于所振搗的部位，模板的振搗寬度為400～500 mm，縱縫面附近可增加到1 500 mm;而在相對平緩的壩肩斜坡某些區域，寬度可達3 000 mm或更寬。

連續澆筑厚300 mm的IV－RCC的振搗固結，振搗器插入的最小深度至少達500 mm。該施工工序是保證新老澆筑層緊密結合的關鍵，以便在下層混凝土初凝前促使2層混凝土間的相互滲透，并消除兩層間的物理縫。

邊緣的IV－RCC內部振搗后，立即采用相對較輕的單鼓振搗碾(靜態重量8～10 t)固結相鄰的RCC。使用和易性高的混凝土能使RCC在碾壓遍數較少(通常為4～6遍)的情況下達到現場最大密度(超過理論上無空氣混凝土密度的99%)。碾壓面富漿表明混凝土已達到最佳密度，同時也說明已與下層混凝土結合良好。

為保證表面平整度和整個混凝土固結，重要的是盡量減少混凝土澆筑時間，從拌制到振搗結束的時間應控制在45 min～2 h，取決于環境條件，該時間隨著白天澆筑和夜晚澆筑而變化，除了混凝土配合比，其他如氣溫、風速、運輸方式等因素，可能會對混凝土和易性的損失率有較大影響。混凝土和易性水平與良好的作業計劃相結合，可以簡化施工程序，使臺階式工作面頂部達到良好的外觀質量。

插入式振搗結束后，立即使用振動式整平板對臺階面找平。

6　結語

高和易性、超緩凝的RCC正朝著IV－RCC方向優化。IV－RCC不僅可通過碾壓還可通過插入式振搗固結，其關鍵特性是具有細骨料的質量、控制稠度在8～12 s維勃時間之間，以及還具有有利的緩凝劑和減水劑。與想像相反，IV－RCC并不意味著高含水量或高漿體量。

IV－RCC簡化了混凝土壩的設計和施工工藝，在整個大壩可通倉澆筑同樣的混凝土，并且避免使用砂漿墊層，縮漿或者摻入添加劑是建造RCC壩最簡單有效的方法。此外，IV－RCC現場檢測結果表明，RCC壩常見的幾個關鍵問題(如層面縫的粘結強度和抗滲性)已得到成功破解。隨著這種新概念混凝土的應用，大壩的層面和潛在不連續面已經被根除。

在實際澆筑時，需事先準備和檢測特定的施工工藝和設備，適用的振搗工具與CVC壩通常使用的相同。此外，未來建造IV－RCC壩必須透徹掌握大體積混凝土2種不同的固結方法，同時還必須具有相應豐富的施工經驗。

(周榮馬貴生編譯)

收稿日期:2015-04-23

文章編號:1006-0081(2015) 07-0013-03

中圖法分類號:TV53．6

文獻標志碼:A