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(tuán)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(tuán)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(cāng)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(yán)重影響了工程建設(shè)進(jìn)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(shí),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(dá)到規(guī)范要求結(jié)合面溫度的上限值90 ℃仍需較長(zhǎng)時(shí)間,才能進(jìn)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(guó)內(nèi)對(duì)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(yàn)規(guī)程》(DL/T5362—2018)[4]僅根據(jù)兩個(gè)工程進(jìn)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(jìn)行連續(xù)碾壓,至今壩體運(yùn)行良好。四川冶勒瀝青混凝土心墻壩(壩高124.5 m)進(jìn)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(shí)的孔隙率均小于3%。張林艷等[5]針對(duì)環(huán)氧瀝青混合料的施工質(zhì)量控制方法,分別對(duì)于人機(jī)配置、施工組織、工藝過(guò)程等角度進(jìn)行了總結(jié)。開(kāi)鑫等[6]、劉亮等[7]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?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(shí)上層瀝青混凝土的壓實(shí)性和心墻變形情況,結(jié)果表明:當(dāng)基層溫度升高至100 ℃時(shí)可以保證施工質(zhì)量。蔡騫[8]進(jìn)行了不同層面溫度下室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)心墻施工及小梁彎曲試驗(yàn),論證了向心墻層面灑水降溫的工程措施不會(huì)影響層間結(jié)合質(zhì)量,并加快了施工進(jìn)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(duì)施工的影響,保證了施工進(jìn)度。劉成虎等[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)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(guò)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(guò)嚴(yán)格把控原材料、施工過(guò)程、夜間及雨季施工質(zhì)量控制措施,實(shí)現(xiàn)了每日三層的施工記錄,且工程質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良等級(jí)。前人對(duì)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(jìn)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(shí)間,實(shí)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(tuán)第九師新疆喬拉布拉水庫(kù)瀝青混凝土心墻施工現(xiàn)場(chǎng),通過(guò)控制不同基層瀝青混凝土溫度的方法,進(jìn)行心墻連續(xù)攤鋪碾壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。采用無(wú)核密度法和芯樣法測(cè)定瀝青混凝土密實(shí)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(yàn)方法

1.1 工程概況

喬拉布拉水庫(kù)是一座攔河式水庫(kù),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(kù)庫(kù)容450萬(wàn)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(zhǎng)275.0 m。

1.2 試驗(yàn)原材料及配合比

試驗(yàn)選用的瀝青為中國(guó)石油克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的90號(hào)(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(jí),細(xì)骨料為0.075～2.36 mm的人工砂,為增強(qiáng)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(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)攤鋪試驗(yàn)進(jìn)行選擇[12],最終確定的瀝青混凝土基礎(chǔ)配合比設(shè)計(jì)參數(shù)為:級(jí)配指數(shù)0.36、填料用量11%、瀝青用量6.6%。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)瀝青拌和樓的二次篩分的熱骨料級(jí)配情況,對(duì)基礎(chǔ)配合比(質(zhì)量百分比)進(jìn)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(yàn)方案

根據(jù)表1所示的施工配合比,瀝青混合料采用機(jī)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(jī)靜碾2遍+動(dòng)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(jìn)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(wú)核密度儀對(duì)碾壓后的每層瀝青混凝土進(jìn)行無(wú)核密度檢測(cè)如圖2所示,并對(duì)第三層瀝青混凝土鉆芯取樣,進(jìn)行密度和馬歇爾試驗(yàn)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)無(wú)核密度儀檢測(cè)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(shí),在壩段上選擇3個(gè)代表斷面,由于上游側(cè)水位的影響,僅將心墻下游側(cè)過(guò)渡料挖開(kāi)三層,把心墻側(cè)面過(guò)渡料清理干凈,并進(jìn)行連續(xù)攤鋪碾壓心墻側(cè)脹變形的測(cè)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(gè)斷面分別以3 cm高度從頂面至底面依次量測(cè)寬度,每個(gè)碾壓層取9個(gè)測(cè)點(diǎn)如圖3所示。

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

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

第36層碾壓施工完成后,等待心墻降溫時(shí)間約2 h,待瀝青混凝土基層溫度下降至(100±5)℃時(shí),陸續(xù)進(jìn)行第37層、第38層的攤鋪碾壓。第36～38層瀝青混凝土無(wú)核密度檢測(cè)結(jié)果和孔隙率如圖4和圖5所示。每層選取11個(gè)測(cè)點(diǎn)。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(cè)結(jié)果Table 2 Test results of asphalt concrete core samples of the 38th layer

由無(wú)損檢測(cè)結(jié)果可以看出,由于連續(xù)攤鋪碾壓層間等待時(shí)間相對(duì)較短,部分壩段基層瀝青混凝土溫度超過(guò)了100 ℃,影響了第37層、第38層的碾壓密實(shí)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(duì)較大,心墻防滲安全儲(chǔ)備降低。從第38層的鉆芯取樣的密度檢測(cè)結(jié)果也可以看到同樣規(guī)律,現(xiàn)場(chǎng)碾壓芯樣的平均密度較實(shí)驗(yàn)室擊實(shí)密度低了0.02 g/cm3?；鶎訙囟雀哂?00 ℃將影響上層瀝青混合料的壓實(shí)效果,還需要繼續(xù)延長(zhǎng)瀝青混凝土施工的層間等待時(shí)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(duì)第39～41層連續(xù)攤鋪碾壓的基層控制溫度進(jìn)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(shí)間延長(zhǎng)至4 h,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(shí),陸續(xù)進(jìn)行第40層、第41層的攤鋪碾壓。第39～41層瀝青混凝土無(wú)核密度檢測(cè)結(jié)果和孔隙率如圖6和圖7所示,每層選11個(gè)測(cè)點(diǎn)。待心墻溫度降至50 ℃以下時(shí),對(duì)第41層進(jìn)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(cè)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(cè)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(shí)間的延長(zhǎng),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(duì)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(cè)結(jié)果也可以看出同樣的規(guī)律,現(xiàn)場(chǎng)碾壓芯樣的平均密度與實(shí)驗(yàn)室擊實(shí)的密度相當(dāng)。控制瀝青混凝土基層溫度在100 ℃以下時(shí),上層瀝青混合料可有效壓實(shí),孔隙率易控制在2%以?xún)?nèi)。此時(shí),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(wú)明顯增大現(xiàn)象。第41層側(cè)脹率相對(duì)較小,下層瀝青混凝土在上層碾壓過(guò)程中出現(xiàn)二次側(cè)脹。通過(guò)和吐魯番大河沿水庫(kù)碾壓試驗(yàn)段的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(gè)工程的試驗(yàn)結(jié)果上來(lái)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(shí)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(yàn)結(jié)果均表明,瀝青混凝土碾壓過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)“松塔效應(yīng)”,基層瀝青混凝土溫度過(guò)高,上層瀝青混合料碾壓將進(jìn)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(kù)施工現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)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(zhǎng)瀝青混凝土連續(xù)攤鋪碾壓的施工等待時(shí)間,合理安排施工時(shí)段,每層施工時(shí)段7～8 h,完全可以實(shí)現(xiàn)一日三層的瀝青混凝土快速施工。應(yīng)該說(shuō)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(wèn)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(xiàng)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(jìn)行要求[14]。袁文藝等[15]認(rèn)為落實(shí)三級(jí)質(zhì)量檢測(cè)機(jī)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(lái)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(shí),需要等待數(shù)小時(shí),如何在保證施工質(zhì)量的前提下縮短在高溫時(shí)段的施工等待時(shí)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(kù)、大河沿水庫(kù)和喬拉布拉水庫(kù)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(jī)口溫度。高溫環(huán)境下瀝青混凝土拌合時(shí)出機(jī)口溫度宜取規(guī)范要求的較低值,最高不宜超過(guò)160 ℃。瀝青混合料的出機(jī)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(guò)180 ℃。適當(dāng)降低瀝青混合料出機(jī)口溫度目的在于保證心墻碾壓密實(shí)的前提下,縮短高溫環(huán)境下的施工的等待時(shí)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(jìn)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(huì)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(chǎng)試驗(yàn)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(shí),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(shí)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(kù)工程夏季施工中采用了過(guò)渡料灑水降低心墻溫度的方法;阿拉溝水庫(kù)夏季白天施工中采用心墻和過(guò)渡料施工高程高出兩側(cè)壩殼料3～5 m,中午用帆布進(jìn)行遮陽(yáng),充分利用自然風(fēng)降溫的辦法。施工過(guò)程中不得將冷卻水直接噴灑到瀝青心墻表面降溫,將會(huì)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(guó)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(shí)監(jiān)測(cè)瀝青混凝土結(jié)合面溫度,環(huán)境溫度較低時(shí)應(yīng)做好棉被保溫措施。待基層溫度降到70～100 ℃時(shí),及時(shí)鋪筑上一層瀝青混合料做到連續(xù)施工。通過(guò)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(shí)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(shí)間,加快施工進(jìn)度。夜間施工應(yīng)注意現(xiàn)場(chǎng)照明,施工中應(yīng)做到“晚間要比白天亮,作業(yè)層面無(wú)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(guò)渡料外側(cè)每隔10 m設(shè)置一組移動(dòng)碘鎢燈,保證工作面無(wú)采光盲區(qū)。

(5)各級(jí)管理單位應(yīng)加強(qiáng)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(diǎn)和重點(diǎn),保證其施工質(zhì)量非常重要。瀝青混合料應(yīng)做到及時(shí)拌合、運(yùn)輸、攤鋪,每車(chē)瀝青混合料運(yùn)輸、攤鋪全過(guò)程宜控制在30 min內(nèi)完成,適時(shí)進(jìn)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(shí)現(xiàn)無(wú)間歇連續(xù)鋪筑。同時(shí),其他各參建單位也要緊密配合,通過(guò)提高檢測(cè)頻次的手段,加強(qiáng)施工質(zhì)量檢測(cè)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(shí),連續(xù)攤鋪各碾壓層無(wú)損檢測(cè)的孔隙率均可控制在3%以?xún)?nèi),可以滿足規(guī)范要求,且鉆芯取樣的孔隙率檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的擊實(shí)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(guò)程中,基層溫度越高,二次側(cè)脹越明顯。基層瀝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(wú)明顯增大現(xiàn)象。可通過(guò)合理安排施工時(shí)段及采取必要措施,實(shí)現(xiàn)心墻全天候多層連續(xù)攤鋪碾壓的施工。