莲花台水电站大坝碾压混凝土质量控制及检测

(整期优先)网络出版时间:2020-11-05
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莲花台水电站大坝碾压混凝土质量控制及检测

张 波 1 王金辉 1 汪世民 2

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西西安 710000

2.河南洛宁抽水蓄能有限公司,河南洛阳471000

摘要:碾压混凝土坝工程质量控制过程中试验检测是重要工作之一。质量检测实验室配备有适用的试验检测设备和素质较高的技术人员。制定了各种有关质量管理的规章制度和质量控制措施。在对碾压混凝土质量控制与检测中,首先对所使用的各种原材料进行检测;用维勃工作度仪检测碾压混凝土拌和物的工作度(VC值);用碾压混凝土无核密度仪检测压实容重;对硬化混凝土性能进行检测等。对保证施工质量取得了较好的效果。

关键词:碾压混凝土;碾压工艺;无核密度仪;变态混凝土;质量控制

1 工程概况

丹江是汉江的一级支流,丹江在陕西省商南县境内共规划有四个梯级,分别为柳树湾电站(0.75万kW)、莲花台水电站(4万kW)、金华湾(下)电站(1.4万kW)、月亮湾电站(1.0万kW)。莲花台水电站为丹江干流在陕西省商南县境内的第二个梯级水电站,本工程等别为中型Ⅲ等工程。

坝址位于陕西省商南县湘河镇莲花台村上游1.0km 处,距商南县城 51km,距西安市270km。工程涉及商南县的湘河、水沟、青山、过风楼等四个乡镇,坝址以上流域面积6614km2,为丹江流域面积的39.4%,水库总库容为9537万m3,水库回水长度约26.2km。水库具有季调节性能,调节库容4133万m3,消落水深 11m。坝址多年平均流量为42.7m3/s,多年平均年径流量为13.47亿m3,汛期5~10月占全年的74.6%,枯水期11~4月仅占全年的25.4%。

大坝洪水标准为100年一遇设计,洪峰流量为7240m3/s;1000年一遇校核,洪峰流量为11300m3/s。厂房洪水标准为50年一遇设计,洪峰流量为6040m3/s; 200年一遇校核,洪峰流量为8460m3/s。下游消能防冲设计标准为30年。多年平均发电量为1.1亿kw.h。

莲花台水电站工程于2010年7月24日丹江发生了特大洪水,电站坝址处的洪峰流量达到9850 m3/s,给莲花台水电站造成巨大损失,至此停工;为了提高施工进度,在水电站工程主坝坝体使用了碾压混凝土。2018年1月31日碾压混凝土试验段开仓;2018年2月8日碾压混凝土正式开仓浇筑;2018年4月24日提前完成了预计高程。

2 碾压混凝土特性

碾压混凝土在水利水电工程中有较多应用,它与普通混凝土的区别在于碾压混凝土是一种干贫混凝土,水泥用量约为普通混凝土的一半甚至更少,用与土石坝施工相同的运输及铺筑设备,用振动碾分层压实。碾压混凝土的优点在于水泥用量少节约了工程成本而且施工速度快,温控措施简便。

碾压混凝土坝既具有混凝土体积小、强度高、防渗性能好、坝身可溢流等特点,又具有土石坝施工程序简单、快速、经济、可使用大型通用机械的特点。

3 原材料

莲花台水电站工程碾压混凝土采用P•O42.5普通硅酸盐水泥为商洛尧柏龙桥水泥有限公司生产,粉煤灰Ⅰ级灰为大唐三门峡发电有限公司生产,细骨料(天然砂0mm-5mm)、粗骨料(卵石:小石5mm-20mm,中石20mm-40mm,大石40mm-80mm)为陕西水利水电工程集团有限公司现场项目部骨料加工系统生产,HS-GJS聚羧酸高性能减水剂、HS-YQ引气剂为陕西恒升节能材料科技有限公司生产。经检验,以上原材料检测结果均符合相关规程规范的要求。

4 所使用碾压混凝土配合比

莲花台水电站工程碾压混凝土使用的配合比共四种,见表1

表1 莲花台水电站工程碾压混凝土配合比

序号

设计指标

级配

混凝土类型

部位

备注

1

C18015W4F50

碾压

背水面


2

C18020W6F100

碾压

迎水面


3

C9015W4F50

变态

接触处


4

C9020W6F100

变态

接触处


5 碾压工艺试验

根据《水工碾压混凝土施工规范》DL/T 5112-2009要求,建筑物的外部(迎水面)混凝土相对密度不应小于98%,内部(背水面)混凝土相对密度不应小于97%。现场通过振碾6遍、8遍、10遍各测五个点平均,最终选择外部、内部混凝土最优遍数为8遍。碾压时,无论其有振碾压遍数是多少,有振碾前均无振碾压2遍,最后再静碾2遍收面。外部混凝土碾压工艺试验见表2,内部混凝土碾压工艺试验见表3。

碾压遍数确认的工艺试验,及时进行碾压混凝土现场取样检测。确保试验检测数据的准确性和及时性,及时向项目部提供有关信息。碾压混凝土实验仓全性能指标汇总统计见表4。

表2 外部混凝土碾压工艺试验

实测容重(Kg/M3

压实度(%

平均值(%

碾压遍数

2413

99.3

98.0

静2动6

2353

96.8

2377

97.8

2373

97.7

2390

98.4

2423

99.7

99.2

静2动8

2394

98.5

2413

99.3

2428

99.9

2396

98.6

2448

100.7

99.9

静2动10

2422

99.7

2430

100.0

2420

99.6

2418

99.5

表3 内部混凝土碾压工艺试验

实测容重(Kg/M3

压实度(%

平均值(%

碾压遍数

2385

97.3

97.4

静2动6

2422

98.9

2343

95.6

2362

96.4

2425

99.0

2419

99.4

98.8

静2动8

2435

98.8

2420

99.2

2431

98.1

2403

99.8

2446

99.8

99.5

静2动10

2432

99.3

2452

100.1

2412

98.4

2448

99.9

表4 碾压混凝土实验仓全性能指标汇总统计表

取样地点

强度等级

级配

龄期

抗压强度(MPa

轴拉强度(MPa

极限拉伸值(×10-4

轴拉弹模(×104MPa

抗渗等级

抗冻等级

实验仓

C18015W4F50

28d

19.0

/

/

/

/

/

C18015W4F50

180d

25.2

/

/

/

≥W4

≥F50

C18020W6F100

28d

22.1

/

/

/

/

/

C18020W6F100

180d

29.2

/

/

/

≥W6

≥F100

6 碾压混凝土拌和物性能质量控制

6.1 碾压混凝土拌和物性能检测项目和频率

按《水工碾压混凝土施工规范》DL/T 5112-2009规范规定的碾压混凝土拌和物检测项目和频率在机口及现场检测,进行碾压混凝土拌和物性能检测。碾压混凝土拌和物性能的检测项目和频率见表5。

表5 碾压混凝土拌和物性能检测项目和频率表

检测项目

检测频率

VC值

每2h一次

含气量

使用引气剂时,每班(1~2)次

6.2 碾压混凝土拌和物工作度(VC值)控制

碾压混凝土拌和物工作度(VC值)的大小,是影响混凝土可碾性的重要指标。 若VC值过大,则碾压混凝土难于振碾密实,将造成混凝土抗渗性差、强度低。若VC值过小,振动碾容易陷入混凝土中无法行走或引起混凝土产生橡皮层。因此,适宜的碾压混凝土工作度是碾压密实的先决条件,是提高混凝土性能、确保施工质量的关键环节。

碾压混凝土拌和物工作度(VC值)控制如下:

(1)维勃工作度仪检测VC值

① 在拌和楼碾压混凝土出机口及施工仓面取样,用维勃工作度仪分别测定其VC值,以控制其VC值在施工配合比设计值范围之内(根据《水工碾压混凝土施工规范》DL/T 5112-2009,VC值的大小对碾压混凝土的性能影响显著,根据近年来大量工程实践,现场VC值在2S~12S比较合适,考虑到运输途中VC值损失,莲花台水电站施工配合比设计VC值选为2S~3S)。

② 根据天气、温度条件、混凝土浇筑能力、间歇时间等实际情况,动态地控制VC值。气温较高时,碾压混凝土经运输、卸料、平仓等工序,水分极易蒸发散失,VC值增加迅速,短时间便出现表面干燥发白,可采取风冷骨料,低温水拌和混凝土的温控措施。昼夜温差较大造成干湿度不合适,则需重新确定机口控制的VC值,并在保持水胶不变的前提下对用水量和胶凝材料用量进行调整。为了提高现场浇筑能力以及间歇时间过长,再辅以仓面喷雾或碾辊洒水等措施改善仓面小气候,达到降温、保持碾压混凝土表面湿度和减少VC值损失的作用,以利于高气温条件下碾压混凝土碾压致密。

按照规范要求检测,机口VC值经过检测均满足要求。

(2)现场判定VC值

① 手捏观察判断方法是:将入仓的碾压混凝土用手抓一把其中的砂浆轻 轻一握,如能成团,松手而不散,并在手掌沾有灰浆,骨料表面也沾有较多灰浆,表明VC值适宜。

② 肉眼观察判断方法是:当振动碾压3~4遍后,混凝土表面泛浆,且表面平整、湿润,振动碾前后呈现微小的弹性起伏状,则表明VC值适宜。

③ 在VC值手捏观察、肉眼观察不能把握情况下,可以先用维勃工作度仪进行检测。

按照规范要求检测,现场VC值经过检测均满足要求。

6.3 碾压混凝土拌和物含气量控制

混凝土的含气量在一定程度上能改善混凝土的性能,并在很大程度上决定了混凝土的抗冻耐久性指标。混凝土含气量是控制、评价混凝土质量的一项重要指标,混凝土具有适宜的含气量能使其具有良好的工作性能,混凝土的耐久性尤其是抗冻性能在很大程度上与含气量有关。引气剂是一种能使混凝土在搅拌过程中引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡,从而改善其和易性与耐久性的外加剂。新拌混凝土欲得到一定的含气量,需在一定的条件下得到引气剂掺用剂量与含气量的关系,将适宜含气量对应的引气剂量范围确定下了,从而进行含气量额有效控制。根据设计抗冻等级莲花台水电站工程碾压混凝土含气量控制在二级配(3.5±0.5)%、三级配(3.0±0.5)%。

碾压混凝土含气量控制如下:

(1)对于砂石原材料进料应集中进料、来源稳定;砂石使用前,应先采取目测是否合格,然后取样做试验。

(2)合理试配混凝土配合比;找出合理砂率、用水量、胶凝材料用量,适当的引气剂掺量。

(3)加强对引气剂称的计量检验和监督。由于引气剂掺量较少,计量准确性对于混凝土含气量的控制尤为重要。

(4)必须对碾压混凝土VC值及时和准确测量,在正常检测次数下,可以适当增加频次,以增加检测数据的可靠性。

(5)加强试验检测人员培训。定期对试验检测人员的专业知识进行培训,不定时组织内部员工进行经验交流,定时总结找出不足并进行改正。

按照规范要求检测,经过检测均满足要求。

7 现场压实度质量控制

压实度是碾压混凝土施工质量检测的关键指标之一,表征现场压实度后的密度状况,压实度越高,密度越大,材料整体性能越好。

7.1 仪器选定

(1)挖坑灌砂法

挖坑灌砂法是检测压实度最常用的试验方法之一,本方法适用于在现场测定基层(或者底基层)、砂石路面以及路基土的各种材料压实层的密度和压实度。

(2)无核密度仪法

碾压混凝土无核密度仪可快速测量水工碾压混凝土、水稳层密度及压实度。该仪器的特点是标定简单、精度高,可重复性好,采用电磁感应技术代替核子源放射法,成本低、高安全用户不用为繁琐的环评申请、耗时的培训、以及严苛的运输管制而烦恼。

现场使用挖坑灌砂法与无核密度仪进行比对,试验结果相差不大,最终选择快速、便捷的H3800型无核密度仪在现场进行碾压混凝土的压实容重检测。

7.2 仪器率定

无核密度仪在正式使用前,必须进行率定工作,这是因为厂家率定用的模拟密度标样与实际碾压混凝土材料成分不一致。为了确保检测数据准确、可靠,必须通过率定工作确定仪器的偏差值,并将该偏差值输入仪器中,方能准确地进行碾压混凝土压实容重检测工作。无核密度仪可采用标样法进行率定。在连续浇筑情况,为了使仪器处于稳定状态,可以每天率定一次。

7.3 现场压实容重检测

现场压实度按规范要求的检测频率检测。碾压混凝土压实质量的控制标准为建筑物的外部(迎水面)混凝土相对密度不应小于98%,内部(背水面)混凝土相对密度不应小于97%,对现场检测达不到上述质量标准的部位,需进行补碾,直到检测结果符合质量标准。对由于运料车车轮经过使已碾好的混凝土仓面被破坏,此时需经再次碾压后方能铺筑新料。检测结果表明,莲花台水电站工程碾压混凝土各类压实度满足规范及设计要求。碾压混凝土实测压实度汇总统计见表6。

表6 碾压混凝土实测压实度汇总统计表

部位

检测点数

实测压实度(%

合格率(%

最大值

最小值

平均值

判定标准

背水面

1513

102.3

97.0

98.7

≥97

100

迎水面

436

101.8

98.0

99.1

≥98

100

8 碾压混凝土检测

8.1 碾压混凝土性能检测项目和频率

按(《水工碾压混凝土施工规范》DL/T 5112-2009)规范规定的检测项目和频率在机口及现场取样成型标准试件,进行碾压混凝土力学及耐久性能检测,碾压混凝土检测项目和频率见表7,除成型规定龄期试件外,还成型一定数量的早龄期试件,以便根据早龄期检测结果,预测能否达到设计龄期强度性能。当出现早龄期低强时,及时通知项目部加强质量控制,必要时对配合比作出相应调整。

表7 碾压混凝土检测项目和频率

检测项目

检测频率

抗压强度

8d龄期每500m3成型一组,设计龄期每1000m3成型一组;不足500m3至少每班取一组

抗冻、抗渗、极限拉伸

每季度施工的主要部位取样成型1组~2组

8.2 碾压混凝土性能检测

碾压混凝土试件成型,试验室统一采用平板振捣器法取样,因为它更接近施工碾压的实际情况,试验方法的统一,更有利于成果资料的整理和分析。混凝土试件的养护条件,它是确保检测成果质量的重要环节。成型后的带模试件应用湿麻袋覆盖,在温度20℃±5℃的环境下静置,48h后拆模。拆模后试验室将试件放入标准养护室中养护,均较好地满足了试件养护要求,确保了检测成果质量。试验检测情况和质量控制、检测中发现的问题,试验室及时向项目部反映、沟通,提出改进建议,对提高和控制好工程质量起到了较好作用。检测结果表明,莲花台水电站工程碾压混凝土各项性能满足设计要求,碾压混凝土生产质量管理水平优良。碾压混凝土抗压强度汇总统计见表8、碾压混凝土全性能指标汇总统计见表9。

表8 碾压混凝土抗压强度汇总统计表

取样

地点

强度等级

抽检

组数

混凝土抗压强度(MPa

标准差(MPa

离差系数Cv

保证率(%

合格率(%

生产质量水平

最大值

最小值

平均值

机口

C18015W4F50

28d

32

16.6

11.5

14.0

/

/

/

/

/

C18015W4F50

180d

32

23.5

17.8

20.8

1.6

0.08

99.99

100

优秀

C18020W6F100

28d

11

23.1

18.0

20.0

/

/

/

/

/

C18020W6F100

180d

11

30.1

25.8

21.5

/

/

/

100

/

仓面

C18015W4F50

180d

12

22.4

18.4

20.0

/

/

/

100

/

C18020W6F100

180d

8

29.4

25.9

27.2

/

/

/

100

/

表9 碾压混凝土全性能指标汇总统计表

取样

地点

设计指标

轴拉强度(MPa

极限拉伸值(×10-4

轴拉弹模(×104MPa

抗渗等级

抗冻等级

机口

C18015W4

F50/

组数

2

2

2

2

2

最小值

2.20

1.06

2.25

≥W4

≥F50

最大值

2.13

1.04

2.08

≥W4

≥F50

平均值

2.16

1.05

2.16

≥W4

≥F50

C18020W6

F100/

组数

2

2

2

2

2

最小值

3.06

1.28

3.45

≥W6

≥F100

最大值

3.05

1.24

3.35

≥W6

≥F100

平均值

3.6

1.26

3.40

≥W6

≥F100

8.3 碾压变态混凝土性能检测

根据要求,在靠近模板的部位采用变态混凝土,变态混凝土应随碾压混凝土浇筑逐层施工,铺料时采用平仓机铺以人工两次摊铺平整,然后人工切槽铺浆,再用强力振捣器振捣密实泛浆。根据现场振捣及检测情况,振捣时间为30S~50S之间时,变态混凝土振捣效果良好。

变态混凝土试件成型采用以下方法,现场将振捣好的变态混凝土挖出来,拌和均匀后现场成型,现场没有振实台可以分两层装,用插捣及摇振的方法进行成型。成型后的带模试件应用湿麻袋覆盖,在温度20℃±5℃的环境下静置,48h后拆模。拆模后试验室将试件放入标准养护室中养护,均较好地满足了试件养护要求,确保了检测成果质量。检测结果表明,莲花台水电站工程碾压变态混凝土各项性能满足设计要求,碾压混凝土生产质量管理水平优良。碾压混变态凝土抗压强度汇总统计表见表10、碾压变态混凝土全性能指标汇总统计表见表11。

表10 碾压变态混凝土抗压强度汇总统计表

取样

地点

强度等级

抽检

组数

混凝土抗压强度(MPa

标准差(MPa

离差系数Cv

保证率(%

合格率(%

生产质量水平

最大值

最小值

平均值

仓面

C9015W4F50

28d

9

18.1

14.6

16.4

/

/

/

/

/

C9015W4F50

90d

9

23.8

19.3

20.8

/

/

/

100

/

C9020W6F100

28d

9

22.2

18.1

20.4

/

/

/

/

/

C9020W6F100

90d

9

29.4

23.8

26.5

/

/

/

100

/

表11 碾压变态混凝土全性能指标汇总统计表

取样地点

设计指标

轴拉强度(MPa)

极限拉伸值(×10-4)

轴拉弹模(×104MPa)

抗渗等级

抗冻等级

仓面

C9015W4

F50/

组数

/

/

/

2

2

最小值

/

/

/

≥W4

≥F50

最大值

/

/

/

≥W4

≥F50

平均值

/

/

/

≥W4

≥F50

C9020W6

F100/

组数

/

/

/

3

3

最小值

/

/

/

≥W6

≥F100

最大值

/

/

/

≥W6

≥F100

平均值

/

/

/

≥W6

≥F100

9 碾压混凝土在运输过程中的质量控制

碾压混凝土通常用自卸矿车运输,为了减少混凝土的分层离析,应尽可能缩短运输距离,在温度过大或雨天时,运输过程中将车辆料斗覆盖,而且路面应尽可能平整。

10 碾压混凝土仓面浇筑时的质量控制

仓面质量控制主要有三方面内容:卸料、平仓、碾压各项作业的控制;碾压时拌和物干湿度的控制;碾压密实度的控制。

(1)在卸料、平仓、碾压的作业过程中,要做好几方面的工作。

①要减轻骨料分离。

②要控制铺料厚度,其偏差控制在±3cm以内为宜。

③要减少碾压层面的扰动破坏和污染。仓内各种机械应严格防止漏油,发现油污应予挖除,当用汽车直接入仓时,入仓前应冲洗车辆并经脱水后方能进入仓内,当用推土机平仓时, 应避免原地转动。刷毛和冲毛时,要掌握进行时间,若时间太早则容易造成石子松动,不利于层面很好地结合。层面除应保持清洁外,还应保持湿润状态,直到覆盖上层混凝土为止,可用喷雾或洒水的方法进行。

④要掌握几个时间间隔。混凝土拌和物出机以后,随着时间的推移,其性状不断发生变化。为了获得良好的质量,运输、卸料、平仓、振压以及上层碾压混凝土的覆盖并碾压,应当尽可能迅速、连续不断地进行。从拌和物加水拌和开始至上一层碾压完毕的时间间隔,是最重要的一个时间间隔,它不应超过规定的允许间隔时间,否则就不能保证两层之间的塑性结合。

另外还有几个时间间隔也密切关系到碾压混凝土的质量:碾压混凝土拌和物从出机至碾压完毕的时间,碾压混凝土从入仓至开始碾压的时间;施工缝面的垫层料,从摊铺到覆盖碾压混凝土的时间。显而易见,以上几项时间间隔若能在施工中把握好,对于保证碾压混凝土及其结合层面的质量是十分有利的。从加水拌合至上层碾压完毕,是最重要的一个时间间隔,虽然以不同的形式出现,然而是任何工程都必须提出和必须遵守的。

(2)碾压拌和物合适的干湿程度是碾压密实的先决条件。为测仓内拌和物的VC值,可在仓面设置VC测试仪,也可采用核子水分密度仪测定拌和物的含水率。速度最快的办法是肉眼观察、凭经验作出判断,对于中等胶凝材料用量的碾压混凝土,拌和物干湿程度是否合适,可根据下述碾压过程中的状况进行判断;拌和物太干时,振动碾压3~4遍后,表面没有明显的灰浆泛出,时有粗骨料被碾碎的现象,或表面出现一些条状裂纹。拌和物太湿时,振动碾压1~2遍后,表面就明显有灰浆泛出,或有较多的灰浆粘在振动轮上。若拌和物湿度适中则振动碾压3~4遍后,碾压表面明显有灰浆泛出,表面平整有光泽,呈现一定的弹性。在碾压过程中发现拌和物干湿度不合适时,应及时进行调整。调整的作法大致有两种。一种作法是,用加水或减水来调整拌和物的干湿。只要加水后水胶比不超过规定的上限就不需要改变胶凝材料用量。另一作法是,区别原因分别对待。如果由于骨料含水量造成拌和物干湿变化,则只调整拌和用水量而不需要改变胶凝材料用量。如果由于气温、风速、日照及搁置时间等因素造成干湿度不合适,则需重新确定机口控制的VC标准值,并在保持水胶不变的前提下对用水量和胶凝材料用量进行调整。

(3)碾压混凝土只有达到很高的压实度,才能具有预期的强度、不透水性和拉伸应变能力。压实度对碾压混凝土性能的影响是非常显著的,因此,对碾压混凝土的压实度应给予足够重视,并把它作为施工质量的主要指标之一予以严格控制。

11 结语

通过以上过程得出结论,试验室在质量控制过程中,加强机口及现场的试验检测工作是非常重要的一环,试验室站在检测机构的角度进行检测,是为了工程的进度和质量,其目标是为了工程总体考虑。碾压混凝土质量的控制,是从碾压混凝土的原材料、配料拌和、运输、仓面浇筑等环节进行严格的质量控制。莲花台水电站大坝主体工程已完成所有混凝土施工任务,在此期间,经参建各方的共同努力,在有关专家的指导下,碾压混凝土从原材料到中间产品均得到了有效的控制,各项技术指标满足规范及设计要求。莲花台水电站工程碾压混凝土生产质量评定结果达到优良,实践证明,莲花台水电站工程的质量控制措施是正确有效的,值得在碾压混凝土施工技术中参考和推广。

参考文献:

[1]DL/T 5112-2009,水工碾压混凝土施工规范[S].北京:中国电力出版社,2009

[2]DL/T 5433-2009,水工碾压混凝土试验规程[S].北京:中国电力出版社,2009

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