亚热带高海拔昼夜大温差地区碾压混凝土技术研究

亚热带高海拔昼夜大温差地区碾压混凝土技术研究

陈朝明

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410004

摘 要：本文研究在南部非洲亚热带高海拔昼夜大温差地区气候、环境条件下碾压混凝土的工艺技术，包括碾压混凝土原材料的控制、试验及选用，配合比及外掺材料的调整，工艺技术、在昼夜温差大、气温变化快情况下，如何保护碾压混凝土的层间结合强度，配合比在气温急剧变化情况下的调整方法，有效的温控措施等，总结碾压混凝土经验技术，探索加快碾压混凝土浇筑速度和碾压混凝土质量的保证措施，为今后类似地区气候条件下的碾压混凝土技术提供参考。

关键词：亚热带；高海拔；昼夜大温差地区；碾压混凝土

0 引言

当前国内外碾压混凝土施工已经有较成熟技术。但是在南部非洲莱索托王国这样的亚热带大陆性气候高海拔地区，受特定的气候和自然环境条件限制下的碾压混凝土大坝修筑，必须采取适合于当地气候特点的科学的技术及合理的方案，保证工程质量和进度。由于莱索托王国麦特隆大坝项目采用碾压混凝土筑坝技术，工期紧、浇筑强度高，要求实现全年连续浇筑。为此，需开展一系列碾压混凝土筑坝关键技术研究，在混凝土的配合比选择和优化、混凝土浇筑温度及层间间歇时间的控制等方面进行技术攻关，提出具体的温控措施，以期实现亚热带高海拔地区日温差大、气温变化快情况下碾压混凝土大坝连续、快速、优质修筑。

1概述

莱索托王国位于南部非洲东部德拉肯斯堡山西坡，全境为南非所环抱，地形以海拔1,500米以上的山地和高原为主，东部多海拔3,000米以上的高峰。莱索托麦特隆大坝及原水泵站项目位于莱索托王国马塞卢区，距首都马赛卢35km。该工程主要由碾压混凝土大坝、多级取水塔、泄水房、原水泵站和永久进场道路等组成，主要用于为首都马塞卢及周边提供城市与工业供水。最大设计供水能力为9.3万m3/d。大坝顶部总长278m，共分为25个坝段。大坝坝顶高程EL.1678，底部高程EL.1595，最大坝高83m。坝顶宽7m，最大坝宽约65.6m。本工程碾压混凝土总方量28万m3，采用C20混凝土，最大骨料粒径53mm。工程开工日期为2012年1月12日，完工日期为2015年3月29日。总工期1172天。

本文以莱索托麦特隆大坝项目为依托进行研究，确定亚热带高海拔昼夜大温差地区碾压混凝土工艺技术和碾压混凝土强度发展规律，从而采取相应的措施，发展和完善碾压混凝土技术、工法。

2大坝碾压混凝土主要工艺技术

2.1 原材料的检测和选用

（1）砂石骨料

2012年12月18日砂石系统投产后即具备了碾压混凝土原材料试验条件。采石场玄武岩样品送至南非试验室，做了相关岩石理化指标试验工作。工地试验室完成了砂石系统自产玄武岩砂石骨料的粒径特性检查和常规检测，主要包括：筛分、针片状、砂当量、亚甲蓝、有机质含量、吸水率、表观密度。该砂石骨料中，19mm碎石针片状含量偏高，同时人工砂石粉含量偏高。检测频率按照合同及工程师要求，人工砂检测为每天两次，粗骨料为每天一次，具体检测结果见表1及表2。

表1   粗骨料检测数据统计

表2   细骨料检测数据统计

图1   细骨料级配曲线图

（2）水泥和粉煤灰

采用南非Lafarge水泥厂生产的CEM2型42.5R水泥，采用ASH Resource厂生产的DuraPozz粉煤灰，检测结果显示，Lafarge水泥和ASH Resource粉煤灰各项指标满足南非标准要求。技术条款对于水泥粉煤灰现场检测未做要求，由生产厂家提供每周检测报告即可，现场试验室仅进行抽检。

表3 

水泥检测结果统计

表4   煤灰检测结果统计

（3）外加剂

混凝土采用Chryso外加剂厂生产的Omega 136及Tard CE作为混凝土减水剂及缓凝剂。

（4）拌和用水

混凝土拌和用水采用从河中抽取，经水池净化的水，水样委托CSIR试验室检测，检测结果显示各项指标满足南非标准要求。

2.2 碾压混凝土配合比

标准碾压混凝土、接缝碾压混凝土（StarterRCC）、机拌变态混凝土和接缝砂浆的配合比设计，具体见表5～表8。

表5  标准碾压混凝土配合比设计表

表6   接缝碾压混凝土配合比设计表

表7   机拌变态混凝土配合比设计表

表8   接缝砂浆配合比设计表

施工中对配合比进行了调整和优化，分别拟定了自卸汽车入仓、满管加胶带机入仓的配合比参数，对克服满管胶带机运输碾压混凝土过程中的堵管及骨料分离的方法进行了研究。同时针对人工砂的石粉含量过高且经常波动的情况，研究了降低石粉含量的措施；另一方面鉴于砂石料质量的波动性，配合比也需不断优化。

2.3 适用于本地区气候条件的碾压混凝土施工工艺

（1）混凝土拌和：采用2座HZ150-1S4000L强制式拌和楼拌制。系统总生产能力为：300m3/h，预冷混凝土200m3/h。经过拌和后取样进行强度试验，并经过监理工程师同意，拌和时间由原规范要求的90s改为60s。

（2）混凝土运输、卸料：

EL.1631以下采用自卸汽车直接运输入仓，自卸车行驶速度控制在10km/小时，VB值一般取9s。EL.1631～EL.1658主要采用皮带机加满管运输入仓，自卸汽车转料，VB值得范围为：11～13s。同时，EL.1631以上的三个浇筑层左岸充分利用了3#路从下游直接用自卸汽车入仓。因本项目碾压混凝土工作性能检测需要参照英国规范BS1881规定的方法检测VB值，但是考虑到中国及美国等国家均采用另外一种改进型VB检测方法（配重分别为17.75kg及22.7kg，并取消了VB仪内坍落度桶），为便于与其他项目进行对比，在现场质量控制时，前期同时检测VB值和VC值。EL.1658以上，充分利用现场地形条件，采用自卸汽车直接入仓。

自卸车采用倒退法进入卸料点区域，混凝土的卸料采用两点卸料法，开始卸一半的料，向前移动2～4m，卸掉剩余的料。注意离模板或者边坡保持一定的距离，距离端头模板距离5～6m，侧模距离1.5m，边坡距离0.7m。

接料时，要适当移动车辆，减少骨料分离。在第一层浇筑的时候，要浇筑一个初始平台层最大粒径为37.5mm的starter碾压混凝土，然后才开始浇筑C20/53混凝土，另外如果出现了很严重的骨料分离或者交接班时等待时间过长，也要浇筑C20/37.5混凝土。

（3）采用平层法和斜层法均可浇筑，但斜层法的浇筑速度要适当控制，针对3000平米的仓面，小时浇筑强度宜控制在80～100m3/h，否则容易造成模板移位。斜层坡度取1:20的缓坡，平段宽度取30m及以上便于保证模板不移位。

（4）混凝土摊铺：平仓厚度设计为360mm，碾压后厚度为300mm。

（5）混凝土碾压：大面积区域采用大型振动碾，局部区域采用手扶式振动碾，碾压遍数采用1遍无振+6遍有振+1遍无振的碾压遍数，行驶速度不能太快，按1～1.5km/h, 换算成秒就是0.3m/s，条带必须顺直，偏移距离不能超过100mm，各相邻条带搭接宽度为200mm。一个条带分段碾压，搭接长度3m。碾压过程中按以下要求执行：

①GE-碾压混凝土区域的施工必须在邻近条碾压混凝土碾压前完成；

②第一遍不得振动；

③碾压混凝土和GE碾压混凝土的交界面必须采用手扶式振动碾；

④碾压必须在初凝时间内完成；

⑤碾压过程中不得改变配合比中的含水率。

（6）变态混凝土施工：在模板，廊道，边坡等附近都是变态碾压混凝土。变态碾压混凝土的浇筑也是分层进行，与碾压混凝土同时进行，浆液在制浆平台拌好，通过管道引至施工场地（目前已用自卸汽车改装成仓面储浆车），浆液的注浆方式我们确定是顶部掏槽加浆或者采用钻孔加浆。加浆量按5%考虑，即每1m3的碾压混凝土加浆50L。浆液注入后，静置3～5分钟以后，采用振捣器振捣。振捣到混凝土没有沉降且表面没有气泡冒出为止。振捣棒不能倾斜不能碰到模板或者埋件。

（7）成缝：大坝每条结构缝分为两段，这里所指的是中间部位的缝（Crack director）。在碾压完成以后，采用手扶式切缝机切缝，填入250mm高、双层的

0.25mm厚的HDPE板或者采用双层彩条布。切缝每层都切，但是每隔一层嵌填填缝材料。填缝以后要将缝面用小碾碾平，表面不能出现明显的缝的痕迹，另外填缝材料不能露出表面。

靠上游止水和下游台阶处的结构缝是先安装2mm厚诱导缝（Crack inducer）材料HDPE板。

（8）止水的固定方法和排水孔成型过程

经过研究，施工中采用滑升式止水架固定止水带和钢拔管形成排水孔。滑升式止水架采用4根φ20螺纹钢筋作为爬升杆，支架不滑升时利用螺栓卡在爬升杆上。钢拔管约长1.4m,在每一坯层混凝土接近初凝时拔动上提。

（9）施工缝面处理：不同层的缝面处理方式不一样。首先判断缝的形式，判断方式为：用一些大骨料放在缝面上，用碾压机碾，如果骨料能轻松的压入混凝土中，该缝可以按热缝处理，如果只能压进去一部分，该缝可以按温缝处理，骨料一点都压不进去，可以按冷缝处理。

① 热缝，温缝，冷缝的处理方式如下：

热缝（小于18h的缝面），不做处理，保持表面清洁湿润即可，采用喷雾即可实现；

温缝（18～36h的缝面），在覆盖前浇筑10mm厚的水泥砂浆打底层；

冷缝（大于36h的缝面），冲毛，露出粗骨料，然后浇筑10mm厚的砂浆，然后覆盖上一层。水泥砂浆的摊铺速度应该和碾压混凝土保持一致。不能出现砂浆干燥硬化后还没有及时覆盖的现象。规范要求是在砂浆摊铺后15分钟内用碾压混凝土覆盖。

如果混凝土达到设计高程，上面没有混凝土覆盖，表面（包括顶面和侧面）应该按合同或者设计图纸要求进行抹面。抹面的误差应该满足合同规定的容许误差。

垂直冷缝处理：有时候设备故障或者天气原因导致混凝土施工停止而形成的缝，如果在一层未浇筑完突然中止，这一层的端头应该形成1：4楔形面，楔形面覆盖25～40mm的砂浆，整个楔形面应该按冷缝处理。

② 不同类型的混凝土接触面处理：

碾压混凝土和大坝基岩面接触：采用变态混凝土或者机拌变态混凝土

碾压混凝土和GE碾压混凝土接触：振捣棒垂直插入两种混凝土交界面振捣密实，表面采用手扶式振动碾碾压。

（10）压实度检测：碾压完以后，及时进行压实度检测，在碾压前后的密实度均要检测记录，每250m2检测点不得小于4个，每个检测点，必须检测两次，分别在150mm深处和300mm深处检测。实际操作时，可以考虑将仓面分成很多网格，大概每60m2（横行纵向每隔8m检测一个点）。实际的压实度一般约为2592kg/m3。

（11）养护和保护

养护：浇筑完成以后，并用自动旋转喷头喷水养护，边角部位采用麻布覆盖并洒水养护，安排专人负责，每隔两小时检查一次，及时补充蒸发水分，如果气温高或者风大的天气，也可以考虑采用彩条布或者塑料布覆盖，减少水分蒸发，养护时间持续21天并做好养护记录并提交。

保护：浇筑完120天以后，混凝土内外温差不得超过15度。气温如果低于0℃，混凝土必须覆盖保温层，刚浇筑完的混凝土，不得通过大型的设备。

3 碾压混凝土温控措施

莱索托王国国土海拔均超过1000m，是世界上平均海拔最高的国家。麦特隆坝区绝大部分海拔更是在1600m以上。由于地势较高，莱索托气温比同纬度的非洲国家低得多。夏季凉爽，最高气温33℃，冬季寒冷，最低气温零下10℃。5月～9月为旱季，10月～4月为雨季，全年降水700～800mm。周期性干旱危害较大，最干月（6月）降水不足10mm。麦特隆坝区属于南半球低纬度大陆性亚热带气候，昼夜温差大判若两极、空气湿度低、冬季少雨、夏季短时大风暴雨频发、河道洪水快涨快退、日照时间长、水分蒸发快。研究温控措施对保证碾压混凝土质量意义重大。工地现场在2012年建立了简易气象站，坝址上下游河道建立了水位标尺，收集了当地全年实测水文气象资料，掌握南部非洲高海拔环境下大气自然特性，如气压、温度、温差、湿度、风速、日照等参数，为研究提供基础参数。温控要求为：混凝土入仓温度要求控制在24℃，120天龄期混凝土内外温差不能超过15℃。另外，施工时，必须在混凝土内部预埋温度计。

3.1 冬季低温季节碾压混凝土温控措施

坝区冬季干燥多风且寒冷，昼夜温差大判若两极，最低气温零下10℃，最高气温20.6℃。通过试验研究，采取以下具体温控措施：

① 砂石骨料

骨料仓尽量在晴天中午时进料，避免在夜间进料，并尽量用干骨料以提高骨料温度。

② 用热水拌料

拌和用水不得加热至80℃以上，若其加热至60℃以上，则在掺入水泥前，应将其与骨料拌和，以免混凝土假凝。在一般情况下，拌和用水温度每提高5℃，混凝土温度约升高1℃。实际在位于制冷车间的4m3水箱内加设了一定数量的水阻器加热拌和用水至60～80℃。

③ 拌和楼拌料

拌和楼拌料前，先用热水冲洗搅拌机，并将积水或冰水排除，使拌和机体处于正温状态。搅拌时间较常温时延长，延长时间由试验确定，一般延长20～25%。混凝土拌和物出机温度不低于10℃，入仓温度不低于5℃，搅拌时投料顺序为石-砂-水-水泥和掺和料-外加剂。

④ 集料斗封闭及满管溜槽系统包裹保温被

皮带机和满管系统之间的集料斗周边用保温被封闭，内装碘钨灯。满管外部用保温被包裹。

⑤ 仓面安装碘钨灯

在仓面上、下游模板上固定支撑，每隔约3m安装一盏碘钨灯，以提高模板附近混凝土的温度，减缓混凝土表面温度的降低。

⑥ 布置热风机

为减缓RCC摊铺和碾压过程中的散热速度，提高混凝土浇筑仓面局部小环境的温度，混凝土浇筑时，布置两台功率65KW型号GE65的热风机向仓面吹热风。

⑦ 加快摊铺碾压速度，并在浇筑过程中覆盖保温被

为防止混凝土在卸料后热量迅速散失，尽量减小每次的摊铺面积，并在卸料后立即进行摊铺及碾压，每个坯层碾压结束后若周边气温达到零下1℃，立即覆盖保温被。

⑧ 混凝土浇筑完毕后保温

根据2014年4月份监测月报提供的数据，达到120天龄期的部分混凝土内部温度仍在20℃以上，有的部位甚至在25℃以上，因此要求保温来减少混凝土的内外温差。保温从5月中旬开始，保温时间为5～7月，对于8～9月偶然出现的温度较低的天气，可根据外界气温情况确定是否需要覆盖保温被。保温材料要求为3层结构，由防水，隔热，隔水层组成，其隔热参数C值小于1W/m2.℃。冬季保温主要在浇筑面侧面、顶面覆盖保温被，包括所有外露表面，如大坝下游台阶、廊道出口、上游水位以上的垂直坝面等，起混凝土防裂及防冻的作用（整个冬季，约5～7月），尤其是新浇筑龄期小于21天的碾压混凝土。因而每仓混凝土收仓后，立即对混凝土表面进行覆盖。保温被采用铺盖法布设，铺盖时保温被搭接10cm。对于垂直面，采用在保温被上压木条的方式进行固定，保证保温被平展且紧贴混凝土面，木条排距1.5m～2m。所有混凝土外露立面与平面相交的拐角处用整块保温被折叠包角，并在拐角上、下部位用枋木或木条压紧，保温被接头避开拐角处。保温被铺设平整拉直不起鼓，一个平面基本保证铺设方向一致。保温被遭遇钢筋或其他障碍物时避免采取隔断保温被的方法，尽量采取从保温被中穿孔的方法。全面保温后，尽量做到仓内保持干爽状态，对于需要进行养护的混凝土，主要利用气温较高时段，逐步揭开水平表面的保温被，进行洒水养护。养护完成后在白班和晚班交接班之前覆盖保温被，保持混凝土表面湿润。对于其它外流水影响的坝体表面，采用堵、排等措施防止坝面积水。

3.2 夏季高温季节碾压混凝土温控措施

夏季浇筑主要采取以下温控措施：

① 成品料仓堆料高度应该高于6m并采用喷头喷水湿润粗骨料；

②风冷骨料，利用制冷车间、风冷料仓预冷粗骨料（小石、中石和大石），将碾压混凝土出机口温度控制在20℃；

③ 运输设施加遮阳棚，浇筑速度加快；

④ 在每个仓面配喷雾设施，喷雾降温，减少水分蒸发。

⑤ 浇筑好的表面，立即覆盖彩条布或者帆布，防止太阳直接暴晒,终凝后立即养护。

⑥ 加强混凝土内部温度监测。加强施工期对碾压混凝土温度监测，在混凝土中埋设温度计，将测温电缆引至EL.1607水平排水廊道中的集线箱内。温度计的埋设及观测技术要求按合同文件中温度计技术要求及相应技术规范执行。内部温度计测得的混凝土内部温度大部分在40℃以下。

4 雨季施工措施

4.1 降雨时的应对措施

(1)在降雨量达到每6分钟0.5mm时，混凝土浇筑应该立即停止。雨季期间安排专人负责记录监测雨量的大小。如果降雨超过上述值，仓面总指挥立即通知拌和楼停止生产混凝土。自卸车内没来得及卸料的混凝土采用雨布覆盖好。已入仓的还未来得及平仓碾压的混凝土，马上将表面采用雨布覆盖防止雨水混入并冲刷混凝土。同时，抓紧时间将刚碾压好的还没有凝固的表面覆盖。

(2)当降雨小于上述规定值且有逐渐增大并接近上述值得趋势时，若时间来得及，则处理完料斗内料或已入仓的自卸汽车内料，若时间不允许，则仓面立即停止进料，并迅速完成仓面内尚未进行的卸料、平仓、碾压等作业。

①平仓时要求摊铺条带前端推成不陡于1:4的斜坡面，以便于将所有混凝土能够碾压压实。

②碾压时采用高速档带振进行快速碾压，先封闭RCC表面防止雨水下渗，碾压遍数减少一半，把所有未碾压区按此要求完成碾压后再进行补碾以达到设计压实度。

③快速完成变态混凝土的施工，否则快速用雨布遮盖，尽量不要遗留混凝土受雨水浸泡，然后边揭雨布边完成振捣。对已碾好的仓面因汽车在运料过程中行驶所留下的痕迹，也要用碾压机快速收平，然后才能用雨布覆盖。对已碾压好的仓面采用雨布遮盖，雨布顺水流方向搭接，利于排水，并用重物压住雨布，防止大风将其吹开。

(3)当降雨量小于上述规定且相对比较稳定没有增大的趋势时，可继续施工，但必须采取如下措施：

①试验室以及拌和楼应将混凝土拌和物VB值按最上限控制。

②混凝土进仓后快速平仓、碾压、覆盖。

③加强仓内排水以及阻止外来雨水流入仓面。

④做好新浇筑混凝土面的保护工作。

⑤有抗冲耐磨和抹面要求的区域，如下游台阶处，不得在雨天施工。

4.2 雨后的恢复施工

雨后对仓面的迅速处理是仓面能否顺利恢复浇筑的关键，雨后恢复做好以下几个方面的工作：

(1)采用真空吸水泵或者吸水管、海绵等清除仓内积水；对浮浆安排人员用扫帚扫除；对于靠岸坡侧雨水冲至仓面的泥浆等外来杂物要求清理干净；对于骨料集中且被水浸泡的部分应予以清除（包括骨料与积水）。

(2)如果积水清除以后，仓面内的已浇筑的混凝土表面已经初凝，在覆盖上层混凝土前必须铺一层10mm厚水泥砂浆再覆盖混凝土；如果降雨时间很长，混凝土面已经终凝，则应按施工冷缝先冲毛处理再铺一层10mm厚水泥砂浆然后恢复浇筑。

(3)检查未入仓的或者已入仓未碾压的混凝土是否已超过初凝时间，如果已经初凝，应该作为弃料处理。还在初凝时间以内，应该尽快摊铺碾压。

(4)在运输新生产的混凝土前，自卸车车内的积水应该清理干净。

(5)混凝土拌和物VB值按最上限控制。

5 结语

莱索托麦特隆大坝项目夏季温控主要是预冷骨料、仓面喷雾和加强养护等，未配置制冰楼、冷却水厂和冷却管等，冬季温控措施主要是覆盖保温被和用热风机吹热风，没有配置骨料预热系统、施工暖棚、供热锅炉、高压鼓风机及热工仪表等供热设备，节约了较大成本，但混凝土温控防裂效果很好。水库蓄水后，由监理工程师、业主代表和施工单位组成的联合检查小组定期对坝面及其结构缝处、坝肩（坝体与左、右岸基岩结合面）、坝后台阶表面、廊道等部位进行检查，均未发现大的裂缝和渗漏。从顶层廊道及底层廊道的量测，大坝几乎无渗漏；从取得的碾压混凝土芯样看，混凝土密实且层间结合良好，混凝土的强度都满足设计要求，混凝土裂缝很少，证明我们的冬夏两季的温控和防雨措施及缝面处理都是成功的。本工程积累的碾压混凝土工艺技术和成本低廉而有效的温控措施经验对于其它类似工程具有一定的借鉴作用。但如何在昼夜温差大的时段，尤其冬季昼夜温差高达20℃的情况下做好碾压混凝土的温控防裂工作，仍需要做更深入的探索，进一步研究更适用和有效的方法。

作者简介：陈朝明，工作单位：中国水利水电第八工程局有限公司轨道交通公司技术管理部，出生年月：1972年9月，性别：男，民族：汉族，籍贯：湖南省平江县，学历：大学本科，职称：高级工程师，研究方向：水利水电工程、市政公用工程