張慶春

(新疆匯通水利電力工程建設(shè)有限公司，新疆 烏魯木齊830000)

瀝青混凝土心墻作為土石壩防滲體具有防滲性能好，對土石壩的不均與沉降適應(yīng)能力強(qiáng)[1]，節(jié)省防滲土料，機(jī)械化程度高，在嚴(yán)寒高山地區(qū)或潮濕多雨地帶可以迅速施工等優(yōu)點(diǎn)，因此，瀝青混凝土心墻土石壩作為一種優(yōu)越壩型越來越受到工程界的重視[2]。對冬季碾壓式瀝青混凝土低溫季節(jié)施工質(zhì)量控制，主要有以下幾個(gè)方面:① 瀝青混凝土的壓實(shí)性能。② 瀝青混凝土配合比在密實(shí)條件下的分離情況。③ 上、下兩層瀝青混凝土間結(jié)合情況。④ 上層瀝青混凝土與下層瀝青混凝土結(jié)合面的防滲性能。⑤ 上下層結(jié)合面和非結(jié)合面的強(qiáng)度和變形性能。⑥ 熱料在低溫?cái)備伜鬅崃虾拖聦訙囟茸兓闆r[3]。

挪威的 Storglomvatn壩高125 m[1]，位于挪威北部北極圈以北25 km處，10月份氣溫降低到－10℃～－15℃時(shí)，瀝青心墻照常施工，施工時(shí)對下層瀝青混凝土用紅外線加熱，大壩1997年竣工至今心墻實(shí)質(zhì)不透水，大壩變形和瀝青心墻性能的反饋分析表明，大壩性能非常良好。

冶勒壩高124 m[1]，場外低溫?cái)備佋囼?yàn)成功后，瀝青心墻的施工氣溫限制條件下降到－5℃，攤鋪機(jī)對下層瀝青混凝土表面用紅外線進(jìn)行了加熱，冶勒瀝青心墻壩2005年完建，觀測結(jié)果表明瀝青心墻運(yùn)行很好。

黨河瀝青混凝土心墻壩[1]，最大高度為70 m，在冬季寒冷季節(jié)也進(jìn)行了施工，工作面測定最低溫度為－10℃ ～－13℃，而且下層瀝青混凝土沒有加熱，一期工程完建至今38年、二期加高工程完建至今18年，觀測結(jié)果表明黨河土石壩碾壓式瀝青混凝土心墻運(yùn)行良好。

由以上幾個(gè)國內(nèi)外工程實(shí)例可知，在氣溫－20℃條件下實(shí)現(xiàn)碾壓式瀝青心墻施工是可行的，但有必要在庫什塔依水電站工程中進(jìn)行冬季施工試驗(yàn)研究，確定低溫瀝青混凝土配合比和施工工藝，解決河道截流后到第二年汛前有效施工工期較短所帶來的施工較緊張的難題，實(shí)現(xiàn)碾壓式瀝青混凝土在氣溫 －20.0℃施工時(shí)，各種性能滿足設(shè)計(jì)要求。

1 工程概況及施工環(huán)境

庫什塔依水電站工程位于新疆克斯縣境內(nèi)的特克斯河一級支流庫克蘇河上，工程電站裝機(jī)100 MW，攔河壩為碾壓式瀝青混凝土心墻壩，最大壩高91.6 m，為Ⅱ等大(2)型工程。該工程由攔河壩、溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪洞、發(fā)電引水洞、廠房等建筑物組成[2]，主要任務(wù)為發(fā)電。

新疆冬季嚴(yán)寒且時(shí)間長，每年11月至次年3月平均氣溫低于5.0℃。河流徑流補(bǔ)給以高山區(qū)永久積雪和冰川消融為主，河流全年來水量的60%以上集中在6月—8月。受氣候條件和河流水文特性的制約，新疆水利水電工程工期安排一般是:汛期過后9月份河道截流，11月份入冬，第二年4月份才正常施工，5月份進(jìn)入桃花汛，6月份進(jìn)入主汛期，河道截流后到第二年汛前有效施工工期較短。

2 正常氣溫下瀝青混凝土心墻配合比試驗(yàn)[3]

2.1 瀝青混凝土原材料

粗、細(xì)骨料均由質(zhì)地堅(jiān)硬的新鮮灰?guī)r經(jīng)人工破碎生產(chǎn)，填料為礦粉，瀝青為克拉瑪依AH－70號瀝青，質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

2.2 配合比試驗(yàn)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取最大骨料粒徑Dmax=19 mm，填料濃度 2.0，不同油石比(6.2%、6.5%、6.8% 、7.1% 、7.4%)和不同級配指數(shù)(0.36、0.38、0.40、0.42)組成四組17種配合比共計(jì)51個(gè)試件，測定不同配比下試件的密度和孔隙率，采用間接拉伸試驗(yàn)測定間接拉伸荷載，間接拉伸軸向位移，計(jì)算出間接拉伸強(qiáng)度。級配指數(shù)為 0.36、0.38、0.40、0.42時(shí)均滿足《土石壩瀝青混凝土面心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5411 －2009)孔隙率小于 2% 的要求[4]。級配指數(shù)0.38、0.40均具備較大間接拉伸強(qiáng)度和間接拉伸位移，級配指數(shù)0.38時(shí)孔隙率較小，選定級配指數(shù)為0.38。油石比為6.8%和7.1%時(shí)間接拉伸強(qiáng)度和間接拉伸位移值都比較集中，變形、強(qiáng)度性能均比較好，孔隙率較小，選定油石比為6.8%。采用不同填料濃度(m=1.6、m=1.8、m=2.0、m=2.2)組成4種配合比進(jìn)行試驗(yàn)，4種配合比孔隙率均小于2%。在實(shí)際工程中，填料濃度多采用1.8和2.0兩個(gè)配合比，因此選擇填料濃度為1.8的配合比。

庫什塔依水電站工程正常氣溫瀝青混凝土配合比為最大骨料粒徑選用Dmax=19 mm，級配指數(shù)為 0.38，油石比為 6.8%，填料濃度為 1.8，正常氣溫瀝青混凝土心墻材料及配合比見表1[5]。

表1 庫什塔依水電站工程正常氣溫瀝青混凝土心墻材料及配合比試驗(yàn)

3 冬季施工瀝青混凝土心墻配合比試驗(yàn)(氣溫 －25.0℃)[5]

3.1 碾壓式瀝青混凝土心墻冬季施工配合比初選

根據(jù)正常氣溫下瀝青混凝土配合比試驗(yàn)成果，冬季施工的瀝青混凝土配合比試驗(yàn)采用最大骨料粒徑Dmax=19 mm，礦料級配指數(shù)為0.38、填料濃度為1.8，在此基礎(chǔ)上，選取 7個(gè)不同油石比，即 6.8% 、7.1% 、7.4% 、7.7% 、8.0% 、8.3% 、8.6% ，共組成7個(gè)配合比，測定不同配比參數(shù)條件下試件的密度和孔隙率，采用間接拉伸試驗(yàn)測定間接拉伸強(qiáng)度和間接拉伸軸向位移，計(jì)算出間接拉伸強(qiáng)度，確定冬季施工瀝青混凝土心墻配合比，試驗(yàn)結(jié)果見表2 ～表4和圖1～圖3。

表2 冬季施工瀝青混凝土配合比參數(shù)和材料品種表配合比

表3 D1～D7號配合比密度、孔隙率試驗(yàn)結(jié)果表

表4 D1～D7號配合比間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果表

圖1 油石比與孔隙率關(guān)系曲線

(1)油石比對瀝青混凝土孔隙率的影響

由表3和圖1可看出，孔隙率隨著油石比的不斷增大而不斷減小，除油石比為6.8%時(shí)不滿足孔隙率小于2%的規(guī)范要求外，其它均滿足孔隙率小于2%的規(guī)范要求，當(dāng)油石比大于7.7%時(shí)，瀝青混凝土的孔隙率較小。

圖2 油石比與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖3 油石比與間接拉伸位移關(guān)系曲線

(2)油石比對瀝青混凝土間接拉伸強(qiáng)度的影響

由表4和圖2可看出，油石比由7.1%增大到8.6%時(shí)，瀝青混凝土的間接拉伸強(qiáng)度逐漸減小，即隨著油石比的不斷增大，間接拉伸強(qiáng)度不斷減小。

(3)油石比對瀝青混凝土間接拉伸位移的影響由表4和圖3可看出，當(dāng)油石比由7.7%增大到8.3%時(shí)，瀝青混凝土的間接拉伸位移逐漸減小，但當(dāng)油石比繼續(xù)增大時(shí)，間接拉伸位移隨之增大。

從試驗(yàn)成果表3、表4和圖1、圖2、圖3可看出，油石比為8.0%時(shí)，瀝青混凝土的孔隙率為1%，瀝青混凝土的間接拉伸強(qiáng)度和間接拉伸位移都均較好。

(4)碾壓式瀝青混凝土心墻冬季施工配合比初選

根據(jù)配合比試驗(yàn)結(jié)果，從防滲要求、力學(xué)性能、施工性能等和安全、經(jīng)濟(jì)考慮，結(jié)合工程實(shí)際情況，選擇D5的配合比為冬季施工的瀝青混凝土心墻配合比。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行其他各項(xiàng)性能試驗(yàn)。故碾壓式瀝青混凝土心墻冬季施工配合比初選為:級配指數(shù)0.38、填料含量為1.8和油石比為8.0%。瀝青混凝土心墻冬季施工配合比見表5。

表5 庫什塔依水電站工程冬季施工瀝青混凝土心墻材料及配合比(初選)

3.2 室內(nèi)模擬低溫施工工藝試驗(yàn)

根據(jù)初選配合比試驗(yàn)結(jié)果，選以D5的配合比進(jìn)行低溫－25℃條件下室內(nèi)工藝性模擬試驗(yàn)，進(jìn)一步研究上、下兩層瀝青混凝土之間的結(jié)合情況，及層間結(jié)合面的防滲性能，上下層結(jié)合面和非結(jié)合面的強(qiáng)度和變形性能，熱料在低溫?cái)備伜鬅崃虾拖聦訙囟茸兓闆r，根據(jù)冬季低溫－25℃條件下室內(nèi)工藝性模擬試驗(yàn)結(jié)果，從瀝青混凝土防滲性能、力學(xué)性能、施工性能等性能和安全、經(jīng)濟(jì)考慮，結(jié)合工程實(shí)際情況，確定冬季施工的瀝青混凝土心墻配合比。

冬季低溫－25℃條件下工藝性模擬試驗(yàn)方法為:瀝青混凝土的制備分上下兩層，上層尺寸為26 cm×26 cm×10 cm(厚)，下層尺寸為26 cm×26 cm×6 cm(厚)。采用模擬瀝青心墻現(xiàn)場震動碾壓法擊實(shí)法制備瀝青混凝土下層，控制孔隙率為≤3%，將試塊放入大型溫箱中降溫到－25℃，并恒溫一定時(shí)間，然后將表面用噴燈烤至不同溫度(見表6)，再將同配合比的上層熱瀝青混合料鋪到溫度為－25℃的下層試塊上，表面蓋上帆布。當(dāng)上層熱料表面下2 cm處溫度降到140℃時(shí)再對上層熱料按上述方法擊實(shí)，控制擊實(shí)厚10 cm，控制孔隙率為≤3%，室內(nèi)模擬低溫施工工藝試驗(yàn)步驟及質(zhì)量檢測項(xiàng)目見表6。

3.3 模擬冬季低溫－25℃條件下瀝青混凝土的性能試驗(yàn)

根據(jù)初選配合比試驗(yàn)結(jié)果，選擇編號為D5的配合比進(jìn)行室內(nèi)工藝性模擬試驗(yàn)。

(1)瀝青混凝土的壓實(shí)性能

考慮到低溫?zé)釣r青混合料預(yù)熱下層低溫瀝青混凝土(－25℃)熱量傳遞的需要，試件成型溫度取壓實(shí)溫度下限140℃?？紤]瀝青心墻壓實(shí)為單向，試驗(yàn)用馬歇爾擊實(shí)錘擊實(shí)試件也為單面擊實(shí)。對2個(gè)最大骨料粒徑(D=19 mm和D=16 mm)、5個(gè)瀝青含量共10個(gè)配合比的瀝青混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)，10個(gè)不同配合比在140℃條件下當(dāng)孔隙率為2%時(shí)，不同的瀝青含量(油石比)與瀝青混凝土相應(yīng)的擊實(shí)次數(shù)的關(guān)系見圖4。

圖4 孔隙率為2%時(shí)，瀝青含量與擊實(shí)次數(shù)關(guān)系曲線

表6 碾壓式瀝青混凝土室內(nèi)模擬低溫施工工藝試驗(yàn)步驟及質(zhì)量檢測

試驗(yàn)表明，隨著瀝青含量的增加，瀝青混凝土在140℃條件下達(dá)到孔隙率為2%所需的擊實(shí)次數(shù)顯著降低。瀝青含量從7%到8%，擊實(shí)次數(shù)大致呈線性下降;當(dāng)瀝青含量大于8%到9%，擊實(shí)次數(shù)變化不大，也就是說，當(dāng)瀝青含量大于8%時(shí)，瀝青混凝土很容易壓實(shí)。

(2)瀝青混凝土配合比在密實(shí)條件下的分離情況

對2個(gè)最大骨料粒徑、5個(gè)瀝青含量共10個(gè)配合比的瀝青混凝土試件進(jìn)行分離度試驗(yàn)，不同的瀝青含量(油石比)與瀝青混凝土相應(yīng)分離度的關(guān)系見圖5。

圖5 瀝青含量與分離度關(guān)系曲線

圖6 表明松鋪的厚11 cm溫度為160℃的熱料在－25℃環(huán)境氣溫中降溫很快，熱料表面下2 cm在12 min降到140℃;下層－25℃試塊表面升溫很快，在3 min～4 min就從 －25℃升到100℃，繼而慢慢降溫，在12 min時(shí)降到90℃。下層試塊表面下3 cm在12 min內(nèi)從－21℃升到0℃。在實(shí)際工程中，瀝青混凝土心墻一般寬50 cm～80 cm，一層澆筑厚度為25 cm～30 cm、沿壩軸線很長，熱瀝青混合料體積大，其熱容量更大，散熱要比試驗(yàn)室條件下慢的多，只要在施工過程中嚴(yán)格控制瀝青混合料拌合溫度，采取有效的保溫措施和合理的施工工藝，瀝青混凝土心墻的施工質(zhì)量是可以保證的。

圖6 熱料和下層－25℃試塊在－25℃溫箱中的溫度變化過程

3.4 碾壓式瀝青混凝土心墻冬季施工配合比

根據(jù)模擬低溫施工工藝試驗(yàn)和冬季低溫－25℃條件下瀝青混凝土的性能試驗(yàn)成果，從瀝青混凝土的防滲性能、力學(xué)性能、施工性能等性能和安全、經(jīng)濟(jì)考慮，結(jié)合工程實(shí)際情況，采用(編號為D5)最大骨料粒徑Dmax=19 mm，級配指數(shù)0.38、填料含量為1.8和油石比為8.0%的配合比為冬季施工瀝青混凝土心墻配合比。

4 結(jié)論

庫什塔依水電站工程已于2012年8月蓄水發(fā)電，經(jīng)過近兩年高水位運(yùn)行，監(jiān)測成果表明，大壩各項(xiàng)指標(biāo)均處于正常范圍，大壩運(yùn)行正常。

通過對正常氣溫施工和冬季施工兩種瀝青混凝土心墻配合比，在苛刻的室內(nèi)試驗(yàn)條件下和冬季低溫－25℃條件下工藝性模擬試驗(yàn)研究，可得出以下結(jié)論:

(1)正常氣溫施工和冬季低溫－25℃條件下施工瀝青混凝土心墻配合比的區(qū)別是:瀝青混凝土心墻配合比中瀝青含量有所增加，即冬季低溫條件下施工時(shí)瀝青混凝土心墻配合比中油石比比正常氣溫施工時(shí)油石比略有增大，庫什塔依水電站工程油石比由6.8%增加到8.0%，瀝青含量增加1.2%。與正常氣溫施工瀝青混凝土心墻配合比相比，冬季低溫條件下施工時(shí)瀝青混凝土心墻配合比，瀝青含量增加1.2%，增幅不大，其他配合比參數(shù)不變。

(2)由于冬季低溫－25℃條件下施工時(shí)瀝青含量比正常氣溫施工時(shí)有所增加，室內(nèi)試驗(yàn)和冬季低溫－25℃條件下工藝性模擬試驗(yàn)表明，施工時(shí)瀝青混凝土將會很容易壓密實(shí)，擊實(shí)瀝青混凝土試件沒有產(chǎn)生分離和密度不均勻現(xiàn)象，上、下兩層瀝青混凝土的結(jié)合良好，模擬低溫施工瀝青混凝土試塊的結(jié)合面也滿足防滲性要求，試塊的結(jié)合面和非結(jié)合面芯樣的孔隙率都滿足規(guī)范對瀝青心墻的孔隙率要求，即孔隙率≤3%。

(3)由于冬季低溫－25℃條件下施工時(shí)瀝青含量比正常氣溫施工時(shí)有所增加，試件上部和下部的劈裂強(qiáng)度和變形沒有明顯區(qū)別，說明試件性能均勻，隨著瀝青含量的增加，強(qiáng)度有所減小，變形有所增大。

(4)在實(shí)際工程施工中，瀝青混凝土心墻寬50 cm～80 cm、層厚25 cm～30 cm、同實(shí)驗(yàn)室試塊相比，沿壩軸線很長，熱瀝青混合料體積更大，其熱容量也更大、散熱比試驗(yàn)要慢的多，因此，只要在施工過程中嚴(yán)格控制瀝青混合料拌合溫度，采取有效的保溫措施和合理的施工工藝，瀝青混凝土心墻的施工質(zhì)量是可以保證的，碾壓式瀝青混凝土在－25℃氣溫下施工是可行的。

[1]西安理工大學(xué).新疆伊犁庫克蘇河庫什塔依水電站工程瀝青混凝土心墻冬季施工可行性專題論證報(bào)告[R].西安:西安理工大學(xué)水工瀝青防滲研究所，2009.

[2]新疆維吾爾自治區(qū)新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.庫什塔依水電站工程可行性研究報(bào)告[R].烏魯木齊:水利部新疆維吾爾自治區(qū)新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2010.

[3]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T5362－2006.水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中國電力出版社，2006.

[4]中華人民共和國國家能源局.DL/T5411－2009.土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國電力出版社，2009.

[5]西安理工大學(xué).新疆伊犁庫克蘇河庫什塔依水電站工程瀝青混凝土心墻材料及配合比試驗(yàn)報(bào)告[R].西安:西安理工大學(xué)水工瀝青防滲研究所，2010.