李中田,王 鵬,李 鑫,馬智法

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 ；2.洮南市防汛抗旱服務(wù)中心，吉林 洮南 )

對(duì)混凝土重力壩裂縫滲漏加固處理而言，瀝青混凝土掛板具有防滲效果好、適應(yīng)壩體變形能力強(qiáng)、施工工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，如能放空庫水進(jìn)行修補(bǔ)，可達(dá)到根治壩體裂縫滲水的效果。

吉林豐滿水電站混凝土老壩全長1080 m，共分60個(gè)壩段。大壩始建于1937年，1942年蓄水，1945年停建，1953年續(xù)建完成。由于大壩工程的施工質(zhì)量低劣，一直存在壩體滲漏、溶蝕、凍融破損等問題，影響著大壩的正常運(yùn)行，需要進(jìn)行防滲補(bǔ)強(qiáng)處理。20世紀(jì)90年代，決定在豐滿水電站大壩上游面高程226～245 m的19 m高程范圍內(nèi)(常年水位以下)采用澆筑式瀝青混凝土防滲面板方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。

1 材料與方法

豐滿水電站防滲掛板瀝青混凝土的膠結(jié)材料為瀝青、渣油的摻配瀝青，礦質(zhì)混合料為碎石、人工砂、填料和石棉組成。

1.1 瀝青

本工程選用的是大慶減壓渣油進(jìn)行瀝青摻配。從表1可以看出，通過瀝青摻配試驗(yàn)分析得出：摻入渣油后試配瀝青的針入度指數(shù)變小，屬凝膠結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有溫感系數(shù)小，抗流變性好的特點(diǎn)，同時(shí)針入度較大適宜澆筑施工，綜合評(píng)價(jià)瀝青摻配后適應(yīng)其運(yùn)行工況并滿足施工要求。

表1 瀝青摻配試驗(yàn)

1.2 石棉、填料

1.2.1 石棉

石棉纖維具有極大的比表面積，因此與普通瀝青混凝土相比，摻石棉纖維的瀝青混凝土還具有瀝青含量高、抗老化性能好等特點(diǎn)，本次試驗(yàn)用石棉密度為2.61 g/cm3。

1.2.2 填料

石灰粉細(xì)度試驗(yàn)結(jié)果表明：0.15 mm篩孔通過率為100%，0.074 mm篩孔通過率為95%，密度為2.74 g/cm3，親水系數(shù)為0.89，均符合技術(shù)要求。

1.3 骨料

粗、細(xì)骨料均為明城石灰石軋制的碎石和人工砂。

1.3.1 粗骨料

粗骨料視比重為2.68 g/cm3，用水煮法做粗骨料與瀝青黏結(jié)力試驗(yàn)，結(jié)果表明：石料表面與瀝青的黏結(jié)力達(dá)到五級(jí)，黏結(jié)性為優(yōu)。篩析試驗(yàn)的顆粒級(jí)配見表2。

表2 粗骨料篩分結(jié)果

1.3.2 細(xì)骨料

細(xì)骨料的視比重為2.70 g/cm3，通過細(xì)骨料的水穩(wěn)定等級(jí)試驗(yàn)，瀝青與細(xì)骨料的黏著性指數(shù)達(dá)到10級(jí)，篩析試驗(yàn)的顆粒級(jí)配見表3。

表3 細(xì)骨料篩分結(jié)果

1.4 瀝青混凝土配合比的選定

澆筑式瀝青混凝土是瀝青含量較多的瀝青混凝土，有自行密實(shí)能力，防滲性能好。為了使瀝青混凝土在施工時(shí)具有一定的和易性，防止骨料分離，并保證防滲面板運(yùn)行期的安全，要合理選擇材料，正確進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)[1]。需要按照密實(shí)礦物混合料的原則選配，參照經(jīng)驗(yàn)曲線范圍選擇混合料配比，得到其礦物混合料級(jí)配(石棉除外)如表4。

表4 礦料級(jí)配表

根據(jù)瀝青混合料試拌結(jié)果，最終確定瀝青混凝土配合比如表5。以上三種配合比的瀝青混凝土在室內(nèi)溫度控制在150～180 ℃時(shí)拌和，澆筑試驗(yàn)和易性都比較好，并且不產(chǎn)生離析現(xiàn)象。90-1號(hào)配合比試件測(cè)試的孔隙率最小，密實(shí)度最佳。

表5 瀝青混合料成型配料單

2 瀝青混凝土的物理力學(xué)試驗(yàn)

2.1 抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定系數(shù)試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是試件在20 ℃的恒溫條件下，軸向變形速度為5 mm/min的極限抗壓強(qiáng)度。水穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)是瀝青混凝土防滲面板的基本要求之一。試件應(yīng)在水的長期浸泡下使黏附于礦質(zhì)材料的瀝青膜不產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，從而保證長期的防滲效果[2-3]。

瀝青混凝土的耐水性試驗(yàn)是一組在49 ℃水中恒溫放置四晝夜后移至20 ℃恒溫中的試件與另一組干放在20 ℃恒溫中的試件的抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。它們的比值即為水穩(wěn)定系數(shù)，系數(shù)愈大(接近1.0)，耐久性越好。結(jié)果表明浸水試件的強(qiáng)度沒有損失(一般耐水性系數(shù)達(dá)到0.85就符合技術(shù)要求)，表明瀝青混合料的耐水性符合要求。

2.2 柔性試驗(yàn)

柔性試驗(yàn)是為了測(cè)定瀝青混凝土的極限變形能力。澆筑式瀝青混凝土具有變形良好的特點(diǎn)，因而更能適應(yīng)壩體的整體和局部變形。計(jì)算的撓跨比和受拉面應(yīng)變列于表6。表中列出了四種不同溫度條件下的結(jié)果。根據(jù)混凝土壩的變形性能，再加上外側(cè)鋼筋混凝擋板的保護(hù)，瀝青混凝防滲層完全能適應(yīng)壩體的變形而不致開裂。

表6 瀝青混凝土性能結(jié)果

2.3 三軸剪切試驗(yàn)

瀝青混凝土的三軸剪切試驗(yàn)是把直徑為10 cm，高為20 cm的圓柱狀試件置于三軸壓力室內(nèi)，在溫度為11±1 ℃下以不同圍壓，軸向?yàn)?.1 mm/min的加壓(變形)速度下做剪切試驗(yàn)，直到軸向壓力達(dá)到峰值。90-1配合比的瀝青混凝土凝聚力c為0.225 MPa，內(nèi)摩擦角為6°46′，90-2配合比的瀝青混凝土黏聚力c為0.185 MPa，內(nèi)摩擦角為10°16″。

以上兩種配合比的瀝青混凝土凝聚力都比較大，這與瀝青的針入度指數(shù)較大有關(guān)，也與瀝青混凝土中的尖角骨料有關(guān)。

2.4 配合比結(jié)論

(1)大慶氧化瀝青針入度指數(shù)大，抗流變性好，具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性[4]。由石灰石軋制的粗、細(xì)骨料和填料，屬于堿性礦質(zhì)材料，和瀝青黏附后，可以抵抗水的長期剝離作用，骨料具有尖角可以提高瀝青混凝土的力學(xué)穩(wěn)定性。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青混凝土的耐水性優(yōu)良，柔性能適應(yīng)工程的實(shí)際變形能力，密實(shí)良好，防滲可靠。

(3)三軸剪切試驗(yàn)表明，瀝青混凝土具有一定的內(nèi)摩擦角和較高的凝聚力，用于豐滿大壩上游面防滲面板的具體條件下，其力學(xué)穩(wěn)定性是可靠的。在防滲面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼筋混凝土擋板除了在施工階段是澆筑瀝青混凝土的模板外，在運(yùn)行期間又對(duì)瀝青混凝土起重要的保護(hù)作用。防滲層長期處于水下，溫度變化幅度小，更加穩(wěn)定可靠。

(4)試驗(yàn)結(jié)果表明，90-1號(hào)配合比，即瀝青10%、渣油5%、石棉5%、石灰粉12%、細(xì)骨料36%、粗骨料32%更能滿足各項(xiàng)技術(shù)要求，可作為施工用配合比。

3 長期運(yùn)行后瀝青單質(zhì)及瀝青混凝土性能研究

該配合比于1999年應(yīng)用豐滿水單站大壩上游面修補(bǔ)施工，隨著工程重建，有機(jī)會(huì)將原施工所用的瀝青混凝土取樣進(jìn)行再次性能檢測(cè)，考證瀝青混凝土的長期性能變化趨勢(shì)。

3.1 瀝青單質(zhì)試驗(yàn)

本研究利用溶解、過濾、蒸餾等手段，將瀝青單質(zhì)由瀝青混合料中提取出來，進(jìn)行主要指標(biāo)檢測(cè)，結(jié)果如表7所示。由數(shù)據(jù)可以看出瀝青單質(zhì)性質(zhì)變化不大，說明在水下運(yùn)行，瀝青單質(zhì)老化進(jìn)程緩慢。

3.2 瀝青混凝土性能

利用拆壩過程所取的瀝青混凝土芯樣，進(jìn)行耐久性、彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，與瀝青混合料配合比數(shù)據(jù)比較差異不大，反應(yīng)澆筑式瀝青混凝土在水下老化進(jìn)程緩慢。

表8 老壩瀝青單質(zhì)試驗(yàn)

4 結(jié)論及建議

通過瀝青單質(zhì)、瀝青混凝土多年后的試驗(yàn)性能比較，得出澆筑式瀝青混凝土，由于瀝青含量較高，不易受水侵蝕發(fā)生老化。