碾壓式瀝青混凝土心墻壩冬季施工試驗(yàn)研究

胡海濤，張生財(cái)

（吐魯番地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆吐魯番838000）

碾壓式瀝青混凝土心墻壩冬季施工試驗(yàn)研究

胡海濤，張生財(cái)

（吐魯番地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆吐魯番838000）

本文對(duì)阿拉溝水庫瀝青混凝土心墻冬季施工溫度控制進(jìn)行了研究，分析了低溫環(huán)境下瀝青心墻結(jié)合面各項(xiàng)性能隨溫度變化的情況，通過調(diào)整配合比、加強(qiáng)低溫環(huán)境保溫措施等方法，使得瀝青混凝土心墻冬季施工順利進(jìn)行，取得了良好的效果。

碾壓瀝青混凝土；心墻；冬季施工；阿拉溝

瀝青混凝土心墻壩目前在世界范圍內(nèi)得到廣泛運(yùn)用，成為重要的壩型之一。它具有良好的適應(yīng)變形能力、抗沖蝕能力、抗老化能力，整個(gè)心墻無須設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，因此，其應(yīng)用范圍廣且安全性高。碾壓瀝青混凝土心墻正常施工的氣候條件是0℃以上，阿拉溝水庫是一座碾壓式瀝青混凝土心墻壩，施工過程中為加快施工進(jìn)度，需要在低溫氣候條件下進(jìn)行碾壓瀝青混凝土心墻的施工。阿拉溝水庫壩高在目前已建成同類壩型中排名第三，瀝青心墻又是壩體的核心部分，因此，心墻的施工是質(zhì)量控制的關(guān)鍵點(diǎn)。為此，對(duì)阿拉溝水庫瀝青心墻冬季施工涉及的配合比、結(jié)合面強(qiáng)度等要素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，保證了瀝青心墻在低溫條件下施工質(zhì)量，加快了水庫工程施工進(jìn)度，也為類似工程的推廣積累經(jīng)驗(yàn)。

1 水庫概況

阿拉溝水庫工程位于新疆維吾爾自治區(qū)托克遜縣境內(nèi)，是阿拉溝河上重要控制性水利樞紐工程，承擔(dān)流域防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)供水等綜合性任務(wù)。其總庫容4450萬m3，壩高105.26m，由擋水大壩、岸邊正槽溢洪道、右岸導(dǎo)流洞及左岸放水洞組成。

阿拉溝水庫擋水大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩，上游壩坡坡比為1∶2.2，下游壩坡坡比1∶2.0，壩體剖面結(jié)構(gòu)主要由上、下游壩殼料、瀝青混凝土心墻、過渡層構(gòu)成。心墻厚度由下至上從1.1m變至0.8m再變至0.6m。

2 庫區(qū)氣溫特性

阿拉溝水庫所處的托克遜縣雖然平均氣溫較高，但水庫壩址卻位于托克遜縣最西部的天山峽谷內(nèi)，冬季干冷、風(fēng)小雪稀。壩址區(qū)多年平均氣溫9.7℃，最低氣溫-23.5℃（1997年1月），每年11月中旬至次年三月中旬氣溫在0℃以下。阿拉溝水庫壩址區(qū)氣溫特性見表1。

3 瀝青混凝土心墻冬季施工溫控研究

3.1 原材料及配合比的選擇

瀝青為某石化公司生產(chǎn)的70號(hào)（A級(jí)）道路石油瀝青（桶裝成品）；粗骨料為當(dāng)?shù)鼗規(guī)r料，粒徑（9.5～19）mm為成品料，小于9.5mm為混合料，經(jīng)試驗(yàn)室篩分后得到粒徑（2.36～4.75）mm及（4.75～9.5）mm試料；細(xì)骨料為當(dāng)?shù)鼗規(guī)r料，粒徑為（0.075～2.36）mm；填料（礦料）為成品石灰石粉。

采用瀝青混凝土試驗(yàn)室優(yōu)選出的配合比進(jìn)行試驗(yàn)，即骨料最大粒徑為19mm，礦料級(jí)配指數(shù)為0.38，填料用料為14%，瀝青用量為7.0%，試驗(yàn)室實(shí)配的質(zhì)量配合比見表2。

3.2 試驗(yàn)結(jié)論

本工程通過室內(nèi)試驗(yàn)和施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)不同結(jié)合面溫度（-25℃、-10℃、10℃、30℃、50℃、70℃、140℃）碾壓式瀝青混凝土心墻的物理力學(xué)性能，以及結(jié)合面溫度降低后對(duì)瀝青心墻上、下層結(jié)合質(zhì)量進(jìn)行了分析，主要是對(duì)原材料和冬季低溫氣候條件下配合比的選擇、不同下層料溫度結(jié)合面處的劈裂試驗(yàn)、抗剪斷試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)以及上層熱瀝青混凝土攤鋪后對(duì)下層料的加熱效應(yīng)方面進(jìn)行了分析和研究，結(jié)論如下。

表1 阿拉溝水庫壩址區(qū)氣溫特性表

表2 瀝青混凝土試驗(yàn)室實(shí)用材料基礎(chǔ)配合比

（1）冬季低溫條件下碾壓式瀝青混凝土心墻施工原材料均符合規(guī)范要求，選用冬季施工配合比參數(shù)的取值分別為：最大粒徑19mm，級(jí)配指數(shù)n為0.38、填料用量為14%、瀝青用量為7.0%。

（2）經(jīng)不同結(jié)合面溫度的劈裂試驗(yàn)后可得，劈裂抗拉強(qiáng)度隨結(jié)合面溫度的降低而降低，結(jié)合面溫度的降低對(duì)瀝青混凝土的層間結(jié)合質(zhì)量有影響，但影響不大。以結(jié)合面溫度為30℃所成型試件的劈裂抗拉強(qiáng)度與母材試件相比下降了10.6%，下降幅度較小。抗剪斷強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變均隨結(jié)合面溫度降低而下降，結(jié)合面溫度為30℃時(shí)與一次成型試件相比分別下降了8.1%、4.5%、8.3%，下降幅度較小，能夠滿足規(guī)范要求。拉伸強(qiáng)度、最大抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)變隨結(jié)合面溫度的降低而有所下降，結(jié)合面溫度為30℃時(shí)與一次成型試件相比分別下降了7.5%、13.9%，均能夠滿足規(guī)范要求。

（3）結(jié)合面溫度為-25℃的直接剪切及小梁彎曲試件試驗(yàn)后的斷面較平整，試件呈脆性破壞，而結(jié)合面溫度為30℃的試驗(yàn)后試件斷面粗糙不平，層間有大顆粒骨料相互嵌入，試件呈延性破壞，層間結(jié)合情況較好。

（4）上部瀝青混凝土拌合物對(duì)下層瀝青混凝土結(jié)合面加熱效果明顯。當(dāng)160℃左右的瀝青混合料攤鋪到30℃的下層料時(shí)，通過熱傳遞層面以下10mm處可達(dá)到規(guī)范要求的70℃以上。雖然冬季環(huán)境溫度過低，但工程中熱瀝青混合料體積大、熱容量大、散熱比試驗(yàn)過程中的熱散要慢的多，上部瀝青混凝土拌合物對(duì)下層瀝青混凝土結(jié)合面加熱效果明顯，可以滿足規(guī)范要求。

（5）瀝青用量增加后的瀝青混凝土力學(xué)性能有所下降，但變化不大。冬季施工配合比瀝青用量增加后瀝青混凝土的自由瀝青增多，其密度、抗壓強(qiáng)度較基礎(chǔ)配合比有所下降，但變形能力有所增加；內(nèi)摩擦角和粘聚力較基礎(chǔ)配合比均有所下降，但變化不大，均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

經(jīng)以上分析，在環(huán)境溫度較低的情況下，瀝青混凝土結(jié)合面溫度從現(xiàn)行規(guī)范要求的70℃降低到30℃后結(jié)合面強(qiáng)度沒有明顯下降，碾壓層面結(jié)合質(zhì)量可以保證，為冬季低溫條件下碾壓瀝青混凝土心墻的施工提供了理論依據(jù)。

4 瀝青混凝土心墻冬季施工措施

4.1 瀝青混凝土心墻冬季施工措施

通過瀝青混凝土心墻冬季施工溫控研究分析了低溫條件下瀝青心墻結(jié)合面各項(xiàng)性能的變化，不僅如此，還對(duì)瀝青混凝土生產(chǎn)、拌合、運(yùn)輸、碾壓等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行溫度控制，保證了阿拉溝水庫瀝青混凝土心墻冬季施工質(zhì)量，使得該工程在極端施工氣候條件下（環(huán)境氣溫-5～-21℃，風(fēng)力3級(jí)）碾壓式瀝青混凝土防滲心墻的順利施工。

4.1.1 原材料加熱溫度控制

根據(jù)規(guī)范要求，瀝青加熱溫度為150～170℃，骨料加熱溫度170～190℃。在低溫季節(jié)施工時(shí)，對(duì)原材料加熱采取上限控制。由于瀝青混凝土拌和站距倉面約600m，據(jù)檢測(cè)出機(jī)口到倉面的溫度損失約2～3℃。施工過程中監(jiān)理人員主要對(duì)瀝青混凝土出機(jī)口溫度、入倉溫度、初碾溫度和終碾溫度進(jìn)行測(cè)量，瀝青混合料拌合站出機(jī)口溫度控制在140～170℃，碾壓溫度控制在130～150℃。

4.1.2 瀝青混合料拌和過程

拌制混合料投料順序?yàn)橄韧豆橇虾偷V粉干拌15s，再噴灑瀝青濕拌45s，拌和標(biāo)準(zhǔn)為拌出的瀝青混合料色澤均勻、稀稠一致，無花白料、黃煙及其他異?，F(xiàn)象。在瀝青混凝土拌合站搭設(shè)三防帆布暖棚，面積30m×20m，高度為10m。為對(duì)瀝青拌和系統(tǒng)的各種管路、閥件、集塵裝置等易結(jié)冰部件采取導(dǎo)熱油爐加熱，巖棉管包裹保溫；在瀝青混合料保溫筒出料口加設(shè)帆布筒，使熱瀝青混合料直接溜入運(yùn)輸車，堿性骨料采用防水帆布進(jìn)行覆蓋。

4.1.3 瀝青混合料運(yùn)輸過程

瀝青混合料采用裝載機(jī)運(yùn)輸，對(duì)車廂采取巖棉保溫，瀝青混合料運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，將瀝青混合料通過卸料平臺(tái)卸入裝載機(jī)，裝載機(jī)再二次卸料至攤鋪機(jī)料斗；人工攤鋪采用ZL50裝載機(jī)直接將瀝青混合料卸入模板內(nèi)，人工攤平。

4.1.4 瀝青混合料攤鋪過程

混合料攤鋪和過渡料攤鋪同時(shí)進(jìn)行，混合料攤鋪采取裝載機(jī)上料。過渡料采取挖掘機(jī)上料，虛鋪厚度30cm，攤鋪過程中邊攤鋪邊用帆布覆蓋心墻。瀝青攤鋪機(jī)瀝青料斗采取巖棉外保溫。對(duì)結(jié)合面采取攤鋪機(jī)安裝加熱器加熱。

4.1.5 瀝青混凝土和過渡料碾壓

采用兩臺(tái)3 t振動(dòng)碾和一臺(tái)2 t振動(dòng)碾形成倒“品”字形進(jìn)行碾壓。前后兩段交界處重疊碾壓30～50cm。

4.1.6 結(jié)合面保溫

對(duì)已碾壓完成的瀝青心墻采取帆布和棉被保溫，在下層施工時(shí)邊揭開邊攤鋪，保證結(jié)合面未攤鋪前溫度在30℃以上。

4.2 瀝青混凝土心墻越冬保護(hù)措施

4.2.1 瀝青混凝土心墻越冬保護(hù)措施

瀝青混凝土心墻冬休后的越冬保護(hù)措施十分關(guān)鍵，阿拉溝水庫瀝青心墻越冬保護(hù)與常規(guī)做法大致相同，采取棉被加砂礫石覆蓋的方法，即先用1.5m寬的帆布覆蓋瀝青混凝土心墻，再覆蓋2層1.5m寬的棉被，棉被上面覆蓋一層0.6mm厚寬2.5m三防帆布，三防帆布上再填筑1.2m厚過渡料覆蓋。另外為防止冬季瀝青心墻表面溫度偏低，在帆布與棉被之間鋪設(shè)一層電熱毯，通過設(shè)置于瀝青混凝土表層的溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化情況，當(dāng)溫度低于5℃時(shí)即打開電熱毯加熱，避免外部環(huán)境氣溫降低導(dǎo)致瀝青心墻表層溫度偏低。瀝青心墻越冬保護(hù)示意圖見圖1。

圖1 瀝青心墻越冬保護(hù)示意圖

4.2.2 瀝青混凝土心墻越冬結(jié)合面的加熱

越冬之后工程復(fù)工，需對(duì)瀝青混凝土心墻保護(hù)層進(jìn)行揭露，并對(duì)瀝青混凝土心墻表面進(jìn)行加熱升溫，提高結(jié)合面溫度，準(zhǔn)備下層瀝青混凝土的攤鋪。對(duì)瀝青混凝土心墻越冬結(jié)合面的加熱常規(guī)做法是通過攤鋪機(jī)上設(shè)置的紅外線進(jìn)行烘烤加熱，紅外線加熱具有瀝青表層升溫速度快的優(yōu)點(diǎn)，但也存在操作不當(dāng)導(dǎo)致溫度過高瀝青性狀發(fā)生變化的情況。阿拉溝水庫對(duì)越冬結(jié)合面的加熱采取覆蓋熱砂的方法加熱，將粗砂加熱至180℃后覆蓋在緊貼心墻的帆布上，覆蓋厚度0.5m，利用粗砂的熱傳遞效益均勻地將結(jié)合面溫度升高至施工溫度，不僅施工便捷，而且質(zhì)量有保證，取得了良好的效果。

4.3 瀝青混凝土心墻質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

通過采取一系列溫控措施，阿拉溝水庫瀝青混凝土心墻于冬季正常施工至次年1月10日，監(jiān)測(cè)最低氣溫為-21℃，保證了總體工程進(jìn)度，使得工程提前發(fā)揮效益。經(jīng)取芯檢測(cè)，瀝青混凝土心墻質(zhì)量均滿足規(guī)范要求。施工過程中瀝青心墻穩(wěn)定統(tǒng)計(jì)見表3，心墻檢測(cè)結(jié)果見表4。

表3 施工過程溫度統(tǒng)計(jì)表

表4 瀝青混凝土心墻取芯檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)語

阿拉溝水庫工程通過對(duì)碾壓式瀝青混凝土心墻冬季施工溫控研究，瀝青混凝土結(jié)合面溫度為30℃時(shí)結(jié)合面強(qiáng)度等指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，在施工過程中采取了原材料加熱、帆布覆蓋等系列溫控措施后，保證了阿拉溝水庫瀝青混凝土在環(huán)境溫度最低-21℃的情況下順利施工，經(jīng)取樣檢測(cè)瀝青心墻質(zhì)量良好，取得了較好的效果，使工程提前發(fā)揮效益，并為同類工程在低溫環(huán)境下的瀝青混凝土施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

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TV431+.5

A

1008-1305（2017）01-0060-03

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.020

2016-05-13

胡海濤（1960年—），男，高級(jí)工程師。