高溫氣候下瀝青混凝土心墻連續(xù)碾壓施工結(jié)合面溫控試驗(yàn)研究

開(kāi) 鑫， 劉 亮， 楊海華

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

碾壓式瀝青混凝土心墻是沿壩軸線不分段分層攤鋪碾壓，在心墻中會(huì)形成較多不連續(xù)的結(jié)合層面[1-2]。在新疆石門水電站、大河沿水庫(kù)、阿拉溝水庫(kù)等工程中，面臨結(jié)合面溫度較高時(shí)連續(xù)施工的難題。心墻瀝青混凝土連續(xù)兩層碾壓時(shí)，下層瀝青混凝土降溫緩慢，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的結(jié)合面溫度上限值90℃需較長(zhǎng)時(shí)間(4～6 h)[3]；并且在壩軸線短的情況下[3]，每日施工層數(shù)受到限制。在不影響施工質(zhì)量的前提下，適當(dāng)將下層瀝青混凝土結(jié)合面溫度的上限值提高，加快施工進(jìn)度顯得尤為重要。

近年，針對(duì)心墻瀝青混凝土施工結(jié)合面溫度的研究主要關(guān)注于溫度下限值，如：對(duì)于瀝青混凝土心墻冬季溫控的研究[5-8]；萬(wàn)連賓[9]和何建新等[10]均采用降低溫度下限值的方法。結(jié)合面溫度上限的研究?jī)H限于早期四川冶勒水電站瀝青混凝土心墻連續(xù)施工工藝[11-12]，試驗(yàn)采取不同的施工工藝在結(jié)合面溫度為90℃進(jìn)行碾壓。結(jié)果表明：過(guò)渡料的約束對(duì)心墻瀝青混凝土的壓實(shí)性能有明顯影響，采取先對(duì)過(guò)渡料進(jìn)行初碾壓后進(jìn)行瀝青混合料碾壓的施工工藝，心墻瀝青混凝土的壓實(shí)性得到保證；并在大壩上進(jìn)行結(jié)合面溫度不大于90℃每日連續(xù)鋪筑2至3層獲得成功，但對(duì)結(jié)合面溫度高于90℃后心墻連續(xù)碾壓未進(jìn)行深入探索。

由于瀝青混凝土在不同溫度下表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性，0℃以下時(shí)為彈脆性，高于0℃時(shí)為黏彈性[13]，隨著溫度的升高瀝青的粘性降低，瀝青混凝土的承載能力也隨之降低[14]。故連續(xù)兩層鋪筑瀝青混凝土心墻時(shí)，提高結(jié)合面溫度后，下層瀝青混凝土?xí)霈F(xiàn)較大的變形，上層瀝青混合料碾壓過(guò)程中機(jī)振力被消耗導(dǎo)致碾壓不密實(shí)。為此本文基于結(jié)合面初始溫度高于90℃時(shí)，研究上層瀝青混合料的壓實(shí)性能和下層瀝青混凝土的側(cè)脹變形，為解決結(jié)合面溫度提高后造成工程質(zhì)量下降的問(wèn)題。根據(jù)一些研究人員關(guān)于粗顆粒室內(nèi)模型試驗(yàn)的研究[15-16]，通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合的方法，室內(nèi)模擬心墻碾壓過(guò)程中過(guò)渡料和瀝青混凝土的相互關(guān)系，研究了結(jié)合面溫度對(duì)心墻瀝青混凝土孔隙率和側(cè)脹變形的影響，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)的可靠性。研究可為同類工程中瀝青混凝土心墻施工結(jié)合面溫控提供參考，同時(shí)可以降低能耗，增加有效施工天數(shù)，使工程提前完工并發(fā)揮經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 瀝青混凝土材料的確定

瀝青采用中國(guó)石油克拉瑪依石化生產(chǎn)的70號(hào)(A)道路石油瀝青。瀝青是一種溫度敏感性材料，不同的溫度下瀝青的狀態(tài)差異較大。瀝青的軟化點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果為49.5℃，隨著溫度的升高，瀝青開(kāi)始由固態(tài)變?yōu)榱鲬B(tài)。當(dāng)溫度高于90℃時(shí)，瀝青的黏性逐漸降低，隨之瀝青混凝土的穩(wěn)定性減小。

瀝青混凝土的骨料及填料均是由工程現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械破碎、磨粉后制得，實(shí)驗(yàn)室對(duì)礦料采取二次人工篩分的方法，剔除超遜徑減少試驗(yàn)誤差。最終通過(guò)對(duì)材料的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，均滿足規(guī)范要求。

2.2 過(guò)渡料的確定

過(guò)渡料作為壩殼料與心墻之間的連接，起到保護(hù)心墻的作用。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程 SL237-1999》[17]骨料最大粒徑應(yīng)為試樣直徑的1/3～1/5。本文模型試驗(yàn)中，過(guò)渡料試模的最小直徑為75 mm，因而最大粒徑定為20 mm。砂礫料級(jí)配曲線如圖1所示。本試驗(yàn)采用的骨料級(jí)配偏細(xì)，10～20 mm粒組占11.86%，5～10 mm粒組占19.81%，5 mm以下的粒組占68.33%。

圖1 試驗(yàn)砂礫料級(jí)配曲線

為確定過(guò)渡料的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程 SL237-1999》[17]粗顆粒相對(duì)密度試驗(yàn)，采用上述級(jí)配，得到骨料的相對(duì)密度如表1。過(guò)渡料填筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為相對(duì)密度Dr≥0.85，本試驗(yàn)填筑指標(biāo)以相對(duì)密度的下限值0.85控制。

表1 試驗(yàn)過(guò)渡料砂礫骨料相對(duì)密度

2.3 設(shè)計(jì)配合比

試驗(yàn)配合比是通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)選得到。影響瀝青混凝土配合比的因素包括：礦料級(jí)配指數(shù)、填料用量和油石比(即瀝青用量)，每個(gè)因素取3個(gè)水平。以密度、孔隙率、劈裂抗拉強(qiáng)度、穩(wěn)定度和流值等為考核指標(biāo)，最終通過(guò)極差方差分析優(yōu)選出瀝青混凝土配合比，如表2。

表2 試驗(yàn)瀝青混凝土質(zhì)量配合比

2.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文為研究心墻瀝青混凝土結(jié)合面溫度在高溫情況下連續(xù)碾壓，室內(nèi)模擬心墻連續(xù)碾壓的過(guò)程。上層以剛性約束成型，下層采用成型的瀝青混凝土試件，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。最外層方形模具為250 mm×250 mm×250 mm的鋼膜，內(nèi)部鋼膜采用標(biāo)準(zhǔn)瀝青混凝土壓縮試驗(yàn)圓柱形模具101 mm×101 mm。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[18]，采用表2配合比制備瀝青混凝土壓縮試驗(yàn)試件。并對(duì)成型試件的尺寸、密度和孔隙率進(jìn)行測(cè)量。下層試件放入方形模具的中心，周圍填入過(guò)渡料擊實(shí)，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)由密度控制。再將鋼膜放入試件上部，過(guò)渡料采用同一壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)填入鋼膜周圍壓實(shí)。本試驗(yàn)設(shè)置3組溫度90℃、100℃、110℃，每組溫度下做2個(gè)平行試驗(yàn)。為了保證下層瀝青混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，將模具放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)恒溫12 h。采用同種配比制備瀝青混合料，將模具取出后測(cè)量下層瀝青混凝土的實(shí)測(cè)溫度，混合料放入試模擊實(shí)成型試件。上層瀝青混凝土試件成型后置于常溫下恒溫24 h，待降至室溫脫模測(cè)定其密度、孔隙率。試件置于環(huán)境溫度為5℃的條件下不少于4 h，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程在自動(dòng)控溫萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(UTM-5105型)上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。下層瀝青混凝土試件清除表面過(guò)渡料量測(cè)其上、下兩部分的尺寸。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 下層瀝青混凝土的側(cè)脹變形

根據(jù)所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，測(cè)定出在不同結(jié)合面溫度下?lián)魧?shí)前后下層瀝青混凝土側(cè)脹的情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同結(jié)合面溫度下層瀝青混凝土軸向應(yīng)變及上、下層瀝青混凝土側(cè)脹情況

由表3可知。試件溫度為90℃時(shí)，下層瀝青混凝土的軸向應(yīng)變?yōu)?.281%，與100℃相近；當(dāng)溫度到達(dá)110℃時(shí)，試件的軸向應(yīng)變?cè)龃蟮?.508%，大于前兩種溫度的變化梯度。從試件直徑的側(cè)脹情況也可看出，上層試件溫度為90℃和100℃的側(cè)向應(yīng)變基本相同，應(yīng)變值均小于3%，110℃的側(cè)向應(yīng)變到達(dá)4%。擊實(shí)后，試件的高度減小，直徑增大，隨著溫度的升高其軸向應(yīng)變也在不斷增大。試件的上部直徑側(cè)向應(yīng)變比下部直徑側(cè)向應(yīng)變略大，說(shuō)明下層瀝青混凝土的形狀呈現(xiàn)出倒梯形(下小上大)，這種現(xiàn)象稱之為“松塔效應(yīng)”[19]。最小側(cè)向應(yīng)變出現(xiàn)在試件下部，最大側(cè)向應(yīng)變?yōu)樵嚰喜?。并且從?cè)向應(yīng)變的變化梯度來(lái)看，試件的上部直徑明顯高于下部直徑。

瀝青作為粘結(jié)骨料之間的一種介質(zhì)，其狀態(tài)影響著瀝青混凝土的力學(xué)性能。溫度高于瀝青的軟化點(diǎn)時(shí)，瀝青的黏聚性下降，瀝青混凝土由黏彈性向彈塑性轉(zhuǎn)變，變形能力逐漸增強(qiáng)。并且過(guò)渡料對(duì)下層瀝青混凝土的約束能力有限，瀝青混凝土在受到豎向荷載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的側(cè)脹變形。

3.2 上層瀝青混凝土的壓實(shí)性能

試驗(yàn)針對(duì)結(jié)合面溫度在高于規(guī)范中規(guī)定的90℃時(shí)成型試件，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，為得到瀝青混凝土的孔隙率和抗壓強(qiáng)度。試件制備過(guò)程中，結(jié)合面溫度設(shè)置為90℃、100℃、110℃。擊實(shí)成型的上層瀝青混凝土單軸壓縮試驗(yàn)試件見(jiàn)圖3。

圖3 不同結(jié)合面溫度下上層瀝青混凝土試件

由圖3可看出，在擊實(shí)功相同的條件下，結(jié)合面溫度90℃的試件開(kāi)口空隙較少，100℃和110℃則較多。結(jié)合面溫度高于90℃的上層瀝青混凝土試件，隨著溫度的升高，試件的孔隙率在不斷增大，擊實(shí)效果在逐漸降低。

孔隙率為評(píng)價(jià)瀝青混凝土壓實(shí)性能的重要指標(biāo)之一。試驗(yàn)規(guī)程中規(guī)定孔隙率小于3%的試件適用排水置換法，大于3%的試件采用蠟封排水置換法。為準(zhǔn)確測(cè)定瀝青混凝土的孔隙率，本試驗(yàn)結(jié)合面溫度90℃的試件采用排水置換法，結(jié)合面溫度100℃采用蠟封排水置換法和排水置換法，結(jié)合面溫度110℃采用蠟封排水置換法。瀝青混凝土孔隙率和單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 上層瀝青混凝土單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

由表4知，結(jié)合面溫度90℃時(shí)，試件的孔隙率均值為1.04%，其滿足施工規(guī)范要求的小于3%；當(dāng)溫度為100℃，孔隙率增加明顯，但仍滿足規(guī)范要求；110℃試件的孔隙率為3.85%，偏出規(guī)范要求值較多。造成這樣的結(jié)果是由于擊實(shí)上層瀝青混凝土?xí)r，下層瀝青混凝土的溫度高、承載能力低，在外力作用下展現(xiàn)出一定的流動(dòng)性。上層料如在軟基礎(chǔ)下進(jìn)行碾壓，一部分的擊實(shí)功被下層瀝青混凝土吸收，擊實(shí)效果減弱。因上層瀝青混凝土未被壓實(shí)，隨著溫度的升高，其最大抗壓強(qiáng)度逐漸減小。因此，當(dāng)連續(xù)兩層攤鋪心墻瀝青混凝土?xí)r，結(jié)合面溫度可控制在100℃以下，壓實(shí)性能可以得到保證。

3.3 壓縮應(yīng)力應(yīng)變特征

試驗(yàn)中結(jié)合面溫度分別以90℃、100℃、110℃為基礎(chǔ)擊實(shí)上層瀝青混合料。為評(píng)價(jià)上層瀝青混凝土壓實(shí)性能，對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)定試件的抗壓強(qiáng)度及變形模量。計(jì)算方法參考《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程 DL/T5362-2006》：

圖4 不同結(jié)合面溫度下?lián)魧?shí)上層瀝青混凝土試件的單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果得到上層瀝青混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。由圖4可看出，上層瀝青混凝土的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈兩種趨勢(shì)，前期為線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，后逐漸向拋物線趨勢(shì)轉(zhuǎn)變。隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力增長(zhǎng)梯度逐漸變小。并且隨著結(jié)合面溫度的升高，瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值降低，應(yīng)變?cè)龃?。說(shuō)明孔隙大的瀝青混凝土承載力低，故應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值較小。結(jié)合面溫度為90℃和100℃的瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線前期線性增長(zhǎng)為直線，結(jié)合面溫度為110℃的瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線前期直線段斜率在逐漸變化，隨著應(yīng)變的增大，斜率逐漸由小變大。這是由于不同結(jié)合面溫度的瀝青混凝土孔隙率不同，應(yīng)力施加后，孔隙大的試件內(nèi)部首先孔隙被壓縮，故其應(yīng)力—應(yīng)變曲線前期斜率在不斷變化。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地位于阿拉溝水庫(kù)樞紐工程，阿拉溝水庫(kù)位于新疆維吾爾自治區(qū)托克遜縣，大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻壩，壩高為105.3 m。此工程地理位置特殊，夏季高溫炎熱、冬季寒冷干燥。在施工當(dāng)中遇到冬季施工和夏季施工的問(wèn)題，工程現(xiàn)已竣工，運(yùn)行良好。

本試驗(yàn)為解決夏季高溫氣候下心墻瀝青混凝土結(jié)合面溫度較高時(shí)連續(xù)施工的問(wèn)題，減少施工等待時(shí)間。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)下層瀝青混凝土溫度為100℃時(shí)碾壓上層瀝青混合料，上層瀝青混凝土的壓實(shí)性能可以得到保證，結(jié)合面溫度基于100℃進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)中，下層瀝青混凝土的初碾溫度定為施工規(guī)范規(guī)定的下限值130℃。下層瀝青混凝土碾壓完成后，在結(jié)合面下5 cm處埋設(shè)電阻式溫度計(jì)，待到結(jié)合面溫度為100℃，環(huán)境溫度為40℃左右，攤鋪上層瀝青混合料進(jìn)行碾壓。碾壓結(jié)束后鉆心取樣測(cè)定其密度、孔隙率、滲透系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 結(jié)合面溫度100℃的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)驗(yàn)證，碾壓式瀝青混凝土心墻結(jié)合面溫度100℃時(shí)，連續(xù)碾壓兩層心墻瀝青混凝土，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，瀝青混凝土的孔隙率小于3%，滲透系數(shù)滿足小于1×10-8cm/s的要求。

4.2 討 論

由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可看出，結(jié)合面溫度從90℃提升到100℃后，心墻瀝青混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，試驗(yàn)結(jié)果的孔隙率小于2%，距規(guī)范要求的閾值差距較遠(yuǎn)，其安全可靠度高、風(fēng)險(xiǎn)低。并且在瀝青混凝土心墻施工過(guò)程中合理的施工管控也起到了關(guān)鍵作用。

在施工工藝上經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出以下幾點(diǎn)要求：(1)由于瀝青混凝土溫度較高時(shí)碾壓上層瀝青混凝土，重碾碾壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)陷碾的情況。為此可提高鋪筑層厚度，選取上限值每層攤鋪30cm，并增加碾壓遍數(shù)。(2)環(huán)境溫度較高時(shí)，瀝青混凝土散熱慢，第1層碾壓完成后還需等待較長(zhǎng)時(shí)間結(jié)合面溫度才能降至100℃。為減少等待時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)初碾溫度可選取規(guī)范下限值130℃，在終碾完成后結(jié)合面溫度基本為110℃。(3)在碾壓工藝上借鑒冶勒心墻瀝青混凝土的方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碾壓機(jī)械的不同，本試驗(yàn)采取過(guò)渡料靜碾2遍→瀝青混合料靜碾2遍+動(dòng)碾8遍→過(guò)渡料動(dòng)碾8遍的方法。

本試驗(yàn)結(jié)果解決了心墻瀝青混凝土結(jié)合面溫度較高情況下連續(xù)兩層碾壓，加快了施工進(jìn)度。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果可知，在溫度提高后無(wú)需等待心墻瀝青混凝土降溫4～6 h。在晝夜施工的前提下，瀝青混凝土心墻鋪筑可達(dá)到每天2層至3層鋪筑。有效減少了施工過(guò)程中的空檔期，大大提高了施工速率，為工程提前竣工提供了有效的幫助。

5 結(jié) 論

(1)結(jié)合面溫度為心墻瀝青混凝土碾壓過(guò)程中的重要影響因素，隨著結(jié)合面溫度的升高，上層瀝青混凝土的壓實(shí)性降低。

(2)心墻瀝青混凝土進(jìn)行連續(xù)兩層碾壓，結(jié)合面溫度為100℃時(shí)，上層瀝青混凝土的孔隙率均值為2.88%，滿足規(guī)范要求的不大于3%。

(3)結(jié)合面溫度控制在100℃以下，碾壓上層瀝青混凝土?xí)r，下層瀝青混凝土的最大側(cè)向應(yīng)變?yōu)?.78%，其變形后出現(xiàn)“松塔效應(yīng)”。

(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在夏季高溫氣候下結(jié)合面溫度為100℃時(shí)，連續(xù)碾壓兩層心墻瀝青混凝土，瀝青混凝土的密度、孔隙率、滲透系數(shù)均滿足規(guī)范要求，瀝青混凝土的壓實(shí)性能可以得到保證。