陽蓄電站下水庫大壩瀝青混凝土心墻施工配合比試驗(yàn)研究

周 清 吳加偉 周京富

(廣東水電二局股份有限公司,廣東 廣州 511340)

瀝青混凝土是一種新型的防滲材料,具有防滲性能好、抵抗沖擊能力強(qiáng)、有一定的自愈合能力等優(yōu)點(diǎn),是一種可靠、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的水工防滲材料。隨著瀝青混凝土相關(guān)技術(shù)和施工工藝的不斷完善,其在水利水電工程建設(shè)中越來越多地被采用。國內(nèi)已建瀝青混凝土心墻堆石壩工程大多位于中、高緯度高寒地區(qū),在南方亞熱帶地區(qū)數(shù)量較少。南方地區(qū)高溫、多雨等氣候條件對(duì)瀝青混凝土心墻施工提出了更高要求,該地區(qū)的瀝青混凝土心墻堆石壩施工經(jīng)驗(yàn)也相對(duì)較少。為此,迫切需要對(duì)南方高溫、多雨地區(qū)的堆石壩瀝青混凝土心墻施工配合比進(jìn)行研究,總結(jié)出適合南方亞熱帶地區(qū)的瀝青混凝土心墻施工配合比以應(yīng)用于工程實(shí)際中。

1 工程概況

1.1 工程概述

廣東陽江抽水蓄能電站(簡稱陽蓄電站)位于廣東省陽春市與電白縣交界處的八甲山區(qū)。工程地處北回歸線以南,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,雨量充沛,冬季溫暖,夏季多雨,平均氣溫22℃,最高氣溫37.6℃。

下水庫正常蓄水位103.7m,死水位75.0m,正常蓄水位相應(yīng)庫容2434.5萬m3,總庫容3105萬m3。下水庫大壩壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩,大壩壩頂總長847.4m,壩頂高程110.5m,壩頂寬7.0m,最大壩高52.6m。瀝青混凝土心墻中心線布置在壩軸線上游1.15m處,防滲體采用垂直瀝青混凝土心墻,心墻頂高程109.7m,80m高程以上心墻厚0.6m,80～85m高程之間心墻厚0.6～0.7m,85m高程以下心墻厚0.7m。在瀝青混凝土心墻上下游分別設(shè)置過渡層Ⅰ,層厚均為3m。

1.2 瀝青混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)

依設(shè)計(jì)規(guī)定,下水庫大壩心墻瀝青混凝土骨料最大粒徑為19mm,瀝青混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

表1 瀝青混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)

2 原材料選擇

瀝青混凝土心墻的原材料主要由瀝青、粗骨料、細(xì)骨料、礦粉等組成,其中粗骨料粒徑為19～9.5mm、9.5～4.75mm、4.75～2.36mm三級(jí),細(xì)骨料粒徑為2.36～0.075mm,由人工砂和天然砂組成,礦粉為粒徑小于0.074mm的顆粒。瀝青混凝土心墻的原材料均需滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求的指標(biāo),以此試驗(yàn)配制出滿足瀝青混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)的施工瀝青混凝土配合比。

2.1 瀝青

本工程使用的瀝青為SG70號(hào)水工瀝青。生產(chǎn)廠家在瀝青出廠時(shí)提供該批瀝青全部指標(biāo)試驗(yàn)報(bào)告和合格證,瀝青運(yùn)至現(xiàn)場,工地試驗(yàn)室按規(guī)范要求進(jìn)行檢測(cè)和驗(yàn)證。瀝青運(yùn)輸進(jìn)場檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 瀝青質(zhì)量要求及檢測(cè)結(jié)果

2.2 粗骨料

瀝青混凝土骨料采用灰?guī)r石料,石料由碎石加工廠生產(chǎn),粗骨料根據(jù)最大粒徑分為19.0～9.5mm、9.5～4.75mm、4.75～2.36mm三級(jí)。不同粒徑組的骨料需分別堆存,用隔墻分開,防止混雜,并采取有效措施防止骨料分離。設(shè)置防雨設(shè)施,以控制骨料加熱前的含水率。粗骨料檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 粗骨料質(zhì)量要求及檢測(cè)結(jié)果

2.3 細(xì)骨料

細(xì)骨料粒徑為2.36～0.075mm,細(xì)骨料應(yīng)質(zhì)地堅(jiān)硬,級(jí)配良好,骨料組成符合設(shè)計(jì)、試驗(yàn)提出的級(jí)配曲線要求。細(xì)骨料檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 細(xì)骨料質(zhì)量要求及檢測(cè)結(jié)果

2.4 礦粉

礦粉采用陽春當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的粒徑小于0.075mm的礦粉,礦粉的儲(chǔ)存必須防雨、防潮、防止雜物混入。礦粉的級(jí)配與質(zhì)量、檢測(cè)結(jié)果見表5。

表5 礦粉質(zhì)量要求及檢測(cè)結(jié)果

2.5 檢測(cè)結(jié)果

瀝青混凝土拌和所需原材料進(jìn)場均進(jìn)行取樣檢測(cè),各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求;上述經(jīng)檢測(cè)合格的原材料均可用于瀝青混凝土配合比試驗(yàn)及心墻攤鋪碾壓試驗(yàn)。按《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 501—2010)要求,瀝青混凝土配合比需通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場攤鋪試驗(yàn)兩階段進(jìn)行選擇,要求所選配合比的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)除需滿足瀝青混凝土的設(shè)計(jì)要求外還應(yīng)具有良好的施工性能[1]。

3 瀝青混凝土配合比試驗(yàn)

3.1 室內(nèi)配合比

本次瀝青混凝土配合比試驗(yàn)在海南瓊中抽水蓄能電站上水庫工程的配合比經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,依托陽江抽水蓄能電站下水庫瀝青混凝土試驗(yàn)檢測(cè)中心開展。瀝青混凝土室內(nèi)試驗(yàn)的溫度、加荷速度等試驗(yàn)條件,根據(jù)陽江抽水蓄能電站所處南方地區(qū)高溫多雨環(huán)境的特點(diǎn)和運(yùn)用條件等確定。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,推薦的心墻瀝青混凝土配合比見表6和表7。

表6 推薦的瀝青混凝土配合比的材料和級(jí)配參數(shù)

表7 推薦配合比的骨料和礦粉級(jí)配參數(shù)

3.2 攤鋪碾壓試驗(yàn)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)推薦的配合比,在保持室內(nèi)配合比的材料、骨料最大粒徑、級(jí)配指數(shù)及油石比等參數(shù)不變的前提下,對(duì)礦粉的含量進(jìn)行調(diào)整,選取含量分別為11%、13%和15%的礦粉進(jìn)行室內(nèi)密度及馬歇爾試驗(yàn),通過現(xiàn)場試驗(yàn)室拌制成型馬歇爾試件,對(duì)瀝青混凝土各項(xiàng)性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,確定瀝青混凝土鋪筑試驗(yàn)的配合比。

配合比試驗(yàn)前后共進(jìn)行了3次摻配,每次分別按照礦粉含量11%、13%和15%進(jìn)行拌制,并對(duì)應(yīng)不同的礦粉含量分別成型1組馬歇爾試件,每組3塊,檢測(cè)結(jié)果見表8。

表8 馬歇爾試驗(yàn)檢測(cè)成果

通過對(duì)3個(gè)配合比分別成型馬歇爾試件進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。綜合考慮,優(yōu)選礦粉含量為11%和13%的兩個(gè)配合比作為瀝青混凝土心墻鋪筑試驗(yàn)的生產(chǎn)配合比,分別進(jìn)行瀝青混凝土的拌制、鋪筑和碾壓,并通過取芯檢測(cè)瀝青混凝土物理力學(xué)及變形性能試驗(yàn)確定最終的施工配合比。經(jīng)對(duì)比,確定礦粉含量13%作為施工配合比,其他級(jí)配參數(shù)不變。

3.3 試驗(yàn)成果

在配合比初選的基礎(chǔ)上,對(duì)推薦配合比進(jìn)行性能驗(yàn)證試驗(yàn),即對(duì)推薦的配合比進(jìn)行滲透性能、小梁彎曲、拉伸、壓縮、水穩(wěn)定性能試驗(yàn)[2]。

3.3.1 室內(nèi)馬歇爾擊實(shí)、抽提試驗(yàn)成果

現(xiàn)場鋪筑試驗(yàn)的同時(shí),在鋪筑現(xiàn)場或拌和樓出機(jī)口取樣,進(jìn)行瀝青混合料室內(nèi)馬歇爾擊實(shí)、最大密度試驗(yàn)及抽提試驗(yàn)。從抽提試驗(yàn)的瀝青混合料密度、孔隙率檢測(cè)結(jié)果可見,室內(nèi)成型馬歇爾試件的孔隙率最大值為1.6%,最小值為0.5%,滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)任務(wù)要求。其中,礦粉含量越大,孔隙率越小。

3.3.2 瀝青混凝土密度試驗(yàn)成果

a.第一次鋪筑試驗(yàn)(工藝性試驗(yàn))。待瀝青混凝土鋪筑碾壓完成后,采用無損檢測(cè)或鉆孔取芯的方式,進(jìn)行密度試驗(yàn)。瀝青混凝土密度試驗(yàn)的碾壓遍數(shù)與孔隙率關(guān)系見圖1。從圖1可以看出,在瀝青混凝土機(jī)械攤鋪試驗(yàn)時(shí)碾壓遍數(shù)為6、8、10三種工況下,在碾壓6遍到8遍時(shí)密度增加顯著,孔隙率明顯向緊密方向變化,8遍到10遍時(shí)孔隙率變化平緩,由此證明瀝青混凝土心墻碾壓8遍已經(jīng)相當(dāng)緊密,再增加碾壓遍數(shù)效果不明顯,且碾壓8遍時(shí)密度和孔隙率均已滿足設(shè)計(jì)要求。在攤鋪試驗(yàn)時(shí)瀝青混凝土碾壓過后頂面泛油明顯,已形成薄層膠漿,有利于上層攤鋪時(shí)的層間結(jié)合,從而保證防滲效果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示碾壓8遍滲透系數(shù)小于 1×10-8cm/s,滿足設(shè)計(jì)要求。因此確定瀝青混凝土心墻碾壓參數(shù)為靜碾2遍+振碾8遍+靜碾2遍,孔隙率值穩(wěn)定,可保證施工質(zhì)量。

圖1 碾壓遍數(shù)與孔隙率關(guān)系

b.第二次鋪筑試驗(yàn)(物理力學(xué)及變形性能試驗(yàn))。第二次鋪筑試驗(yàn)分別采用礦粉含量為11%和13%拌制瀝青混凝土,分兩個(gè)試驗(yàn)條帶進(jìn)行攤鋪、碾壓,碾壓參數(shù)為靜碾2遍+振碾8遍+靜碾2遍,每個(gè)試驗(yàn)條帶分2層鋪筑。通過對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)條帶進(jìn)行鉆芯取樣檢測(cè),密度、孔隙率均滿足設(shè)計(jì)要求,其中礦粉含量13%的芯樣檢測(cè)顯示孔隙率較小,瀝青混凝土碾壓后較密實(shí),見圖2。

3.3.3 瀝青混凝土物理力學(xué)及變形性能試驗(yàn)成果

瀝青混凝土心墻具有防滲性高、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)。瀝青混凝土心墻的工程性能指標(biāo)主要有防滲性、變形穩(wěn)定性、與抗震有關(guān)的抗剪強(qiáng)度等。待瀝青混凝土鋪筑碾壓完成后,在試驗(yàn)場鉆取瀝青混凝土芯樣進(jìn)行滲透系數(shù)、耐水性能、小梁彎曲和三軸剪切試驗(yàn),以驗(yàn)證瀝青混凝土配合比及芯樣性能參數(shù),芯樣自第2層鉆取。

a.瀝青混凝土最大密度試驗(yàn)。由瀝青混凝土最大密度試驗(yàn)成果可知,礦粉含量為11%的配合比最大密度為2.511g/cm3,礦粉含量為13%的配合比最大密度為2.503g/cm3。

b.滲透試驗(yàn)。滲透試驗(yàn)成果顯示,瀝青混凝土的滲透系數(shù)均小于1×10-8cm/s,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

c.小梁彎曲試驗(yàn)。小梁彎曲試驗(yàn)平均最大抗彎強(qiáng)度為0.44MPa,最大抗彎強(qiáng)度彎拉應(yīng)變?yōu)?.05%。從試驗(yàn)成果可以看出,瀝青混凝土的彎曲柔性較好,能很好地適應(yīng)壩體的變形。瀝青混凝土的彎曲強(qiáng)度和彎曲應(yīng)變均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

d.拉伸試驗(yàn)。由瀝青混凝土芯樣拉伸試驗(yàn)成果可知,礦粉含量為11%的瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度平均值為0.18MPa、拉伸應(yīng)變?yōu)?.91%;礦粉含量為13%的瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度平均值為0.18MPa、拉伸應(yīng)變?yōu)?.03%。

e.壓縮試驗(yàn)。由瀝青混凝土芯樣壓縮試驗(yàn)成果可知,礦粉含量為11%的瀝青混凝土平均壓縮強(qiáng)度為0.94MPa,平均壓縮強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)變?yōu)?.65%;礦粉含量為13%的瀝青混凝土平均壓縮強(qiáng)度為0.93MPa,平均壓縮強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)變?yōu)?.13%;由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,兩種礦粉含量對(duì)應(yīng)的瀝青混凝土均具有較大的壓縮強(qiáng)度和壓縮應(yīng)變。

f.水穩(wěn)定性試驗(yàn)。由瀝青混凝土芯樣水穩(wěn)定試驗(yàn)成果可知,礦粉含量為11%和13%對(duì)應(yīng)的瀝青混凝土水穩(wěn)定系數(shù)分別為1.05和1.02,均大于0.90,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

g.靜三軸試驗(yàn)。由試驗(yàn)成果可知:礦粉含量為11%的瀝青混凝土內(nèi)摩擦角為31.2°,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)不小于25°的要求;黏聚力為0.24MPa。礦粉含量為13%的瀝青混凝土內(nèi)摩擦角為30.5°,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)不小于25°的要求;黏聚力為0.28MPa,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)不小于0.20MPa的要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5363—2016),瀝青混合料配合比中填料的允許偏差比例為±1.0%[3],選擇礦粉含量為13%,施工過程中,拌制時(shí)填料允許的浮動(dòng)范圍為12%～14%,均在攤鋪試驗(yàn)的范圍內(nèi)。通過檢測(cè),該浮動(dòng)范圍內(nèi)檢測(cè)的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,對(duì)后期高強(qiáng)度施工質(zhì)量控制有利。

通過瀝青混凝土心墻鋪筑試驗(yàn)、取芯檢測(cè)、瀝青混凝土物理力學(xué)及變形性能試驗(yàn),考慮良好的施工性能要求,綜合檢測(cè)結(jié)果,確定最終的施工配合比,用于陽江抽水蓄能電站下水庫大壩瀝青混凝土心墻施工。試驗(yàn)選定的瀝青混凝土施工配合比材料及參數(shù)見表9,配合比的礦料級(jí)配參數(shù)見表10。

表9 瀝青混凝土施工配合比的材料和級(jí)配參數(shù)

表10 瀝青混凝土施工配合比的骨料和礦粉級(jí)配參數(shù)

通過對(duì)現(xiàn)場情況及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析,推薦的瀝青混凝土心墻的施工工藝、溫度控制和施工參數(shù)見表11[4]。

表11 推薦瀝青混凝土心墻施工參數(shù)

5 結(jié) 語

通過對(duì)陽蓄電站下水庫大壩施工的瀝青混凝土心墻的相關(guān)指標(biāo)要求進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果顯示瀝青混凝心墻的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。該配合比瀝青混凝土在下水庫大壩心墻瀝青混凝土施工中,共完成195個(gè)單元驗(yàn)收,均獲得了優(yōu)良的評(píng)定。下水庫大壩建成經(jīng)蓄水后運(yùn)行良好,得到了業(yè)主單位的贊譽(yù),瀝青混凝土心墻施工配合比及試驗(yàn)成果的應(yīng)用起到了關(guān)鍵的作用,將對(duì)類似的工程施工提供有益的借鑒和參考。在南方高溫、多雨地區(qū)瀝青混凝土心墻堆石壩壩型也將成為業(yè)主設(shè)計(jì)單位的主推壩型得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。