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(duì)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(lái)越受到工程界的重視[2]。對(duì)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(duì)下層瀝青混凝土用紅外線(xiàn)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(chǎng)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(duì)下層瀝青混凝土表面用紅外線(xiàn)進(jìn)行了加熱，冶勒瀝青心墻壩2005年完建，觀測(cè)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(cè)定最低溫度為－10℃ ～－13℃，而且下層瀝青混凝土沒(méi)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(cè)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(guó)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(kù)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(lái)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1 工程概況及施工環(huán)境

庫(kù)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(jí)支流庫(kù)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(chǎng)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(zhǎng)，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(lái)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(guò)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(hào)瀝青，質(zhì)量滿(mǎn)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(jí)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(cè)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(cè)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(jí)配指數(shù)為 0.36、0.38、0.40、0.42時(shí)均滿(mǎn)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(jí)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(jí)配指數(shù)0.38時(shí)孔隙率較小，選定級(jí)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(kù)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(jí)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(jiàn)表1[5]。

表1 庫(kù)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(jí)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(cè)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(cè)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(jiàn)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(hào)配合比密度、孔隙率試驗(yàn)結(jié)果表

表4 D1～D7號(hào)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(xiàn)

(1)油石比對(duì)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(mǎn)足孔隙率小于2%的規(guī)范要求外，其它均滿(mǎn)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(xiàn)

圖3 油石比與間接拉伸位移關(guān)系曲線(xiàn)

(2)油石比對(duì)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(duì)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(jí)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(jiàn)表5。

表5 庫(kù)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(chǎng)震動(dòng)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(jiàn)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(duì)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(cè)項(xiàng)目見(jiàn)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(hào)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℃。考慮瀝青心墻壓實(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(duì)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(jiàn)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(xiàn)

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(cè)

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(xiàn)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(shuō)，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(duì)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(jiàn)圖5。

圖5 瀝青含量與分離度關(guān)系曲線(xiàn)

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(xiàn)很長(zhǎng)，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(guò)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(guò)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(hào)為D5)最大骨料粒徑Dmax=19 mm，級(jí)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(kù)什塔依水電站工程已于2012年8月蓄水發(fā)電，經(jīng)過(guò)近兩年高水位運(yùn)行，監(jiān)測(cè)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(guò)對(duì)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(kù)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(huì)很容易壓密實(shí)，擊實(shí)瀝青混凝土試件沒(méi)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(mǎn)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(mǎn)足規(guī)范對(duì)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(méi)有明顯區(qū)別，說(shuō)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(xiàn)很長(zhǎng)，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(guò)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(kù)克蘇河庫(kù)什塔依水電站工程瀝青混凝土心墻冬季施工可行性專(zhuān)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(cè)設(shè)計(jì)研究院.庫(kù)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(cè)設(shè)計(jì)研究院，2010.

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

[4]中華人民共和國(guó)國(guó)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(guó)電力出版社，2009.

[5]西安理工大學(xué).新疆伊犁庫(kù)克蘇河庫(kù)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.