付光均，向尚君

(1.西藏大唐扎拉水電開發(fā)有限公司，西藏 昌都 854000； 2.安蓉建設(shè)總公司，成都 611135)

0 引 言

瀝青混凝土防滲心墻以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工程量小、施工速度快、防滲性能可靠、良好的適應(yīng)變形性能以及對(duì)產(chǎn)生裂縫具有一定的自愈能力，已越來越多地應(yīng)用于土石壩工程中[1-2]。近年來，以碾壓式瀝青混凝土心墻在西藏旁多水利樞紐首次應(yīng)用為起點(diǎn)，波堆水電站、恰央水庫、雅礱水庫、結(jié)巴水庫、甲瑪溝尾礦庫攔水壩都采用了碾壓式瀝青混凝土心墻作為防滲結(jié)構(gòu)，擬建的湘河水利樞紐、阿青水電站大壩也采用此類壩型，可以說碾壓式瀝青混凝土心墻在西藏高海拔地區(qū)越來越多地被應(yīng)用。

拉洛水利樞紐是雅魯藏布江右岸一級(jí)支流夏布曲上的控制性工程，位于薩迦縣拉洛鄉(xiāng)下游約6 km處的峽谷進(jìn)口河段。拉洛水庫總庫容2.917×108m3，正常蓄水位4 298.00 m，為大(Ⅱ)型水利工程。大壩為瀝青混凝土心墻壩，壩頂高程為4 305.00 m，最大壩高61.50 m，壩長(zhǎng)425.59 m。瀝青混凝土心墻頂高程4 303.00 m，底高程4 244.50 m，底部高5 m的瀝青混凝土心墻厚度由2.0 m漸變至1 m、其余心墻厚度由1 m變至0.6 m，瀝青混凝土共計(jì)14 616.2 m3，心墻兩側(cè)設(shè)置寬3 m的砂礫石過渡料，其典型斷面圖見圖1。

1 碾壓式瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

碾壓式瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)主要確定瀝青用量及骨料級(jí)配組成，而骨料級(jí)配組成相對(duì)于瀝青用量而言，在瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)中更為關(guān)鍵。骨料級(jí)配組成主要有兩種方法：一是在推薦使用的級(jí)配范圍內(nèi)，選擇一條或幾條級(jí)配曲線作為礦料標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配曲線確定各種礦料的配合組成，使合成級(jí)配盡可能與標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配相近，如表1所推薦的連續(xù)密級(jí)配瀝青混凝土礦料級(jí)配和瀝青用量表[3]。

圖1 拉洛水利樞紐大壩碾壓式瀝青混凝土心墻典型斷面圖

表1 連續(xù)密級(jí)配瀝青混凝土礦料級(jí)配和瀝青用量表

注：瀝青用量為油石比。

另一種方法為采用丁樸榮級(jí)配公式(以下簡(jiǎn)稱丁氏公式)計(jì)算獲得骨料的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配，見式(1)，該公式為保羅米公式和比爾賓公式結(jié)合起來的全新級(jí)配公式。在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，碾壓式瀝青混凝土礦料級(jí)配設(shè)計(jì)較多地選用丁氏公式。當(dāng)D、P0.075確定時(shí)，礦料級(jí)配可通過級(jí)配指數(shù)n進(jìn)行調(diào)整。級(jí)配指數(shù)n實(shí)際上是表示骨料中粗細(xì)骨料比例的一個(gè)特征綱量，n值越大，粗骨料所占比例越高。

(1)

式中：di為篩孔孔徑，mm；D為骨料最大粒徑，mm；Pi為di篩孔的通過率，%；P0.075為0.075 mm篩孔的通過率，相對(duì)于填料用量，%；n為級(jí)配指數(shù)。

2 主要參數(shù)選擇

采用丁氏公式進(jìn)行骨料標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配計(jì)算時(shí)，可選用2～3種填料及2～3種級(jí)配指數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于每種礦料級(jí)配，應(yīng)以0.3%為間隔選擇不少于5組的瀝青用量進(jìn)行室內(nèi)配合比試驗(yàn)[4]。拉洛水利樞紐瀝青混凝土配合比采用骨料最大粒徑D選定為19 mm；礦料級(jí)配指數(shù)n選取0.40；填料用量F選取11%、12%、13%。根據(jù)丁氏公式，計(jì)算得到的瀝青混凝土室內(nèi)配比試驗(yàn)骨料級(jí)配及與瀝青用量的組合見表2。

表2 室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)主要參數(shù)選擇表

3 瀝青混凝土性能試驗(yàn)

3.1 一般性能試驗(yàn)

按照表2中瀝青混凝土配合比參數(shù)在室內(nèi)成型瀝青混凝土試件進(jìn)行表觀密度、最大密度、孔隙率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)級(jí)配指數(shù)固定為0.40時(shí)，瀝青用量在6.8%～7.4%區(qū)間及填料用量在11%～13%區(qū)間變化，瀝青混凝土試件的孔隙率值均小于2%。3種不同瀝青用量的瀝青混合料及瀝青混凝土試件性能略有差異，當(dāng)瀝青用量為6.8%時(shí)，瀝青混凝土混合料，色澤均勻光亮，馬歇爾試件表面光亮平整，與試模周邊接觸密實(shí)，觀察試件表面無富裕的瀝青膠結(jié)料；當(dāng)瀝青用量為7.1%時(shí)，瀝青混凝土混合料，色澤均勻光亮，馬歇爾試件表面光亮平整，與試模周邊接觸密實(shí)，微量瀝青砂漿沿?fù)魧?shí)錘周邊溢出；當(dāng)瀝青用量為7.4%時(shí)，色澤均勻光亮、無花白料；試件表面光亮平整、與試模周邊接觸密實(shí)，少量瀝青砂漿沿?fù)魧?shí)錘周邊溢出，試件冷卻過程中，表面部分瀝青砂漿流淌，現(xiàn)場(chǎng)施工碾壓時(shí)，瀝青砂漿較多，可能發(fā)生粘碾和陷碾現(xiàn)象，不利于碾壓施工。

表3 瀝青混凝土基本性能驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)瀝青混凝土基本性能試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合瀝青混凝土的防滲、和易性、可碾性與經(jīng)濟(jì)性等性能指標(biāo)，在滿足設(shè)計(jì)或有關(guān)技術(shù)規(guī)范的前提下，從施工、安全及經(jīng)濟(jì)的角度綜合考慮，選擇編號(hào)為L(zhǎng)2、L5及L9共3個(gè)配合比進(jìn)行瀝青混凝土力學(xué)及滲透性能試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)及分析結(jié)果如下：

3.2.1 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

水穩(wěn)定性是衡量瀝青混凝土在水中長(zhǎng)期浸泡過程的穩(wěn)定性，是評(píng)價(jià)瀝青混凝土心墻水中長(zhǎng)期耐久性的重要指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。試驗(yàn)結(jié)果表明，水穩(wěn)定系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，符合灰?guī)r堿性骨料與優(yōu)質(zhì)瀝青黏附性較好的一般規(guī)律。

3.2.2 間接拉伸試驗(yàn)

間接拉伸試驗(yàn)又稱劈裂試驗(yàn)，用于測(cè)定瀝青混凝土在規(guī)定溫度和加載速率時(shí)劈裂破壞或處于彈性階段時(shí)的力學(xué)性質(zhì)。試件采用馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件，試驗(yàn)溫度為4.8℃，試驗(yàn)結(jié)果見表5。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著瀝青用量增加，瀝青混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度值減小，而破壞拉伸應(yīng)變值增大，即變形性能提高。

表4 瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

表5 瀝青混凝土間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.2.3 直接拉伸試驗(yàn)

直接拉伸試驗(yàn)采用220 mm×40 mm×40 mm試件，在4.8℃的恒溫水浴中養(yǎng)護(hù)24 h，按1.0%/min應(yīng)變速率進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，編號(hào)為L(zhǎng)5的瀝青混凝土試件，拉伸強(qiáng)度值及拉伸應(yīng)變值均高于其它兩個(gè)試件，性能最優(yōu)。

表6 瀝青混凝土直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.2.4 小梁彎曲試驗(yàn)

拉洛水利樞紐處于地震高發(fā)區(qū)，因此對(duì)瀝青混凝土的變形性能要求較高，而彎曲變形作為瀝青混凝土一個(gè)重要變形指標(biāo)，其試驗(yàn)結(jié)果見表7。試驗(yàn)結(jié)果表明，初選3個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)的瀝青混凝土彎曲性能均能滿足碾壓式瀝青混凝土心墻的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；瀝青用量從6.8%增加至7.4%，瀝青混凝土的最大彎拉應(yīng)變值提高，即變形能力提高。

表7 瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.2.5 單軸壓縮試驗(yàn)

單軸壓縮試驗(yàn)將試件置于4.8℃的恒溫水槽中，恒溫24 h后進(jìn)行加荷試驗(yàn)，加荷速率為1 mm/min。其中，L2試件抗壓強(qiáng)度5.88 MPa，L5試件抗壓強(qiáng)度5.53 MPa，L9試件抗壓強(qiáng)度5.58 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，初選3個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)的瀝青混凝土試件的單軸壓縮抗壓強(qiáng)度值相差不大，與類似工程相比，符合瀝青混凝土的一般規(guī)律。

3.2.6 滲透試驗(yàn)

瀝青混凝土心墻的主要功能是防滲并適應(yīng)壩殼料的變形。近年來，隨著施工工藝以及原材料品質(zhì)的提高，對(duì)心墻瀝青混凝土的防滲性能提出了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的試驗(yàn)規(guī)程中的試驗(yàn)方法不能測(cè)出10-9cm/s級(jí)滲透系數(shù)。為能確定瀝青混凝土的抗?jié)B性能，試驗(yàn)采用抗?jié)B法，采用砂漿抗?jié)B儀，圓臺(tái)形試模，試模上口直徑φ101.5 mm、下口直徑φ100.0 mm，高度約63.5 mm，用馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法成型試件，試驗(yàn)溫度4.7℃。在加壓初始階段，為防止瀝青混凝土與試模接觸面滲漏，采取三級(jí)加壓法。第一次加壓0.3 MPa，恒壓6 h；第二次加壓0.6 MPa，恒壓6 h；第三次加壓0.8 MPa，恒壓6 h，并測(cè)定瀝青混凝土試件的滲水量，試驗(yàn)結(jié)果見表8。試驗(yàn)結(jié)果表明，初選3個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)的瀝青混凝土試件的滲透系數(shù)小于1×10-8cm/s。

表8 瀝青混凝土滲透試驗(yàn)結(jié)果

3.2.7 靜三軸試驗(yàn)

瀝青混凝土三軸試驗(yàn)是驗(yàn)證推薦配合比力學(xué)性能的重要試驗(yàn)指標(biāo)。初選3個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)的瀝青混凝土試件三軸試驗(yàn)結(jié)果見表9。試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青混凝土具有較高的強(qiáng)度，強(qiáng)度隨圍壓增大呈現(xiàn)良好的線性，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可采用線性強(qiáng)度模型參數(shù)C、φ值。

表9 瀝青混凝土Duncan-Chang模型參數(shù)

4 碾壓式瀝青混凝土配合比選擇

西藏高海拔地區(qū)為我國(guó)最大的地震帶，地震頻發(fā)，對(duì)建筑物抗震要求高，一般達(dá)到Ⅷ度。強(qiáng)地震烈度設(shè)防要求心墻能夠適應(yīng)較大變形，同時(shí)低溫、強(qiáng)輻射和夏季多雨的氣候?qū)π膲κ┕べ|(zhì)量產(chǎn)生較大影響。綜合這些不利因素的影響，在進(jìn)行碾壓式瀝青混凝土心墻配合比設(shè)計(jì)時(shí)，與國(guó)內(nèi)其它地區(qū)類似工程相比，要適當(dāng)提高瀝青混合料的瀝青用量，增加碾壓式瀝青混凝土心墻的柔性，提高碾壓式瀝青混凝土心墻的變形能力。參考西藏旁多水利大壩碾壓瀝青混凝土心墻施工配合比，綜合前述試驗(yàn)成果，拉洛水利樞紐大壩采用的瀝青混凝土配合比見表10。其瀝青用量為7.1%，與內(nèi)地其它地區(qū)同類心墻相比，瀝青用量要高出0.3%～0.5%(表11)。

表10 拉洛水利樞紐大壩瀝青混凝土心墻采用的配合比

表11 國(guó)內(nèi)部分已建工程瀝青混合料配合對(duì)比表

5 結(jié) 語

拉洛水利樞紐位于西藏高海拔地區(qū)的核心地帶，受地震影響更甚，同時(shí)低溫、強(qiáng)輻射和夏季多雨的氣候?qū)π膲κ┕べ|(zhì)量產(chǎn)生較大影響，綜合這些不利因素的影響。在進(jìn)行碾壓式瀝青混凝土心墻配合比設(shè)計(jì)時(shí)，與國(guó)內(nèi)其它地區(qū)類似工程相比，要適當(dāng)提高瀝青混合料的瀝青用量。拉洛水利樞紐大壩碾壓式瀝青混凝土配合比經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選確定采用瀝青用量7.1%(油石比)配合比，用作后續(xù)試驗(yàn)及施工的目標(biāo)配合比，同時(shí)還要經(jīng)過工藝性試驗(yàn)、生產(chǎn)性試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)施工的驗(yàn)證，在實(shí)際應(yīng)用過程中要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)骨料級(jí)配、拌和系統(tǒng)稱量精度等因素對(duì)其作適當(dāng)微調(diào)，更有利于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工控制。