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        豐滿水電站防滲掛板瀝青混凝土配合比解析及長(zhǎng)期耐久性試驗(yàn)研究

        2020-10-14 08:24:58李中田馬智法
        關(guān)鍵詞:變形混凝土施工

        李中田,王 鵬,李 鑫,馬智法

        (1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長(zhǎng)春 ;2.洮南市防汛抗旱服務(wù)中心,吉林 洮南 )

        對(duì)混凝土重力壩裂縫滲漏加固處理而言,瀝青混凝土掛板具有防滲效果好、適應(yīng)壩體變形能力強(qiáng)、施工工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),如能放空庫(kù)水進(jìn)行修補(bǔ),可達(dá)到根治壩體裂縫滲水的效果。

        吉林豐滿水電站混凝土老壩全長(zhǎng)1080 m,共分60個(gè)壩段。大壩始建于1937年,1942年蓄水,1945年停建,1953年續(xù)建完成。由于大壩工程的施工質(zhì)量低劣,一直存在壩體滲漏、溶蝕、凍融破損等問(wèn)題,影響著大壩的正常運(yùn)行,需要進(jìn)行防滲補(bǔ)強(qiáng)處理。20世紀(jì)90年代,決定在豐滿水電站大壩上游面高程226~245 m的19 m高程范圍內(nèi)(常年水位以下)采用澆筑式瀝青混凝土防滲面板方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。

        1 材料與方法

        豐滿水電站防滲掛板瀝青混凝土的膠結(jié)材料為瀝青、渣油的摻配瀝青,礦質(zhì)混合料為碎石、人工砂、填料和石棉組成。

        1.1 瀝青

        本工程選用的是大慶減壓渣油進(jìn)行瀝青摻配。從表1可以看出,通過(guò)瀝青摻配試驗(yàn)分析得出:摻入渣油后試配瀝青的針入度指數(shù)變小,屬凝膠結(jié)構(gòu),同時(shí)具有溫感系數(shù)小,抗流變性好的特點(diǎn),同時(shí)針入度較大適宜澆筑施工,綜合評(píng)價(jià)瀝青摻配后適應(yīng)其運(yùn)行工況并滿足施工要求。

        表1 瀝青摻配試驗(yàn)

        1.2 石棉、填料

        1.2.1 石棉

        石棉纖維具有極大的比表面積,因此與普通瀝青混凝土相比,摻石棉纖維的瀝青混凝土還具有瀝青含量高、抗老化性能好等特點(diǎn),本次試驗(yàn)用石棉密度為2.61 g/cm3。

        1.2.2 填料

        石灰粉細(xì)度試驗(yàn)結(jié)果表明:0.15 mm篩孔通過(guò)率為100%,0.074 mm篩孔通過(guò)率為95%,密度為2.74 g/cm3,親水系數(shù)為0.89,均符合技術(shù)要求。

        1.3 骨料

        粗、細(xì)骨料均為明城石灰石軋制的碎石和人工砂。

        1.3.1 粗骨料

        粗骨料視比重為2.68 g/cm3,用水煮法做粗骨料與瀝青黏結(jié)力試驗(yàn),結(jié)果表明:石料表面與瀝青的黏結(jié)力達(dá)到五級(jí),黏結(jié)性為優(yōu)。篩析試驗(yàn)的顆粒級(jí)配見(jiàn)表2。

        表2 粗骨料篩分結(jié)果

        1.3.2 細(xì)骨料

        細(xì)骨料的視比重為2.70 g/cm3,通過(guò)細(xì)骨料的水穩(wěn)定等級(jí)試驗(yàn),瀝青與細(xì)骨料的黏著性指數(shù)達(dá)到10級(jí),篩析試驗(yàn)的顆粒級(jí)配見(jiàn)表3。

        表3 細(xì)骨料篩分結(jié)果

        1.4 瀝青混凝土配合比的選定

        澆筑式瀝青混凝土是瀝青含量較多的瀝青混凝土,有自行密實(shí)能力,防滲性能好。為了使瀝青混凝土在施工時(shí)具有一定的和易性,防止骨料分離,并保證防滲面板運(yùn)行期的安全,要合理選擇材料,正確進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)[1]。需要按照密實(shí)礦物混合料的原則選配,參照經(jīng)驗(yàn)曲線范圍選擇混合料配比,得到其礦物混合料級(jí)配(石棉除外)如表4。

        表4 礦料級(jí)配表

        根據(jù)瀝青混合料試拌結(jié)果,最終確定瀝青混凝土配合比如表5。以上三種配合比的瀝青混凝土在室內(nèi)溫度控制在150~180 ℃時(shí)拌和,澆筑試驗(yàn)和易性都比較好,并且不產(chǎn)生離析現(xiàn)象。90-1號(hào)配合比試件測(cè)試的孔隙率最小,密實(shí)度最佳。

        表5 瀝青混合料成型配料單

        2 瀝青混凝土的物理力學(xué)試驗(yàn)

        2.1 抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定系數(shù)試驗(yàn)

        抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是試件在20 ℃的恒溫條件下,軸向變形速度為5 mm/min的極限抗壓強(qiáng)度。水穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)是瀝青混凝土防滲面板的基本要求之一。試件應(yīng)在水的長(zhǎng)期浸泡下使黏附于礦質(zhì)材料的瀝青膜不產(chǎn)生剝離現(xiàn)象,保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,從而保證長(zhǎng)期的防滲效果[2-3]。

        瀝青混凝土的耐水性試驗(yàn)是一組在49 ℃水中恒溫放置四晝夜后移至20 ℃恒溫中的試件與另一組干放在20 ℃恒溫中的試件的抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。它們的比值即為水穩(wěn)定系數(shù),系數(shù)愈大(接近1.0),耐久性越好。結(jié)果表明浸水試件的強(qiáng)度沒(méi)有損失(一般耐水性系數(shù)達(dá)到0.85就符合技術(shù)要求),表明瀝青混合料的耐水性符合要求。

        2.2 柔性試驗(yàn)

        柔性試驗(yàn)是為了測(cè)定瀝青混凝土的極限變形能力。澆筑式瀝青混凝土具有變形良好的特點(diǎn),因而更能適應(yīng)壩體的整體和局部變形。計(jì)算的撓跨比和受拉面應(yīng)變列于表6。表中列出了四種不同溫度條件下的結(jié)果。根據(jù)混凝土壩的變形性能,再加上外側(cè)鋼筋混凝擋板的保護(hù),瀝青混凝防滲層完全能適應(yīng)壩體的變形而不致開(kāi)裂。

        表6 瀝青混凝土性能結(jié)果

        2.3 三軸剪切試驗(yàn)

        瀝青混凝土的三軸剪切試驗(yàn)是把直徑為10 cm,高為20 cm的圓柱狀試件置于三軸壓力室內(nèi),在溫度為11±1 ℃下以不同圍壓,軸向?yàn)?.1 mm/min的加壓(變形)速度下做剪切試驗(yàn),直到軸向壓力達(dá)到峰值。90-1配合比的瀝青混凝土凝聚力c為0.225 MPa,內(nèi)摩擦角為6°46′,90-2配合比的瀝青混凝土黏聚力c為0.185 MPa,內(nèi)摩擦角為10°16″。

        以上兩種配合比的瀝青混凝土凝聚力都比較大,這與瀝青的針入度指數(shù)較大有關(guān),也與瀝青混凝土中的尖角骨料有關(guān)。

        2.4 配合比結(jié)論

        (1)大慶氧化瀝青針入度指數(shù)大,抗流變性好,具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性[4]。由石灰石軋制的粗、細(xì)骨料和填料,屬于堿性礦質(zhì)材料,和瀝青黏附后,可以抵抗水的長(zhǎng)期剝離作用,骨料具有尖角可以提高瀝青混凝土的力學(xué)穩(wěn)定性。

        (2)試驗(yàn)結(jié)果表明,瀝青混凝土的耐水性優(yōu)良,柔性能適應(yīng)工程的實(shí)際變形能力,密實(shí)良好,防滲可靠。

        (3)三軸剪切試驗(yàn)表明,瀝青混凝土具有一定的內(nèi)摩擦角和較高的凝聚力,用于豐滿大壩上游面防滲面板的具體條件下,其力學(xué)穩(wěn)定性是可靠的。在防滲面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,鋼筋混凝土擋板除了在施工階段是澆筑瀝青混凝土的模板外,在運(yùn)行期間又對(duì)瀝青混凝土起重要的保護(hù)作用。防滲層長(zhǎng)期處于水下,溫度變化幅度小,更加穩(wěn)定可靠。

        (4)試驗(yàn)結(jié)果表明,90-1號(hào)配合比,即瀝青10%、渣油5%、石棉5%、石灰粉12%、細(xì)骨料36%、粗骨料32%更能滿足各項(xiàng)技術(shù)要求,可作為施工用配合比。

        3 長(zhǎng)期運(yùn)行后瀝青單質(zhì)及瀝青混凝土性能研究

        該配合比于1999年應(yīng)用豐滿水單站大壩上游面修補(bǔ)施工,隨著工程重建,有機(jī)會(huì)將原施工所用的瀝青混凝土取樣進(jìn)行再次性能檢測(cè),考證瀝青混凝土的長(zhǎng)期性能變化趨勢(shì)。

        3.1 瀝青單質(zhì)試驗(yàn)

        本研究利用溶解、過(guò)濾、蒸餾等手段,將瀝青單質(zhì)由瀝青混合料中提取出來(lái),進(jìn)行主要指標(biāo)檢測(cè),結(jié)果如表7所示。由數(shù)據(jù)可以看出瀝青單質(zhì)性質(zhì)變化不大,說(shuō)明在水下運(yùn)行,瀝青單質(zhì)老化進(jìn)程緩慢。

        3.2 瀝青混凝土性能

        利用拆壩過(guò)程所取的瀝青混凝土芯樣,進(jìn)行耐久性、彎曲試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表8所示,與瀝青混合料配合比數(shù)據(jù)比較差異不大,反應(yīng)澆筑式瀝青混凝土在水下老化進(jìn)程緩慢。

        表8 老壩瀝青單質(zhì)試驗(yàn)

        4 結(jié)論及建議

        通過(guò)瀝青單質(zhì)、瀝青混凝土多年后的試驗(yàn)性能比較,得出澆筑式瀝青混凝土,由于瀝青含量較高,不易受水侵蝕發(fā)生老化。

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