崔博濤, 劉 偉,林振華,磨煉同
(1.國(guó)網(wǎng)新源新疆阜康抽水蓄能有限公司,阜康 831500;2.中國(guó)水利水電第三工程局有限公司,西安 710024;3.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070)
抽水蓄能水庫(kù)瀝青混凝土面板是重要的防滲結(jié)構(gòu),其一般采用簡(jiǎn)式結(jié)構(gòu),從外到內(nèi)分別由2 mm瀝青瑪蹄脂封閉層+10 cm防滲層瀝青混凝土+10 cm整平膠結(jié)層瀝青混凝土構(gòu)成。整平膠結(jié)層瀝青混凝土位于墊層與防滲層之間,主要為其上面的防滲層瀝青混凝土提供一個(gè)均勻有粘聚性的基礎(chǔ),并要求具有一定的滲透性,防止在整平膠結(jié)層和防滲層之間由于滯留水分而產(chǎn)生氣泡,導(dǎo)致防滲層出現(xiàn)鼓包問(wèn)題[1-3]。整平膠結(jié)層瀝青混凝土一般設(shè)計(jì)要求孔隙率為10%~15%,滲水系數(shù)為10-4~10-2cm/s,以達(dá)到排除滲漏水,消除其對(duì)防滲層的不利影響。過(guò)高孔隙率會(huì)降低整平膠結(jié)層瀝青混凝土的強(qiáng)度,因此要求其具有良好的熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性控制指標(biāo)采用25 ℃強(qiáng)度與50 ℃強(qiáng)度之比應(yīng)小于4.5以保證施工穩(wěn)定性[4]。此外,整平膠結(jié)層瀝青混凝土應(yīng)具有良好的水穩(wěn)定性,要求浸水后強(qiáng)度殘留率應(yīng)不小于85%。在抗凍裂方面,整平膠結(jié)層凍斷溫度遠(yuǎn)低于防滲層瀝青混凝土,在高寒高海拔地區(qū)整平膠結(jié)層瀝青混凝土存在空庫(kù)暴露過(guò)冬凍壞問(wèn)題,如呼和浩特抽水蓄能電站上水庫(kù)在開春復(fù)工前檢查發(fā)現(xiàn)整平膠結(jié)層局部出現(xiàn)了不同程度的裂縫[5]。阜康抽水蓄能電站上水庫(kù)空庫(kù)過(guò)冬時(shí)采用保溫措施后整平膠結(jié)層沒(méi)有出現(xiàn)凍脹開裂問(wèn)題。當(dāng)前抽水蓄能水庫(kù)瀝青混凝土面板從設(shè)計(jì)、施工、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等環(huán)節(jié)都十分重視防滲層瀝青混凝土,但往往忽視了整平膠結(jié)層瀝青混凝土[6,7]。前期幾個(gè)項(xiàng)目工程實(shí)踐表明整平膠結(jié)層瀝青混凝土室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)可調(diào)性和指導(dǎo)性較差,場(chǎng)外試驗(yàn)段難以一次成功,同時(shí)場(chǎng)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量合格率低[8,9]。為了更好地提升整平膠結(jié)層瀝青混凝土設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量控制水平,論文重點(diǎn)分析了整平膠結(jié)層瀝青混凝土礦料合成級(jí)配特性,探討馬歇爾擊實(shí)次數(shù)對(duì)孔隙率的影響,提出試件密度與孔隙率試驗(yàn)優(yōu)化方法以及現(xiàn)場(chǎng)孔隙率控制措施。
整平膠結(jié)層瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)主要包括礦料合成級(jí)配設(shè)計(jì)與瀝青用量的確定。為了達(dá)到10%~15%的孔隙率設(shè)計(jì)要求,礦料合成級(jí)配要求采用半開級(jí)配和大級(jí)配指數(shù)(如在0.7~0.9之間)以形成粗骨料骨架結(jié)構(gòu),而細(xì)料、礦粉和瀝青共同組成瀝青砂漿,填充骨架的部分間隙,剩余未填充間隙則形成孔隙和滲水通道。因此,整平膠結(jié)層瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)實(shí)際上是選擇合適的骨架結(jié)構(gòu),并輔與適當(dāng)細(xì)料、填料和瀝青完成有效填充要求的礦料間隙。目前整平膠結(jié)層瀝青混凝土油石比一般為4.2%~4.5%,填料用量為6%~7%,粉膠比約為1.5,粉膠比略高于道路瀝青混凝土常用的范圍0.8~1.2。
整平膠結(jié)層瀝青混凝土的礦料合成級(jí)配一般采用級(jí)配指數(shù)0.7、0.8和0.9,填料用量6%和最大粒徑19 mm進(jìn)行設(shè)計(jì),按丁樸榮公式計(jì)算各篩孔通過(guò)率,得到細(xì)、中和粗三個(gè)不同的礦料合成級(jí)配,如圖1所示。若與道路瀝青混凝土設(shè)計(jì)常用的0.45次方最大理論密度線對(duì)比,三種級(jí)配指數(shù)對(duì)應(yīng)的礦料合成級(jí)配均在最大理論密度線下方,且級(jí)配指數(shù)越大,越偏離0.45次方最大理論密度線,表明骨架作用越強(qiáng),礦料間隙率和孔隙率越大。如圖1所示,實(shí)際上三種級(jí)配指數(shù)對(duì)應(yīng)的礦料合成級(jí)配波動(dòng)范圍小,以關(guān)鍵篩孔2.36 mm的通過(guò)率為例,級(jí)配指數(shù)為0.7、0.8和0.9時(shí),其通過(guò)率分別為26.3%、22.8%和19.8%,若取級(jí)配指數(shù)0.8為中值,則級(jí)配指數(shù)為0.7的合成級(jí)配的2.36 mm通過(guò)率在中值基礎(chǔ)上增加3.5%,而級(jí)配指數(shù)為0.9的合成級(jí)配的2.36 mm通過(guò)率則相應(yīng)減少3.0%,上下波動(dòng)基本上在配合比控制要求的±3%范圍內(nèi),合成級(jí)配實(shí)際可調(diào)整空間小。
為了分析上述三個(gè)級(jí)配指數(shù)0.7、0.8和0.9的合成礦料級(jí)配的骨架特性,采用不同粒徑石灰?guī)r骨料按上述級(jí)配進(jìn)行配料,同時(shí)將配好的混合集料全部過(guò)2.36 mm方孔篩,得到大于2.36 mm的混合集料。通過(guò)粗集料振搗試驗(yàn)檢測(cè)混合粗集料振搗堆集密度和粗集料礦料間隙率,發(fā)現(xiàn)不同級(jí)配指數(shù)0.7、0.8和0.9的混合粗集料振搗堆集密度為1.70~1.71,混合粗集料礦料間隙率在37%~38%之間,波動(dòng)范圍小,因此細(xì)集料、礦粉、瀝青的有效填充顯得尤為重要,填充過(guò)多和過(guò)少均達(dá)不到孔隙填充要求。
前期一些項(xiàng)目按級(jí)配指數(shù)0.8確定礦料合成級(jí)配,實(shí)際室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)瀝青混凝土孔隙率偏小,滲水率小,不得不對(duì)曲線進(jìn)行調(diào)整或改良處理,如采用小于2.36 mm部分往下偏離理論計(jì)算曲線的方式,實(shí)際上是減少細(xì)料用量或采用粗砂方法,避免0.075~2.36 mm篩孔的通過(guò)率與理論曲線重合或出現(xiàn)駝峰。前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)料中0.6 mm以下細(xì)顆粒含量對(duì)孔隙率影響很大,如粗砂(小于0.6 mm含量小于25%)造成孔隙率偏大,而細(xì)砂(小于0.6 mm含量大于45%)造成孔隙率偏小,上述結(jié)果表明0.15~0.6 mm細(xì)顆粒對(duì)填充作用很重要。礦料合成級(jí)配特性與現(xiàn)場(chǎng)瀝青混凝土孔隙率偏小的問(wèn)題進(jìn)一步說(shuō)明整平膠結(jié)層瀝青混凝土的配合比設(shè)計(jì)可調(diào)性和指導(dǎo)性較差,往往需要通過(guò)場(chǎng)外工藝試驗(yàn)段施工結(jié)果對(duì)配合比進(jìn)行調(diào)整,因此場(chǎng)外工藝性試驗(yàn)方案應(yīng)至少推薦并施工檢驗(yàn)2個(gè)不同配合比。
在油石比方面,山東沂蒙項(xiàng)目整平膠結(jié)層設(shè)計(jì)油石比為4.3%,江蘇句容項(xiàng)目設(shè)計(jì)油石比4.5%,新疆阜康項(xiàng)目設(shè)計(jì)油石比4.7%。實(shí)際油石比與石料吸油性有關(guān),當(dāng)瀝青用量多,填料少時(shí)存在瀝青析露風(fēng)險(xiǎn),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理考慮性價(jià)比。前期幾個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)拌制的整平膠結(jié)層瀝青混合料外觀油多黑亮,表面油膜厚,有富余瀝青。須指出的是,瀝青含量、瀝青用量或油石比是不同的概念,容易混淆,如室內(nèi)配合比采用瀝青含量進(jìn)行設(shè)計(jì),而施工時(shí)采用同一數(shù)值的瀝青用量或油石比會(huì)導(dǎo)致實(shí)際瀝青用量偏低,實(shí)際工程中宜采用瀝青用量或油石比以更方便試驗(yàn)室和瀝青拌和樓配料生產(chǎn)。
整平膠結(jié)層瀝青混凝土骨架作用強(qiáng),馬歇爾試件成型采用的擊實(shí)次數(shù)對(duì)孔隙率檢測(cè)結(jié)果影響很大。原則上,擊實(shí)次數(shù)的選擇應(yīng)能反映現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)碾碾壓效果。以級(jí)配指數(shù)0.8,填料用量6%,油石比4.3%拌制瀝青混凝土,按不同擊實(shí)次數(shù),如雙面各20次、35次、50次和75次進(jìn)行馬歇爾試件成型,并檢測(cè)其孔隙率,結(jié)果見(jiàn)表1。雙面各擊實(shí)20次存在壓實(shí)度不足的問(wèn)題,孔隙率易大于15%。雙面各擊實(shí)35次和50次時(shí)孔隙率在10%~15%之間,達(dá)到正常壓實(shí)效果,而雙面各擊實(shí)75次存在過(guò)壓?jiǎn)栴},孔隙率小于10%。道路瀝青混凝土一般采用雙面各擊實(shí)75次,低等級(jí)瀝青路面和人行道可采用雙面各擊實(shí)50次成型馬歇爾試件。水工瀝青混凝土使用條件、實(shí)際受力和和施工碾壓路機(jī)噸位等均與道路瀝青混凝土有較大差別,選擇擊實(shí)次數(shù)在35~50次之間更能反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際振動(dòng)碾能達(dá)到的壓實(shí)效果,雙面各擊實(shí)75次應(yīng)是其現(xiàn)場(chǎng)可能達(dá)到的極限壓實(shí)效果。在室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)檢驗(yàn)擊實(shí)次數(shù)對(duì)孔隙率的影響,了解其敏感性以指導(dǎo)配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)碾壓工藝。
表1 馬歇爾擊實(shí)次數(shù)對(duì)孔隙率的影響
水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程中瀝青混凝土的密度測(cè)定有排水置換法、蠟封排水置換法和量體積法,其中排水置換法適用于孔隙率小于3%的試件,蠟封排水置換法適用于孔隙率大于3%的試件,而量體積法主要針對(duì)切割成標(biāo)準(zhǔn)形狀的圓柱體試件,分別量取試件直徑和高度,用試件質(zhì)量除以圓柱體積得到試件密度。整平膠結(jié)層瀝青混凝土設(shè)計(jì)孔隙率在10%~15%之間,按規(guī)范要求應(yīng)采用蠟封排水置換法和量體積法。蠟封法通過(guò)降低試件表面溫度和石蠟熔化溫度,同時(shí)減少試件浸泡時(shí)間以避免石蠟過(guò)多進(jìn)入試件表面連通的開口孔隙。實(shí)際上蠟封法測(cè)得的試件體積包括了瀝青混凝土體積+試件內(nèi)部的閉口孔隙+連通表面的開口孔隙,使得試件測(cè)得密度偏大,孔隙率結(jié)果偏小,且基本在10%以下。量體積法實(shí)用性強(qiáng),然而馬歇爾圓柱試件上下表面和側(cè)面孔洞多,測(cè)得的試件體積除了瀝青混凝土體積+試件內(nèi)部的閉口孔隙+連通表面的開口孔隙外,額外增加了表面凹陷部分,因此量體積法測(cè)得的密度偏小,而孔隙率則偏大。針對(duì)蠟封法的局限性,前期開展了真空密封法檢測(cè)整平膠結(jié)層瀝青混凝土馬歇爾試件密度和孔隙率的試驗(yàn)研究,先利用密封袋真空密封試件后再通過(guò)排水置換法檢測(cè)密度和孔隙率,實(shí)測(cè)結(jié)果表明真空密封法比量體積法測(cè)得馬歇爾試件孔隙率小0.8%~2.0%,平均值1.5%。采用芯樣進(jìn)行真空密封法和量體積法進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),芯樣兩端切割整平時(shí)量體積法比真空密封法實(shí)測(cè)孔隙率結(jié)果大0.3%~0.5%;若表面不切割而底部切割時(shí),量體積法比真空密封法實(shí)測(cè)孔隙率結(jié)果大0.7%~1.2%。目前蠟封法實(shí)用性差且結(jié)果偏差大,已經(jīng)基本棄用,因此密度測(cè)量主要以量體積法為主,其特別適用于切割成標(biāo)準(zhǔn)形狀的圓柱體試件,但對(duì)于馬歇爾試件存在較大的偏差,而采用真空密封法更能準(zhǔn)確檢測(cè)整平膠結(jié)層瀝青混凝土的密度和孔隙率,實(shí)用性好。后期研究可結(jié)合真空密封法對(duì)量體積法進(jìn)行對(duì)比和修正以消除試件表面凹陷部分的影響。
整平膠結(jié)層瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)的核心是孔隙率,一些項(xiàng)目同時(shí)對(duì)滲水系數(shù)提出10-4~10-2cm/s的設(shè)計(jì)要求,用孔隙率與滲水系數(shù)進(jìn)行雙控。前期開展孔隙率與滲水系數(shù)相關(guān)性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。整平膠結(jié)層瀝青混凝土馬歇爾試件孔隙率與滲透系數(shù)實(shí)際相關(guān)性不強(qiáng),主要原因是滲水與連通孔隙率有關(guān),量體積法孔隙率在11%~13.5%范圍內(nèi)才能滿足達(dá)到10-4~10-2cm/s滲水要求。上述結(jié)果給室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)提出一大難題:設(shè)計(jì)孔隙率應(yīng)控制在多少方能很好地實(shí)現(xiàn)孔隙率與滲水系數(shù)雙控?若進(jìn)一步考慮施工質(zhì)量波動(dòng)以及現(xiàn)場(chǎng)取芯樣與馬歇爾試件表面凹陷差異,室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)階段應(yīng)按中值12.5%進(jìn)行設(shè)計(jì),在場(chǎng)外試驗(yàn)段施工時(shí)應(yīng)進(jìn)一步采取芯樣進(jìn)行驗(yàn)證,保證馬歇爾試件孔隙率與現(xiàn)場(chǎng)芯樣相一致。從前期幾個(gè)項(xiàng)目來(lái)看,孔隙率與滲水系數(shù)實(shí)行雙控只是在室內(nèi)配合比階段開展試驗(yàn),實(shí)際到場(chǎng)外工藝性試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工階段都是只檢測(cè)孔隙率,極少開展?jié)B水系數(shù)試驗(yàn),因此雙控實(shí)用性和指導(dǎo)作用不大,應(yīng)以孔隙率檢測(cè)為主。整平膠結(jié)層現(xiàn)場(chǎng)孔隙率大于8%基本上是滲水的,而孔隙率大于15%主要是骨料離析、溫度過(guò)低和壓實(shí)不足造成,其瀝青混凝土強(qiáng)度低,水穩(wěn)性和熱穩(wěn)定性差,不利于耐久性。
整平膠結(jié)層瀝青混凝土現(xiàn)場(chǎng)孔隙率要求10%~15%,范圍較窄,實(shí)際施工難以100%達(dá)到要求。前期幾個(gè)項(xiàng)目場(chǎng)外試驗(yàn)段芯樣均出現(xiàn)了孔隙率偏小的問(wèn)題,甚至出現(xiàn)滲水系數(shù)偏小或不滲水的情況。實(shí)際場(chǎng)內(nèi)施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)芯樣孔隙率合格率低,如某個(gè)項(xiàng)目取芯30個(gè),合格率僅為70%,孔隙率平均值為13.3%,最大值為18.5%,最小值為7.5%。芯樣如何切割可直接影響到基于量體積法計(jì)算得到的孔隙率。目前有以下兩種方法:1)只切割掉芯樣底部,表面不切割,取上部63 mm來(lái)測(cè)量體積和檢測(cè)孔隙率。因按試件高度和直徑測(cè)量體積時(shí)直接把試件表面凹凸部分納入試件體積而造成密度偏小和孔隙率偏大。2)采取雙面切割,切割掉表面和底部,取中間63 mm厚度芯樣來(lái)測(cè)量體積和檢測(cè)孔隙率。此方法可消除試件粗糙表面的影響,測(cè)得的結(jié)果更接近真實(shí)孔隙率。須指出的是設(shè)計(jì)要求的10%~15%孔隙率是指試件真實(shí)孔隙率,實(shí)際孔隙率在10%~15%范圍內(nèi)才能達(dá)到滲透系數(shù)為10-4~10-2cm/s微滲水的效果?,F(xiàn)場(chǎng)芯樣孔隙率應(yīng)采取雙面切割制得的表面光滑圓柱進(jìn)行體積測(cè)量以進(jìn)行密度及孔隙率檢測(cè)。
整平膠結(jié)層瀝青混凝土現(xiàn)場(chǎng)孔隙率除取芯檢測(cè)外,應(yīng)多采用無(wú)核密度無(wú)損檢測(cè)方法。采用無(wú)核密度儀進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)具有快速、便捷、無(wú)損等優(yōu)點(diǎn),但其缺點(diǎn)是檢測(cè)結(jié)果精度差。整平膠層瀝青混凝土碾壓振動(dòng)碾鋼輪灑水防粘,多余水分殘留在瀝青混凝土中,此外表面粗糙、瀝青混凝土內(nèi)部溫度等均影響無(wú)核密度儀檢測(cè)結(jié)果,使用前應(yīng)做好標(biāo)定,與芯樣點(diǎn)對(duì)點(diǎn)一一復(fù)核,保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性,并建立標(biāo)準(zhǔn)曲線方可使用。
整平膠結(jié)層瀝青混凝土現(xiàn)場(chǎng)孔隙率變異大,施工控制難度大,表現(xiàn)為庫(kù)底平面比斜坡面易壓實(shí),機(jī)械攤鋪優(yōu)于人工攤鋪。取芯發(fā)現(xiàn)芯樣上部比下部密實(shí),接縫粗骨料集中,溫度低、壓實(shí)難,孔隙率普遍大于15%。對(duì)于孔隙率不合格如何處理目前尚未有很好的解決方案,挖除重鋪處理難度大,其次修補(bǔ)采用人工攤鋪質(zhì)量差,現(xiàn)場(chǎng)孔隙率難以控制得更好。當(dāng)前整平膠結(jié)層冷縫處理沒(méi)有像防滲層冷縫處理那樣得到重視,設(shè)計(jì)上沒(méi)有特別要求,完全當(dāng)作熱縫進(jìn)行施工處理,實(shí)際冷縫孔隙率絕大多數(shù)不合格。此外,斜坡施工時(shí)因?yàn)r青混凝土牽引攤鋪和碾壓相互干擾,需要攤鋪完成一個(gè)條幅后才能錯(cuò)開條幅進(jìn)行牽引碾壓,因攤鋪后孔隙大,散熱快,容易造成碾壓溫度相對(duì)低,同時(shí)斜坡碾壓時(shí)振動(dòng)碾壓實(shí)功相對(duì)庫(kù)底平面小,增加碾壓遍數(shù)難,導(dǎo)致斜坡局部孔隙率偏大,強(qiáng)度低,表面有微裂紋。在防滲層瀝青混凝土斜坡施工時(shí)若攤鋪機(jī)牽引力不足,攤鋪機(jī)履帶易壓壞整平膠結(jié)層瀝青混凝土。為進(jìn)一步提高現(xiàn)場(chǎng)孔隙率合格率,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工部位對(duì)施工配合比和碾壓工藝做針對(duì)性調(diào)整。斜坡施工時(shí)應(yīng)對(duì)配合比適當(dāng)增加細(xì)料用量和提高瀝青混凝土出料溫度,人工攤鋪時(shí)應(yīng)分層攤鋪與分層及時(shí)高溫人工夯實(shí)。為減少接縫處孔隙率變異性,瀝青混凝土攤鋪時(shí)螺旋布料器內(nèi)的瀝青混合料表面應(yīng)略高于螺旋布料器2/3以減少螺旋布料在兩端出現(xiàn)粗骨料離析,必要時(shí)應(yīng)對(duì)攤鋪后可能形成冷縫的接縫進(jìn)行趁熱預(yù)壓實(shí)。整平膠結(jié)層瀝青混凝土采用半開級(jí)配,細(xì)料少,骨架作用強(qiáng),攤鋪厚度大,應(yīng)加強(qiáng)高溫振動(dòng)碾壓,保證碾壓遍數(shù),避免欠壓和漏壓,必要時(shí)可在壓路機(jī)上安裝精確定位GPS、壓實(shí)傳感器和紅外溫度傳感器,通過(guò)壓路機(jī)智能監(jiān)測(cè)壓實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)點(diǎn)的壓實(shí)遍數(shù)與速度、壓實(shí)效果以及壓實(shí)溫度的遠(yuǎn)程數(shù)字化控制。
a.整平膠結(jié)層瀝青混凝土的礦料合成級(jí)配可調(diào)整空間小,粗骨料骨架間隙率高,需要細(xì)料、礦粉和瀝青合理有效填充才能滿足孔隙率設(shè)計(jì)要求。
b.整平膠結(jié)層瀝青混凝土馬歇爾試件密度和孔隙率對(duì)擊實(shí)次數(shù)敏感。采用真空密封法比量體積法更能準(zhǔn)確反映試件的密度和孔隙率,且實(shí)用性好。
c.整平膠結(jié)層瀝青混凝土馬歇爾試件孔隙率與滲透系數(shù)相關(guān)性差,室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)階段孔隙率應(yīng)按中值12.5%進(jìn)行設(shè)計(jì)。
d.整平膠結(jié)層瀝青混凝土現(xiàn)場(chǎng)孔隙率合格率低,應(yīng)及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工部位優(yōu)化和調(diào)整施工配合比與碾壓工藝,必要時(shí)可安裝壓路機(jī)智能監(jiān)測(cè)壓實(shí)系統(tǒng)保證碾壓質(zhì)量。