碾压式沥青混凝土心墙现场铺筑试验分析

碾压式沥青混凝土心墙现场铺筑试验分析

李兴

镇雄县水务局，云南  镇雄 657200

    【摘要】  为保证大坝沥青混凝土心墙施工质量，施工前必须依据沥青混凝土室内配合比进行现场铺筑试验，并对试验结果进行分析，检验室内配合比在施工条件下是否满足规范和设计要求、检验施工设备和沥青混合料生产系统的可靠性、确定施工工艺和参数，以指导大坝沥青混凝土心墙施工。本文是对坝口河水库碾压式沥青混凝土心墙现场铺筑试验的简述，供同行参考。

【关键词】  沥青混凝土  心墙  铺筑试验  施工工艺   

1  前言

沥青混凝土是土石坝的一种新型防渗材料，其孔隙率小、防渗性能优异、且有一定的裂缝自愈能力、适应变形能力强，作为土石坝的心墙防渗体，与混凝土或塑性混凝土防渗心墙相比，对土石坝坝体变形能协调一致，安全性较高；具有施工速度快、机械化程度高的优点。沥青混凝土心墙作为大坝的防渗结构，直接影响水库蓄水和工程安全，现场施工控制不严，极易造成渗漏，发生问题后，难于补救和检修。因此，从原材料到施工，应有严格的质量控制标准和体系。为保证大坝沥青混凝土心墙施工质量，施工前必须依据沥青混凝土室内配合比进行现场铺筑试验，并对试验结果进行分析，检验室内配合比在施工条件下是否满足规范和设计要求、检验施工设备和沥青混合料生产系统的可靠性、确定施工工艺和参数，以指导大坝沥青混凝土心墙施工。本文是对坝口河水库碾压式沥青混凝土心墙现场铺筑试验的简述。

2  工程概况及心墙防渗体形式

坝口河水库为Ⅲ等中型水利工程，总库容1371万m³。枢纽主要由沥青混凝土心墙风化料坝、溢洪洞、输水洞、泄洪（导流）放空洞组成。沥青混凝土心墙风化料坝最大坝高71.40m，坝顶高程1609.20m，防浪墙顶高程1610.40m，坝顶长158m，坝顶宽10.0m。坝体分区由上游至下游依次为上游填筑区（强、弱风化料）、过渡层、沥青混凝土心墙、过渡层、下游填筑区（强、弱风化料；弱风化料）、排水棱体组成。沥青混凝土心墙位于坝轴线上游、两轴线相距3.8m；心墙为阶梯式，自上而下厚0.5m、0.7m、0.9m、1.1m；心墙防渗体顶高程1608.90m，最大高度69.1m，铺筑方量5798m³；心墙防渗体上下游均设有3.0m宽的级配碎石过渡层。心墙底部设C25混凝土基座，厚2.0m，宽6.2m。

3  沥青混凝土心墙设计指标

设计单位在初步设计阶段即委托西安理工大学防渗研究所进行坝口河水库风化料坝心墙混凝土材料和配合比试验研究工作，在施工图设计阶段，提出的设计指标见表1。

表1.碾压式沥青混凝土心墙设计指标

4  碾压式沥青混凝土室内配合比

施工单位工地破碎骨料和矿粉、克拉玛依70号A级沥青进行室内配合比试验。推荐施工配合比矿料级配见表2，碾压式沥青混凝土推荐施工配合比见表3。

表2.推荐施工配合比矿料级配

表3.碾压式沥青混凝土推荐施工配合比

5  试验目的

a.复核设计要求与填筑标准的合理性；

b.检验施工设备运行情况和工艺可靠性，确定碾压温度和遍数；

c.检验沥青混合料生产系统中的称量计量、温度检测以及现场无损检测的可靠性；

d.在已成的原材料及中间产品试验成果和沥青混凝土推荐配合比的基础上通过现场摊铺试验的成果，检验室内配合比在施工条件下是否满足规范与设计要求，并进行必要的调整，确定沥青混凝土施工配合比、配料顺序和拌合时间；

e.确定达到设计要求与填筑标准的最佳压实方法(碾压设备类型、机械参数施工参数等)，确定沥青混凝土碾压参数；

f.通过现场摊铺试验的成果，确定整个沥青混凝土心墙拌合、运输、碾压等施工系统的运行适应性和可靠性。

6  现场铺筑试验

6.1  试验场地选择

试验场地布置于后坝已填筑的弱风化料顶部，试验基座采用C25混凝上进行浇筑，尺寸为28cm×1.2m×0.25m(长×宽×厚)。

6.2资源配置

a.施工机械设备

沥青混凝土心墙摊铺试验施工设备试运行良好；沥青混凝土拌和系统计量设备完成计量检定工作，并满足规程规范要求。施工机械设备配置见表4。

表4.施工机械设备配置

b.试验设备

包括沥青混凝土试验设备和土工试验设备，使用前应完成计量检定工作，并满足规程规范要求。试验设备配置见表5。

表5.试验设备配置

c.人员配置

配置试验人员19人。其中：现场技术人员1人、振动碾操作手3人，挖掘机操作手1人、装载机操作手2人、自卸汽车驾驶员1人、试验人员1人、辅助工人10人。

6.3沥青混合料原材料检测

a.沥青

采用克拉玛依70号A级水工沥青。各项指标见表6。

表6.沥青检测成果

检侧结论:沥青延度实测值28.5cm(15℃)，小于设计指标，建议控制指标按《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》SL501-2010调整为≥25cm(10℃)；沥青残留延度实测值31.9cm(15℃)，小于设计指标，建议控制指标调整为≥15cm (10℃)。

 b.粗骨料

粗骨料范围分为19～9.5mm、9.5～2.36mm两级，鉴定试验包括粗骨料密度及吸水率试验、与沥青的黏附性试验、耐久性试验、抗热性试验以及压碎率试验。检测成果见表7。

表7.粗骨料检测成果

检侧结论:二次筛分之后送样检测；检测指标合格。

c.细骨料

细骨料范围为2.36～0.075mm。检测成果见表8。

表8.细骨料检测成果

检侧结论:检测指标合格。

d.填料

填料采用粗骨料加工的矿粉，其鉴定试验包括密度试验、含水率试验、亲水系数试验及级配筛分试验。检测成果见表9。

表9.填料检测成果

检侧结论:检测指标合格。

6.4沥青混凝土拌合系统校验

a.称量误差

称量系统是沥青混凝土拌合系统最重要的控制项目之一，其有效性和稳定性直接影响沥青混凝土的配比和性能。本次摊铺实验对拌合系统的称量进行了静态称量校验和动态称量校验，校验结果见表10。

表10.称量误差校验结果

校验结果表明，拌合系统称量误差符合规程规范要求。

b.温度误差

温控系统是沥青混凝土拌合系统另一最重要的控制项目，其有效性和稳定性直接影响沥青混凝土拌合物质量和碾压性能，校验结果见表11。

表11.温度误差校验结果

校验结果表明，拌合系统原材料温度和拌合物出机口温度波动较小，能满足规程规范要求。

6.5沥青混凝土拌合与运输

a.原材料加热

摊铺试验骨料加热温度165～185℃，填料不加热，沥青加热温度155～165℃。经过现场验证拌合后沥青混凝土出机口温度为145～175℃。

b.拌合时间和顺序

(粗骨料→细骨料→填料)干拌30秒→(沥青)湿拌90秒→沥青混合料。

拌合后的沥青混合料色泽均匀光亮，无花白料。

c.沥青混合料运输

采用50装载机接料后直接运至现场，摊铺时直接由50装载机辅助人工卸料于模板内，观察整个过程沥青混合料没有明显分层离析。

d.沥青混合料入仓摊铺前温度变化

沥青混合料拌合后从出机口到摊铺前温度会发生变化，即温度降低。拌合物出机口温度173～174℃，摊铺前温度165～166℃，沥青拌合料温度变化不影响试验的正常开展。

6.6沥青混凝土摊铺与碾压

a.作业顺序

分人工和机械铺筑。

人工铺筑作业顺序为:施工准备→测量放线→立模→过渡料摊铺→过渡层的初碾→层面处理→沥青混合料的摊铺→拆模→沥青混合料和相邻过渡同步碾压→终碾。

机械铺筑作业顺序为:施工准备→层面清理→测量放线→确定中心线→摊铺机进行摊铺→过渡层的初碾→沥青混合料和过渡层材料的同步碾压→终碾。

b.施工准备

将连接部位的混凝土面进行凿毛处理，除去混凝土表面的浮浆、乳皮、残渣等，再喷涂一层冷底子油，用量在 0.15～0.20kg/m2。冷底子油的配比为：沥青30～40%，煤油或汽油60～70%。

待冷底子油于燥后，涂刷一层砂质沥青玛蹄脂，铺筑厚度为2cm。砂质沥青玛蹄脂的配比为1：2：2（沥青：填料：砂）。

c.测量放线

心墙厚度为50、70、90和110cm，摊铺碾压试验采用90cm厚，测量放线标记出处心墙中线后，以中线两侧各标记45cm为心墙边线，沿中心线每30m测混凝底板高程并标记位置，以便测算沥青混凝土铺料厚度及压实厚度，确定沥青混凝土压实系数。

d.立模

以测量放线的心墙中线、心墙上下游边线为基准，人工架设钢模板，模板用定型钢卡锁紧，钢模板牢固、稳定，拼接严密。

e.过渡料摊铺

采用自卸车运至现场，摊铺时挖掘机辅助人工卸料于模板外侧，然后整平，观察整个过程过渡料没有明显分层离析。

f.过渡料初碾

对铺填好的过渡料采用2.0t振动碾同时对称压实，压实范围为距心墙边缘15～20cm范围外。

g.层面处理

主要是对已完成的沥青混凝土碾压层进行处理，先将施工面清理干净。

h.沥青混合料摊铺

对试验区范围内，本次沥青混合料采用50装载机接料后直接运至现场，摊铺时直接由50装载机辅助人工卸料于模板内，对沥青混合料进行人工整平和温度检测，入仓温度控制在140～165℃。

i.拆模

由人工垂直将钢模板从铺填料中拔出，放于已碾压好的过渡料，备用。

j.碾压

本次摊铺试验采用一台BW80AD-4型1.5t振动碾碾压沥青混合料，过渡料用两台骏马2.0t双钢轮振动平碾碾压；碾压顺序为先静碾过渡料2遍(28cm)→静碾沥青混合料2遍(28cm)→停10～20min再同时对沥青混合料和过渡料动碾6遍、8遍、10遍(动碾时三台振动碾呈“品”字型进行)，振动碾行走速度为25～28cm/min，最后用1.5t振动碾对沥青心墙静碾2遍(28cm)收光，过渡料用2.0t振动碾静碾1遍压平过渡料与心墙接触部位。碾压参数见表12。

表12.沥青混合料机械碾压参数控制值

沥青混合料碾压各阶段均进行温度监控，初碾温度、动碾温度和终碾温度实测。实测值见表13。

表13.沥青混合料碾压各阶段温度实测值

心墙沥青混凝土铺筑施工过程中，由专职质检人员在现场进行质量控制，施工技术人员现场指导摊铺、碾压施工，确保沥青混凝土的施工质量。

7  现场试验质量检测

7.1  沥青混合料检测

试验室对沥青混合料进行了马歇尔试件密度、孔隙率、油石比及矿料级配试验。结果见表14、表15。

表14.沥青混合料密度、孔隙率结果

沥青混合料密度、孔隙率检测结果可见，室内成型马歇尔试件的孔隙率最大值1.6%，最小值1.2%。

表15.抽提试验检测结果

抽提试验可以看出沥青混合料中油石比满足设计值的要求，矿料级配满足允许偏差的要求。

7.2不同碾压遍数沥青混凝土芯样检测

对于碾压后的沥青混凝土，采用钻芯取样的方式对其进行检验。不同碾压遍数芯样的密度、孔隙率，检测情况见表16。

表16.沥青混凝土芯样密度、孔隙率检测结果

从芯样检测结果来看，无论碾压遍数6遍、8遍还是10遍，检测结果(试验数据)都非常接近，而且均满足技术要求。

虽然心墙在碾压6遍和10遍的情况下结果(试验数据)也满足要求，但是结合国内类似项目施工经验，为防止心墙在碾压过程中可能存在漏碾或碾压不到位的情况，为确保沥青心墙碾压后质量的稳定性，在保证工程质量的前提下选取碾压8遍的试验参数来作为下一步试验的控制指标。

7.3  碾压8遍的沥青混凝土心墙现场质量检测

a.心墙芯样检测项目

1）在沥青混凝土碾压完成并冷却至接近气温后安排钻芯取样，进行沥青混凝土外观描述、抽提、密度、孔隙率、渗透系数、单轴压缩、水稳定系数、小梁弯曲和静三轴等试验。

2）对沥青混凝土与混凝土基座的接缝以及沥青混凝间的结合层面进行钻孔取芯，进行外观描述、抗压强度、抗渗性等试验。

b.芯样检测结果

1）密度和孔隙率

动碾8遍，试件理论密度2.444g/cm3，碾压式沥青混凝土密度和孔隙率实测值见表17。

表17.沥青混凝土密度和孔隙率检测结果

由表17可知，碾压遍数为动碾8遍的芯样，芯样的密度为2.397～2.422g/cm3，平均值为2.411g/cm3，与国内已建类似工程指标基本一致；孔隙率为0.90～1.92%，平均值为1.34%，满足设计≤2.5%要求。

2）渗透系数

渗透系数实测值见表18。

表18.渗透系数检测结果

由表18可知，碾压遍数为动碾8遍的芯样，芯样渗透系数为6.41×10-9～8.70×10-9cm/s，均小于1×10-8cm/s，满足设计≤1×10-8cm/s要求。

3）单轴压缩

单轴压缩实测值见表19。

表19.单轴压缩检测结果

4）水稳定系数

水稳定系数实测值见表20。

 表20.水稳定系数检测结果

由表20可知，碾压遍数为动碾8遍的芯样，沥青混凝土水稳定系数平均值为1.34，满足设计≥1.0的要求。

5）小梁弯曲

小梁弯曲实测值见表21。

 表21.小梁弯曲检测结果

由表21可知，碾压遍数为动碾8遍的芯样，抗弯强度为838kPa，最大弯拉应变为 6.4%，满足设计＞3.5%要求。

6）静三轴

静三轴实测值见表22。

 表22.静三轴检测结果

由表22可知，碾压遍数为动碾8遍的芯样，内摩擦角实测值29.4°，小于设计指标 （≥32°），建议控制指标调整至≥25°；黏结力实测值0.309MPa，满足设计≥0.13MPa 要求。

c.心墙实体检测

心墙几何尺寸、位置偏差、原位渗透等检测结果见表23。

 表23.心墙现场检测结果

由表23可知，碾压遍数为动碾8遍的芯样，心墙原位渗透性检查满足规要求。

8  铺筑试验结论

a.沥青混凝土设计技术要求的合理性。设计技术要求提出了8项指标，经现场铺筑试验有密度、孔隙率、渗透系数、渗透性试验、水稳定系数、小梁弯曲应变、黏结力等7项满足，内摩擦角实测值29.4°，小于设计指标 （≥32°）。

b.沥青混凝施工配合比。室内试验推荐的施工配合比及矿料级配符合规范要求。

c.推荐配料顺序和拌合时间为： (粗骨料一细骨料一填料)干拌30秒一(沥青) 湿拌90秒-沥青混合料。

d.推荐沥青混凝土机械碾压参数：①铺料厚度30cm；②温度（入仓温度140～165℃、初碾温度≥130℃、终碾温度≥110℃）；③碾压机具采用BW80AD-4型1.5t振动碾；④振动碾行驶速度25～28cm/min；⑤机械碾压遍数（先静压2遍、中动压8遍、后静压2遍）。

e.沥青混凝土心墙拌合、运输、碾压等施工系统的运行适应性和可靠性满足施工要求，但应定期进行维护和保养。

f.与沥青混凝土的混凝土基座结合面应干净、干燥、无乳皮、无浮渣、无积水；涂刷的冷底子油配比为：沥青30～40%，煤油或汽油 60～70%，用量在0.15～0.20kg/m2。待冷底子油干燥后，涂刷一层砂质沥青玛蹄脂，铺筑厚度为2cm，配比为1:2:2（沥青:填料:砂）。

9  结语

a.每天开仓前应对热料仓的骨料进行筛分确认，对配比进行校核。

b.对骨料均匀加热，温度控制在165～185℃。

c.碾压机具行驶匀速，不得突然刹车。

d.根据料源波动变化及时调整称量配比。

e.施工中控制好沥青混凝土心墙层面温度和沥青混凝土的入仓、碾压温度。

f.建议调整设计指标：①摩擦角由≥32°调整为≥25°；②沥青延度由＞100(15℃，cm)调整为≥25(10℃，cm)；③沥青残留延度由＞60(15℃，cm)调整为≥15(10℃，cm)；④水稳定系数由≥1.0调整为＞0.85。

参考文献

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作者简介：李兴，男，高级工程师，联系电话：13887100389，传真：0870—3120175，E-mail:ztlixing@126.com，联系地址：镇雄县水务局。