碾壓式瀝青混凝土心墻壩冬季施工試驗研究

胡海濤，張生財

（吐魯番地區水利水電勘測設計研究院，新疆吐魯番838000）

碾壓式瀝青混凝土心墻壩冬季施工試驗研究

胡海濤，張生財

（吐魯番地區水利水電勘測設計研究院，新疆吐魯番838000）

本文對阿拉溝水庫瀝青混凝土心墻冬季施工溫度控制進行了研究，分析了低溫環境下瀝青心墻結合面各項性能隨溫度變化的情況，通過調整配合比、加強低溫環境保溫措施等方法，使得瀝青混凝土心墻冬季施工順利進行，取得了良好的效果。

碾壓瀝青混凝土；心墻；冬季施工；阿拉溝

瀝青混凝土心墻壩目前在世界范圍內得到廣泛運用，成為重要的壩型之一。它具有良好的適應變形能力、抗沖蝕能力、抗老化能力，整個心墻無須設置結構縫，因此，其應用范圍廣且安全性高。碾壓瀝青混凝土心墻正常施工的氣候條件是0℃以上，阿拉溝水庫是一座碾壓式瀝青混凝土心墻壩，施工過程中為加快施工進度，需要在低溫氣候條件下進行碾壓瀝青混凝土心墻的施工。阿拉溝水庫壩高在目前已建成同類壩型中排名第三，瀝青心墻又是壩體的核心部分，因此，心墻的施工是質量控制的關鍵點。為此，對阿拉溝水庫瀝青心墻冬季施工涉及的配合比、結合面強度等要素進行了試驗研究，保證了瀝青心墻在低溫條件下施工質量，加快了水庫工程施工進度，也為類似工程的推廣積累經驗。

1 水庫概況

阿拉溝水庫工程位于新疆維吾爾自治區托克遜縣境內，是阿拉溝河上重要控制性水利樞紐工程，承擔流域防洪、農業灌溉、工業供水等綜合性任務。其總庫容4450萬m3，壩高105.26m，由擋水大壩、岸邊正槽溢洪道、右岸導流洞及左岸放水洞組成。

阿拉溝水庫擋水大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩，上游壩坡坡比為1∶2.2，下游壩坡坡比1∶2.0，壩體剖面結構主要由上、下游壩殼料、瀝青混凝土心墻、過渡層構成。心墻厚度由下至上從1.1m變至0.8m再變至0.6m。

2 庫區氣溫特性

阿拉溝水庫所處的托克遜縣雖然平均氣溫較高，但水庫壩址卻位于托克遜縣最西部的天山峽谷內，冬季干冷、風小雪稀。壩址區多年平均氣溫9.7℃，最低氣溫-23.5℃（1997年1月），每年11月中旬至次年三月中旬氣溫在0℃以下。阿拉溝水庫壩址區氣溫特性見表1。

3 瀝青混凝土心墻冬季施工溫控研究

3.1 原材料及配合比的選擇

瀝青為某石化公司生產的70號（A級）道路石油瀝青（桶裝成品）；粗骨料為當地灰巖料，粒徑（9.5～19）mm為成品料，小于9.5mm為混合料，經試驗室篩分后得到粒徑（2.36～4.75）mm及（4.75～9.5）mm試料；細骨料為當地灰巖料，粒徑為（0.075～2.36）mm；填料（礦料）為成品石灰石粉。

采用瀝青混凝土試驗室優選出的配合比進行試驗，即骨料最大粒徑為19mm，礦料級配指數為0.38，填料用料為14%，瀝青用量為7.0%，試驗室實配的質量配合比見表2。

3.2 試驗結論

本工程通過室內試驗和施工現場試驗，對不同結合面溫度（-25℃、-10℃、10℃、30℃、50℃、70℃、140℃）碾壓式瀝青混凝土心墻的物理力學性能，以及結合面溫度降低后對瀝青心墻上、下層結合質量進行了分析，主要是對原材料和冬季低溫氣候條件下配合比的選擇、不同下層料溫度結合面處的劈裂試驗、抗剪斷試驗、小梁彎曲試驗、拉伸試驗以及上層熱瀝青混凝土攤鋪后對下層料的加熱效應方面進行了分析和研究，結論如下。

表1 阿拉溝水庫壩址區氣溫特性表

表2 瀝青混凝土試驗室實用材料基礎配合比

（1）冬季低溫條件下碾壓式瀝青混凝土心墻施工原材料均符合規范要求，選用冬季施工配合比參數的取值分別為：最大粒徑19mm，級配指數n為0.38、填料用量為14%、瀝青用量為7.0%。

（2）經不同結合面溫度的劈裂試驗后可得，劈裂抗拉強度隨結合面溫度的降低而降低，結合面溫度的降低對瀝青混凝土的層間結合質量有影響，但影響不大。以結合面溫度為30℃所成型試件的劈裂抗拉強度與母材試件相比下降了10.6%，下降幅度較小?？辜魯鄰姸?、抗彎強度、最大彎拉應變均隨結合面溫度降低而下降，結合面溫度為30℃時與一次成型試件相比分別下降了8.1%、4.5%、8.3%，下降幅度較小，能夠滿足規范要求。拉伸強度、最大抗拉強度對應的拉應變隨結合面溫度的降低而有所下降，結合面溫度為30℃時與一次成型試件相比分別下降了7.5%、13.9%，均能夠滿足規范要求。

（3）結合面溫度為-25℃的直接剪切及小梁彎曲試件試驗后的斷面較平整，試件呈脆性破壞，而結合面溫度為30℃的試驗后試件斷面粗糙不平，層間有大顆粒骨料相互嵌入，試件呈延性破壞，層間結合情況較好。

（4）上部瀝青混凝土拌合物對下層瀝青混凝土結合面加熱效果明顯。當160℃左右的瀝青混合料攤鋪到30℃的下層料時，通過熱傳遞層面以下10mm處可達到規范要求的70℃以上。雖然冬季環境溫度過低，但工程中熱瀝青混合料體積大、熱容量大、散熱比試驗過程中的熱散要慢的多，上部瀝青混凝土拌合物對下層瀝青混凝土結合面加熱效果明顯，可以滿足規范要求。

（5）瀝青用量增加后的瀝青混凝土力學性能有所下降，但變化不大。冬季施工配合比瀝青用量增加后瀝青混凝土的自由瀝青增多，其密度、抗壓強度較基礎配合比有所下降，但變形能力有所增加；內摩擦角和粘聚力較基礎配合比均有所下降，但變化不大，均滿足設計規范要求。

經以上分析，在環境溫度較低的情況下，瀝青混凝土結合面溫度從現行規范要求的70℃降低到30℃后結合面強度沒有明顯下降，碾壓層面結合質量可以保證，為冬季低溫條件下碾壓瀝青混凝土心墻的施工提供了理論依據。

4 瀝青混凝土心墻冬季施工措施

4.1 瀝青混凝土心墻冬季施工措施

通過瀝青混凝土心墻冬季施工溫控研究分析了低溫條件下瀝青心墻結合面各項性能的變化，不僅如此，還對瀝青混凝土生產、拌合、運輸、碾壓等各個環節進行溫度控制，保證了阿拉溝水庫瀝青混凝土心墻冬季施工質量，使得該工程在極端施工氣候條件下（環境氣溫-5～-21℃，風力3級）碾壓式瀝青混凝土防滲心墻的順利施工。

4.1.1 原材料加熱溫度控制

根據規范要求，瀝青加熱溫度為150～170℃，骨料加熱溫度170～190℃。在低溫季節施工時，對原材料加熱采取上限控制。由于瀝青混凝土拌和站距倉面約600m，據檢測出機口到倉面的溫度損失約2～3℃。施工過程中監理人員主要對瀝青混凝土出機口溫度、入倉溫度、初碾溫度和終碾溫度進行測量，瀝青混合料拌合站出機口溫度控制在140～170℃，碾壓溫度控制在130～150℃。

4.1.2 瀝青混合料拌和過程

拌制混合料投料順序為先投骨料和礦粉干拌15s，再噴灑瀝青濕拌45s，拌和標準為拌出的瀝青混合料色澤均勻、稀稠一致，無花白料、黃煙及其他異?，F象。在瀝青混凝土拌合站搭設三防帆布暖棚，面積30m×20m，高度為10m。為對瀝青拌和系統的各種管路、閥件、集塵裝置等易結冰部件采取導熱油爐加熱，巖棉管包裹保溫；在瀝青混合料保溫筒出料口加設帆布筒，使熱瀝青混合料直接溜入運輸車，堿性骨料采用防水帆布進行覆蓋。

4.1.3 瀝青混合料運輸過程

瀝青混合料采用裝載機運輸，對車廂采取巖棉保溫，瀝青混合料運至現場，將瀝青混合料通過卸料平臺卸入裝載機，裝載機再二次卸料至攤鋪機料斗；人工攤鋪采用ZL50裝載機直接將瀝青混合料卸入模板內，人工攤平。

4.1.4 瀝青混合料攤鋪過程

混合料攤鋪和過渡料攤鋪同時進行，混合料攤鋪采取裝載機上料。過渡料采取挖掘機上料，虛鋪厚度30cm，攤鋪過程中邊攤鋪邊用帆布覆蓋心墻。瀝青攤鋪機瀝青料斗采取巖棉外保溫。對結合面采取攤鋪機安裝加熱器加熱。

4.1.5 瀝青混凝土和過渡料碾壓

采用兩臺3 t振動碾和一臺2 t振動碾形成倒“品”字形進行碾壓。前后兩段交界處重疊碾壓30～50cm。

4.1.6 結合面保溫

對已碾壓完成的瀝青心墻采取帆布和棉被保溫，在下層施工時邊揭開邊攤鋪，保證結合面未攤鋪前溫度在30℃以上。

4.2 瀝青混凝土心墻越冬保護措施

4.2.1 瀝青混凝土心墻越冬保護措施

瀝青混凝土心墻冬休后的越冬保護措施十分關鍵，阿拉溝水庫瀝青心墻越冬保護與常規做法大致相同，采取棉被加砂礫石覆蓋的方法，即先用1.5m寬的帆布覆蓋瀝青混凝土心墻，再覆蓋2層1.5m寬的棉被，棉被上面覆蓋一層0.6mm厚寬2.5m三防帆布，三防帆布上再填筑1.2m厚過渡料覆蓋。另外為防止冬季瀝青心墻表面溫度偏低，在帆布與棉被之間鋪設一層電熱毯，通過設置于瀝青混凝土表層的溫度計實時監測溫度變化情況，當溫度低于5℃時即打開電熱毯加熱，避免外部環境氣溫降低導致瀝青心墻表層溫度偏低。瀝青心墻越冬保護示意圖見圖1。

圖1 瀝青心墻越冬保護示意圖

4.2.2 瀝青混凝土心墻越冬結合面的加熱

越冬之后工程復工，需對瀝青混凝土心墻保護層進行揭露，并對瀝青混凝土心墻表面進行加熱升溫，提高結合面溫度，準備下層瀝青混凝土的攤鋪。對瀝青混凝土心墻越冬結合面的加熱常規做法是通過攤鋪機上設置的紅外線進行烘烤加熱，紅外線加熱具有瀝青表層升溫速度快的優點，但也存在操作不當導致溫度過高瀝青性狀發生變化的情況。阿拉溝水庫對越冬結合面的加熱采取覆蓋熱砂的方法加熱，將粗砂加熱至180℃后覆蓋在緊貼心墻的帆布上，覆蓋厚度0.5m，利用粗砂的熱傳遞效益均勻地將結合面溫度升高至施工溫度，不僅施工便捷，而且質量有保證，取得了良好的效果。

4.3 瀝青混凝土心墻質量檢測結果

通過采取一系列溫控措施，阿拉溝水庫瀝青混凝土心墻于冬季正常施工至次年1月10日，監測最低氣溫為-21℃，保證了總體工程進度，使得工程提前發揮效益。經取芯檢測，瀝青混凝土心墻質量均滿足規范要求。施工過程中瀝青心墻穩定統計見表3，心墻檢測結果見表4。

表3 施工過程溫度統計表

表4 瀝青混凝土心墻取芯檢驗統計結果

5 結語

阿拉溝水庫工程通過對碾壓式瀝青混凝土心墻冬季施工溫控研究，瀝青混凝土結合面溫度為30℃時結合面強度等指標均能滿足規范要求，在施工過程中采取了原材料加熱、帆布覆蓋等系列溫控措施后，保證了阿拉溝水庫瀝青混凝土在環境溫度最低-21℃的情況下順利施工，經取樣檢測瀝青心墻質量良好，取得了較好的效果，使工程提前發揮效益，并為同類工程在低溫環境下的瀝青混凝土施工積累了經驗。

［1］鄧銘江，于海鳴.新疆壩工建設［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］林飛，等.阿拉溝水庫工程初步設計報告［R］.湖南省水利水電勘測設計研究總院，2009.

［3］何建新，等.阿拉溝水庫瀝青混凝土心墻冬季施工溫控試驗研究報告低溫試驗報告［R］.新疆農業大學水利水電設計研究所，2013.

［4］汪洋.寒冷地區冬季施工的碾壓式瀝青混凝土心墻壩設計［J］.水利規劃與設計，2012（05）.

［5］饒錫保，程展林，譚凡，等.碾壓式瀝青混凝土心墻工程特性研究現狀與對策［J］.長江科學院院報，2014，31（10）.

［6］杜振坤，賈金生，盧正超.水工瀝青混凝土防滲發展與應用［J］.水利規劃與設計，2007（06）.

［7］張生財，霍禮鋒，周亮.阿拉溝水庫防滲體系設計與研究［J］.水利水電技術，2016（03）.

［8］覃新聞.瀝青混凝土心墻設計與施工［M］.中國水利水電出版社，2011.

TV431+.5

A

1008-1305（2017）01-0060-03

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.020

2016-05-13

胡海濤（1960年—），男，高級工程師。