水工瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭新型止水結構研究

嚴良平，李學強，孫志恒，李 萌

(1.新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 烏魯木齊 830001；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

0 引 言

水工瀝青混凝土具有優異的防滲性能和適應基礎變形的能力，因而被廣泛應用于各種水利水電防滲工程中[1]。隨著天荒坪、寶泉、張河灣、西龍池、呼蓄、沂蒙等抽水蓄能電站的成功建設和運行，采用瀝青混凝土面板防滲的工程越來越多。已建工程表明，水工瀝青混凝土面板防滲可以做到滴水不漏，但瀝青混凝土面板與混凝土建筑物的接頭止水是保證防滲體系發揮作用的重要組成部分，其成功與否關系到整個防滲體系是否封閉、完整。抽水蓄能電站瀝青混凝土面板與防浪墻、進出水口周圈廊道、庫底周邊廊道、斜坡混凝土面板等的連接均存在瀝青混凝土面板與混凝土建筑物的接頭止水問題。混凝土建筑物大部分坐落在基巖上，基本不會發生沉陷變形，而相鄰的填筑體一般會有較大的變形，瀝青混凝土面板接頭結構形式主要與作用的水壓力和面板接頭部位的三維位移有關。為了減小瀝青混凝土面板與剛性建筑物之間的約束，目前國內外瀝青混凝土面板工程中瀝青混凝土與剛性建筑物之間的接頭大多采用滑動式接頭[2- 4]，通過在接頭部位設置一層柔性密封滑動填料來吸收接頭部位的錯位變形，并且設置了體積較大的楔形體瀝青砂漿來增加瀝青混凝土面板適應不均勻沉陷的能力。

滑動式接頭形式基本能滿足瀝青混凝土與剛性建筑物接頭的張開位移要求，但是當接頭部位有較大的三維變形時，該接頭形式則無法確保止水安全。美國的Ludington抽水蓄能電站上池和德國Waldeck Ⅱ抽水蓄能電站上池均在進水口建筑物周圍發生了滲漏；國內河北張河灣、山西西龍池等抽水蓄能電站上庫也均出現水工瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭出現局部滲漏等問題。因此，瀝青混凝土面板防滲的薄弱部位是接頭部位，為了確保全庫盆防滲效果，有必要對瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭形式和材料進行研究，提出能適應接頭部位三維大變形的新型結構形式，為瀝青混凝土面板防滲工程接頭部位的設計提供依據。

1 瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭涂覆型止水結構

針對混凝土面板接縫止水結構形式，文獻[5- 6]提出了混凝土面板接縫表層涂覆型柔性止水結構，該結構是將SK手刮聚脲刮涂在塑性填料和混凝土表面，固化后形成全封閉的柔性防滲涂層，與混凝土粘接成一體，既可以作為一道獨立的表層止水層，又可以保護下部塑性填料，目前該止水結構已用于10余座抽水蓄能電站新建工程。實踐證明，這是一種能夠對混凝土面板接縫實行有效全封閉的表面止水結構。在此基礎上，本文對該結構進行了改進，提出了適用于瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭止水的涂覆型止水結構，如圖1所示。

在圖1所示的涂覆型止水結構中，表層的SK手刮聚脲為單組分，具有防滲能力強、抗凍融、伸長率大、強度高、耐久性好等特點[7- 8]，V型槽內及表面嵌填的GB塑性填料具有很好的防滲性和耐老化性，并且有極強的變形性和自粘接性。因為防滲層瀝青混凝土面板厚度較薄(一般為10 cm)，在接頭部位增設瀝青混凝土加厚層(同防滲層配合比)；V型槽內及表面為GB塑性填料，瀝青混凝土面板與混凝土建筑物之間設有一層BGB塑性隔離板，保證接觸面不粘接；GB塑性填料表面及兩側的瀝青混凝土面板和混凝土建筑物表面涂刷SK手刮聚脲復合胎基布，為了防止SK手刮聚脲與瀝青混凝土面板搭接邊緣翹起，需要進行封邊處理。在水庫運行中如果接頭出現張開或錯動，GB塑性填料會流入接頭縫內，與內部的BGB塑性填料混為一體，起到充填、止水的效果，是第一道有效的止水措施；GB塑性填料表層的SK手刮聚脲與混凝土建筑物及瀝青混凝土面板粘接成一體，是第二道獨立的止水措施。這種瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭涂覆型止水結構能適應接縫三維大變形，是一種對接頭實行有效全封閉的表層止水結構。

2 SK手刮聚脲與瀝青混凝土面板的粘接

2.1 粘接強度試驗

混凝土面板接縫涂覆型柔性止水結構是一種成熟的面板接縫表層止水結構，但是將涂覆型止水結構用在瀝青混凝土與混凝土建筑物接頭部位止水的關鍵問題是如何解決好SK手刮聚脲與瀝青混凝土面板之間的粘接問題，為此進行了粘接強度試驗。

瀝青混凝土板試件選用防滲層瀝青混凝土配合比，級配指數0.4、填料含量9%、油石比7.6%。試驗所用瀝青混凝土防滲層配合比見表1，室內成型的瀝青混凝土板試件尺寸分別為30 cm×30 cm×6 cm和30 cm×30 cm×10 cm。將瀝青混凝土試件表面打磨、清洗，晾干后涂刷界面劑，界面劑表干后分層刮涂SK手刮聚脲。聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強度測量結果見表2。

表1 瀝青混凝土防滲層配合比

從表2可以看出，試驗溫度為26 ℃的情況下，瀝青混凝土表面不打磨，直接刮涂SK手刮聚脲，粘接強度最低，只有0.4～0.6 MPa，破壞面在瀝青混凝土表層的瀝青表面，說明聚脲與瀝青混凝土表層瀝青直接粘接的強度很低；瀝青混凝土表面打磨，直接刮涂SK手刮聚脲(無界面劑)，聚脲與瀝青混凝土的破壞面發生在瀝青混凝土表面，有細骨料脫落，粘接強度為0.7～0.9 MPa，聚脲與瀝青混凝土的粘接強度有較大提高；瀝青混凝土打磨后先涂刷界面劑E1，再刮涂SK手刮聚脲，聚脲通過界面劑與瀝青混凝土內部的骨料粘接，破壞面是將瀝青混凝土內的部分粗、細骨料拔出，粘接強度為1.0～1.3 MPa，聚脲與瀝青混凝土的粘接強度提高1倍以上。從表2還可以看出，不同的界面劑對聚脲與瀝青混凝土粘接的粘接強度有一定影響，界面劑E1的效果要優于E2。

表2 聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強度測量結果

從粘接試驗破壞情況來看，防滲層瀝青混凝土中表層粗骨料越多，聚脲與瀝青混凝土的粘接強度越大。聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強度與瀝青混凝土表面打磨程度有關，施工時應要求打磨到露出粗骨料。

不同溫度下聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強度測量結果見表3，相關關系見圖2。

表3 不同溫度下聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強度測量結果

從表3和圖2可以看出，SK手刮聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強度與溫度成線性關系，環境溫度越低，瀝青混凝土本體抗拉強度越大，聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強度越高。當瀝青混凝土面板溫度為6 ℃時，SK手刮聚脲與瀝青混凝土面板之間的粘接強度可以達到1.8～2.0 MPa。由于庫水溫度較低，位于庫底的瀝青混凝土面板與表層的SK手刮聚脲粘接強度可以大于1.5 MPa。

2.2 剝離強度試驗

瀝青混凝土試件尺寸為30 cm×30 cm×10 cm，瀝青混凝土開槽后涂刷界面劑，界面劑表干后在瀝青混凝土表面涂刷SK手刮聚脲，試件成型15 d后，對聚脲與瀝青混凝土表面的SK手刮聚脲進行剝離強度試驗。表4為SK手刮聚脲與瀝青混凝土剝離試驗結果。

從表4可以看出，試驗溫度為20 ℃時，骨料為粗骨料和細骨料時SK手刮聚脲與瀝青混凝土之間的剝離強度分別為2.70 N/mm和1.39 N/mm；試驗溫度為13 ℃時，骨料為粗骨料和細骨料時SK手刮聚脲與瀝青混凝土之間的剝離強度分別為3.83 N/mm和2.16 N/mm。試驗結果表明，聚脲與瀝青混凝土剝離后破壞面在瀝青混凝土表面；瀝青混凝土表面的粗骨料越多，聚脲與瀝青混凝土面板涂層之間的抗剝離強度越大；環境溫度越低，抗剝離強度也越大。

表4 聚脲與瀝青混凝土剝離試驗結果

3 瀝青混凝土板與混凝土接頭涂覆型止水結構大變形試驗

3.1 模型設計與加工

為了研究瀝青混凝土板與混凝土接頭涂覆型止水結構的三維大變形情況，設計并加工了試件模型，如圖3所示。模型采用的瀝青混凝土板寬80 cm、長150 cm、厚6 cm，混凝土板寬50 cm、長150 cm、厚10 cm。瀝青混凝土板與混凝土板相接，接頭部位上部切V型槽，V型槽頂寬8 cm、高3 cm。瀝青混凝土板表面和混凝土板表面打磨、清洗、晾干后涂刷專用界面劑；在接頭V型槽表面嵌填GB填料，GB 填料面積為半圓形，半徑為8 cm，V型槽上部的GB塑性填料半圓斷面面積為100 cm2；在GB填料周邊及GB表面刮涂4 mm厚的SK手刮聚脲，聚脲中間粘貼一層胎基布。在混凝土板一側聚脲與混凝土粘接寬度為20 cm，在瀝青混凝土板一側聚脲與瀝青混凝土粘接寬度為30 cm。

3.2 剪切變形

瀝青混凝土板與混凝土板接頭涂覆型止水結構剪切位移8 cm的情況見圖4。從圖4可以看出，GB塑性填料表面的SK手刮聚脲發生扭曲變形，當GB塑性填料斷面為100cm2時，8 cm的剪切變形量在聚脲彈性變形范圍之內，隨著位移方向的改變，聚脲可以適應變形，剪切變形恢復后，聚脲恢復原狀。

3.3 張開變形

圖5為瀝青混凝土板與混凝土板接頭涂覆型止水結構張開10 cm的情況，在GB塑性填料拉平之前，SK手刮聚脲本體不受力。從圖5可以看出，接頭涂覆型止水結構可以適應張開大變形，GB塑性填料斷面越大、接頭適應張開位移越大。

3.4 上下錯動變形

圖6為瀝青混凝土板與混凝土板接頭涂覆型止水結構張開3 cm后再上下錯動8 cm的情況，在GB塑性填料拉平之前，SK手刮聚脲本體不受力。從圖6可以看出，接頭涂覆型止水結構可以適應上下錯動大變形。

3.5 三維變形

圖7為涂覆型止水結構接頭上下錯動8 cm+張開3 cm+剪切8 cm的情況，圖8為涂覆型止水結構接頭上下錯動8 cm+張開3 cm+剪切10 cm時模型前部變形情況。從圖7、圖8可以看出，在接頭三維變形中，剪切變形量是控制工況，當接頭上下錯動8 cm、張開3 cm后再進行剪切變形8 cm后，聚脲涂層與瀝青混凝土粘接的邊緣未出現撕裂現象；當剪切變形增加到10 cm后，聚脲涂層與瀝青混凝土粘接的邊緣出現撕裂現象。

維持接頭涂覆型止水結構上下錯動8 cm+張開3 cm+剪切10 cm的三維變形不變，模型放置60 d后的情況見圖9。在聚脲與瀝青混凝土板一側，波紋較大，端頭聚脲與瀝青混凝土脫開寬度為8 cm，長度約為22 cm。聚脲涂層厚度為4 mm，內部復合胎基布，聚脲抗撕裂強度較高，維持接頭涂覆型止水結構大變形，聚脲涂層局部從粘接面掀開脫空，導致涂層與瀝青混凝土面板粘接應力釋放，止水結構維持穩定。由于聚脲與混凝土之間的粘接強度較聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強度大，在聚脲與混凝土板一側，波紋較小，端頭聚脲與混凝土脫開寬度為6 cm，長度約為10 cm。

從試驗結果還可以看出，瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭采用涂覆型止水結構，適應大變形能力與GB填料的斷面尺寸有很大關系，GB填料的斷面越大，涂覆型止水結構適應接頭變形能力越強。只要GB塑性填料尺寸足夠大，接頭張開與上下錯動時，SK手刮聚脲本體不受力，當接頭發生較大的剪切變形時，SK手刮聚脲本體才會受力。

4 結 論

(1)SK手刮聚脲與瀝青混凝土面板之間的粘接強度與溫度成線性關系，環境溫度越低，瀝青混凝土本體抗拉強度越大，聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強度越高。瀝青混凝土面板表面打磨后先涂刷界面劑，再刮涂SK手刮聚脲，可以顯著提高SK手刮聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強度。

(2)當V型槽上部GB塑性填料斷面為100 cm2時，接頭涂覆型止水結構可以適應上下錯動8 cm+張開3 cm+剪切8 cm的變形，聚脲變形量在彈性變形范圍之內。接頭三維變形量的大小可以通過塑性填料斷面面積的大小進行調整。

(3)面板接頭涂覆型止水結構的止水效果與材料的選擇和現場施工質量緊密相關，施工作業要嚴格按施工工藝要求實施，才能保證接頭止水效果。

涂覆型止水結構具有適應三維變形能力強、防滲性能好、施工簡單等優點，可以顯著提高瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭止水的可靠性及耐久性，是一種適用于抽水蓄能電站瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭表層止水的新型結構，推薦在在建的新疆阜康、陜西鎮安等抽水蓄能電站瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭止水中應用。