水工建筑物防渗系统沥青混凝土性能研究

席 爽

(新疆喀什叶尔羌河勘测设计院,新疆 莎车 844700)

0 引 言

1929年，美国索推理大坝首次应用沥青混凝土防渗材料；1937年，阿尔及利亚修筑的EL.Ghrib大坝将沥青混凝土面板作为防渗结构；1949年，葡萄牙修筑的Vale de Caio大坝首次将沥青混凝土心墙作为附加防渗体[1].我国的第一座沥青混凝土心墙防渗大坝是1973年建成的吉林白河大坝，其心墙高度为24.5 m，心墙厚度为0.15 m.沥青混凝土是水工建筑物防渗系统的主要用料，尤其广泛应用于土石坝心墙材料.水工沥青混凝土与公路沥青混凝土的不同之处在于：公路材料配比中粗骨料多些，其孔隙率一般在5%～10%；水工材料位于坝体内部，配比设计中沥青和细骨料的用量多些，其孔隙率一般小于3%.通过分析防渗材料特点和国内外研究现状，得出沥青混凝土作为土石坝心墙防渗材料有以下优点[2-3]：

(1)水工沥青混凝土的渗透系数一般小于10-7cm/s，具有良好的防渗漏新能；

(2)此材料可随坝体变形，抗拉、抗压应变比值最大可达5%，变形性能良好；

(3)能与坝体很好的结合，大坝整体性良好；

(4)在地震波等载荷的冲击下，有很好的抗剪强度，抗疲劳能力较高；

(5)粘塑性和粘结性很好，不易出现裂缝，在自重和压力作用下，裂缝还有自我修复的能力.

随着坝高的不断增加，心墙的安全稳定性至关重要，因此研究水工建筑物沥青混凝土力学性能迫在眉睫.从国内外研究进展来看，5.0 ℃左右的沥青混凝土三轴试验还较少，但新疆阿克苏地区温度较低，因此研究低温条件下的力学性能很有意义；虽然三轴试验成果较多，但是对于加载速率和成型方法对力学性能影响的研究结果还不多见[3-5].本文基于三轴试验，对沥青混凝土心墙进行研究，得出击实成型、静压成型实验结果，以及加载速率对沥青混凝土力学性能的影响.

1 水工沥青混凝土配比设计

沥青混凝土一般是在高温下经密实碾压并冷却后形成的，其主要包括：沥青结构、矿质骨架、沥青矿粉等成分.沥青是一种高分子碳氢化合物及其衍生物组成的混合物，常温下为黑色固体或半固体，具有良好的粘性、塑性、抗腐蚀性.矿质骨架又包括粗骨料、细骨料、填料，通常粗骨料的粒径大于2.5 mm，细骨料粒径在0.075～2.5 mm之间，填料的粒径一般小于0.075 mm[6].

水工沥青混凝土是制备比公路沥青混凝土更为严格，对矿料级配、称重精度、拌合温度、均匀性等均有严格规定.各环节的温度控制范围必须依据当地的施工气候进行调整，并通过生产试验后才能开始制备.研究表明，骨料的加热温度一般在160 ℃～200 ℃，沥青的加热温度一般在140 ℃～180 ℃[7].为了防止沥青混凝土材料在高温下老化，因此必须严格控制拌合时间.沥青混凝土级配是整个环节中最重要的部分，按照级配组成和结构又可分为：密级配、间断级配、开级配，水工沥青混凝土级配曲线(见图1).

图1 水工沥青混凝土级配曲线

研究表明，密级配的细骨料成分较多，配以适当的沥青就能形成悬浮型混料，此种级配结构广泛应用于水工沥青混凝土防渗层.尽管连续继配孔隙率小于3%，但是由于其粗骨料成分很少，不易形成骨架，因此不适用于防渗层材料.

对于水工沥青混凝土的抗渗透性能优劣，一般用渗透系数进行衡量.配比设计中，将孔隙率设置在3%以内，就能保证抗渗性能.孔隙率与矿料级配公式有关，本文实验采取的级配公式为：

(1)

其中：Pi—通过筛孔di的百分数，%；r—级配指数；Dmax—矿料最大粒径，mm；di为筛孔直径，mm.

级配公式确定之后，沥青用量也是影响材料渗透性能，为了使沥青混料具有良好的力学性能，通常按照最大密度孔隙率法确定其用量.工程上沥青用量B的计算公式为：

(2)

由上文分析可知，水工沥青的配比设计就是确定粗骨料、细骨料、填料、沥青的比例.本次实验选取克拉玛依水工70号沥青，其性能参数(见表1).

表1 克拉玛依水工70号沥青性能参数

实验中级配指数用r表示，油石比用B表示，填料用量用F表示.实验中r选取0.37、0.4、0.43三种工况；实验中B选取6.2%、6.7%、7.2%三种工况；实验中F选取12%、14%、16%三种工况.将这些工况组合共得出9种配比情况，对这些情况下的沥青试件进行劈裂实验，实验结果(见表2).

表2 沥青试件劈裂实验结果

对实验结果进行分析可知，油石比B对沥青混凝土材料的影响最为重要，对于该材料，油石比取6.7%时效果最好.填料用量F为次要影响因素，取12%时效果最佳.级配指数对性能影响不大，取0.37时效果最好.

2 水工沥青混凝土心墙三轴试验

影响水工混凝土力学性能的参数很多，配合比、温度、成型方法、加载速率、冷热循环等都会对其产生影响.

沥青混凝土心墙的静三轴实验在SY-250试验台上进行，试样尺寸为Φ101×200 mm，最大轴向载荷300 kN，最大压力1.5 MPa，体变形测量精度0.1 mL.试样的制备采用两种方法，静压成型和击实成型.静压成型采用压力试验台制备试样，试验台恒压为10 MPa，制备时间为3 min.击实成型采用马歇尔击实仪完成，试样分3层进行击实，每层击实120次.

试件1采用击实成型，其试样平均密度为2.47 g/cm3，实验温度控制值为4.8 ℃，围压为0.1 MPa、0.4 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa，轴向加载速率为0.24 mm/min.试件2采用静压成型，其试样平均密度为2.45 g/cm3，实验温度控制值为4.8 ℃，围压为0.1 MPa、0.4 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa，轴向加载速率为0.24 mm/min.图2为水工沥青混凝土静压成型与击实成型试件三轴实验σ1-σ3，与体应变ε1的对比关系.

图2 两种成型方式三轴实验与体应变对比

从图2可以看出，相同条件下，静压成型试件的应力—应变曲线更为陡峭，峰值更大.在低温4.8 ℃，与低围压0.1 MPa下，静压成型试件达到应力峰值时对应的轴向体应变小于击实成型试件.由此说明，压实机理不同对沥青混凝土力学性能有着较大影响.

随后研究加载速率对三轴试验的影响，本次试验选取击实成型试样，试验温度为4.8℃，围压为0.1 MPa、0.4 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa，加载速率为0.048 mm/min、0.24 mm/min 、1.2 mm/min三种.试验结果(见图3).

图3 不同加载速率下的三轴试验结果

由图3可以看出，不同围压下的加载速率三轴试验影响曲线的变化趋势基本一致.相同围压下，加载速率越大，三轴应力值越高，破坏性越强.不同围压下，加载速率相同时，三轴应力值增长较慢.此实验说明，加载速率越慢，沥青混凝土材料调整时间越长，试件越不容易发生体积膨胀.

3 结 论

沥青混凝土是水工建筑物防渗系统的主要用料，尤其广泛应用于土石坝心墙材料.随着坝高的不断增加，心墙的安全稳定性至关重要.水工沥青混凝土的渗透系数一般小于10-7cm/s，具有良好的防渗漏新能，可随坝体变形，抗拉、抗压应变比值最大可达5%，变形性能良好.首先对沥青混凝土的制备要求和配比设计进行探讨.随后基于三轴试验，对沥青混凝土心墙进行研究，得出击实成型、静压成型实验结果，以及加载速率对沥青混凝土力学性能的影响.研究表明：

(1)油石比B对沥青混凝土材料的影响最为重要，对于克拉玛依水工70号沥青，油石比取6.7%、填料用量F取12%、级配指数取0.37时效果最好.

(2)压实机理不同对沥青混凝土力学性能有着较大影响.静压成型试件的应力-应变曲线更为陡峭，峰值更大.

(3)加载速率越慢，沥青混凝土材料调整时间越长，试件越不容易发生体积膨胀.

参考文献：

[1] 余学明,何顺宾.冶勒水电站沥青混凝土心墙堆石坝基础防渗处理设计[C]//中国水力发电工程学会水工及水电站建筑物专业委员会.第六届委员会2009年工作会议既首届利用深厚覆盖层建坝技术研讨会论文集,2009：202-212.

[2] 朱 晟.沥青混凝土防渗体的力学特性研究与三峡茅坪溪土石坝安全分析[D].江苏：河海大学,2006.

[3] 陈永兴.沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真理论与应用研究[D].天津：天津大学,2012.

[4] 韩 艳.沥青混凝土力学模型参数研究及沥青心墙堆石坝三维数值分析[D].西安：西安理工大学,2010.

[5] 何建新,杨晓征,马晓兰,等.骨料最大粒径对浇注式沥青混凝土力学性能影响研究[J].水资源与水工程学报,2013(5):88-91.

[6] 宋日英,李明霞,陈 宇.沥青含量对浇筑式沥青混凝土力学特性的影响[J].人民长江,2011(10):83-86.

[7] 饶锡保,程展林,谭 凡,等.碾压式沥青混凝土心墙工程特性研究现状与对策[J].长江科学院院报,2014(10):51-57.