碾压式沥青混凝土心墙坝冬季施工试验研究

胡海涛，张生财

（吐鲁番地区水利水电勘测设计研究院，新疆吐鲁番838000）

碾压式沥青混凝土心墙坝冬季施工试验研究

胡海涛，张生财

（吐鲁番地区水利水电勘测设计研究院，新疆吐鲁番838000）

本文对阿拉沟水库沥青混凝土心墙冬季施工温度控制进行了研究，分析了低温环境下沥青心墙结合面各项性能随温度变化的情况，通过调整配合比、加强低温环境保温措施等方法，使得沥青混凝土心墙冬季施工顺利进行，取得了良好的效果。

碾压沥青混凝土；心墙；冬季施工；阿拉沟

沥青混凝土心墙坝目前在世界范围内得到广泛运用，成为重要的坝型之一。它具有良好的适应变形能力、抗冲蚀能力、抗老化能力，整个心墙无须设置结构缝，因此，其应用范围广且安全性高。碾压沥青混凝土心墙正常施工的气候条件是0℃以上，阿拉沟水库是一座碾压式沥青混凝土心墙坝，施工过程中为加快施工进度，需要在低温气候条件下进行碾压沥青混凝土心墙的施工。阿拉沟水库坝高在目前已建成同类坝型中排名第三，沥青心墙又是坝体的核心部分，因此，心墙的施工是质量控制的关键点。为此，对阿拉沟水库沥青心墙冬季施工涉及的配合比、结合面强度等要素进行了试验研究，保证了沥青心墙在低温条件下施工质量，加快了水库工程施工进度，也为类似工程的推广积累经验。

1 水库概况

阿拉沟水库工程位于新疆维吾尔自治区托克逊县境内，是阿拉沟河上重要控制性水利枢纽工程，承担流域防洪、农业灌溉、工业供水等综合性任务。其总库容4450万m3，坝高105.26m，由挡水大坝、岸边正槽溢洪道、右岸导流洞及左岸放水洞组成。

阿拉沟水库挡水大坝为碾压式沥青混凝土心墙堆石坝，上游坝坡坡比为1∶2.2，下游坝坡坡比1∶2.0，坝体剖面结构主要由上、下游坝壳料、沥青混凝土心墙、过渡层构成。心墙厚度由下至上从1.1m变至0.8m再变至0.6m。

2 库区气温特性

阿拉沟水库所处的托克逊县虽然平均气温较高，但水库坝址却位于托克逊县最西部的天山峡谷内，冬季干冷、风小雪稀。坝址区多年平均气温9.7℃，最低气温-23.5℃（1997年1月），每年11月中旬至次年三月中旬气温在0℃以下。阿拉沟水库坝址区气温特性见表1。

3 沥青混凝土心墙冬季施工温控研究

3.1 原材料及配合比的选择

沥青为某石化公司生产的70号（A级）道路石油沥青（桶装成品）；粗骨料为当地灰岩料，粒径（9.5～19）mm为成品料，小于9.5mm为混合料，经试验室筛分后得到粒径（2.36～4.75）mm及（4.75～9.5）mm试料；细骨料为当地灰岩料，粒径为（0.075～2.36）mm；填料（矿料）为成品石灰石粉。

采用沥青混凝土试验室优选出的配合比进行试验，即骨料最大粒径为19mm，矿料级配指数为0.38，填料用料为14%，沥青用量为7.0%，试验室实配的质量配合比见表2。

3.2 试验结论

本工程通过室内试验和施工现场试验，对不同结合面温度（-25℃、-10℃、10℃、30℃、50℃、70℃、140℃）碾压式沥青混凝土心墙的物理力学性能，以及结合面温度降低后对沥青心墙上、下层结合质量进行了分析，主要是对原材料和冬季低温气候条件下配合比的选择、不同下层料温度结合面处的劈裂试验、抗剪断试验、小梁弯曲试验、拉伸试验以及上层热沥青混凝土摊铺后对下层料的加热效应方面进行了分析和研究，结论如下。

表1 阿拉沟水库坝址区气温特性表

表2 沥青混凝土试验室实用材料基础配合比

（1）冬季低温条件下碾压式沥青混凝土心墙施工原材料均符合规范要求，选用冬季施工配合比参数的取值分别为：最大粒径19mm，级配指数n为0.38、填料用量为14%、沥青用量为7.0%。

（2）经不同结合面温度的劈裂试验后可得，劈裂抗拉强度随结合面温度的降低而降低，结合面温度的降低对沥青混凝土的层间结合质量有影响，但影响不大。以结合面温度为30℃所成型试件的劈裂抗拉强度与母材试件相比下降了10.6%，下降幅度较小。抗剪断强度、抗弯强度、最大弯拉应变均随结合面温度降低而下降，结合面温度为30℃时与一次成型试件相比分别下降了8.1%、4.5%、8.3%，下降幅度较小，能够满足规范要求。拉伸强度、最大抗拉强度对应的拉应变随结合面温度的降低而有所下降，结合面温度为30℃时与一次成型试件相比分别下降了7.5%、13.9%，均能够满足规范要求。

（3）结合面温度为-25℃的直接剪切及小梁弯曲试件试验后的断面较平整，试件呈脆性破坏，而结合面温度为30℃的试验后试件断面粗糙不平，层间有大颗粒骨料相互嵌入，试件呈延性破坏，层间结合情况较好。

（4）上部沥青混凝土拌合物对下层沥青混凝土结合面加热效果明显。当160℃左右的沥青混合料摊铺到30℃的下层料时，通过热传递层面以下10mm处可达到规范要求的70℃以上。虽然冬季环境温度过低，但工程中热沥青混合料体积大、热容量大、散热比试验过程中的热散要慢的多，上部沥青混凝土拌合物对下层沥青混凝土结合面加热效果明显，可以满足规范要求。

（5）沥青用量增加后的沥青混凝土力学性能有所下降，但变化不大。冬季施工配合比沥青用量增加后沥青混凝土的自由沥青增多，其密度、抗压强度较基础配合比有所下降，但变形能力有所增加；内摩擦角和粘聚力较基础配合比均有所下降，但变化不大，均满足设计规范要求。

经以上分析，在环境温度较低的情况下，沥青混凝土结合面温度从现行规范要求的70℃降低到30℃后结合面强度没有明显下降，碾压层面结合质量可以保证，为冬季低温条件下碾压沥青混凝土心墙的施工提供了理论依据。

4 沥青混凝土心墙冬季施工措施

4.1 沥青混凝土心墙冬季施工措施

通过沥青混凝土心墙冬季施工温控研究分析了低温条件下沥青心墙结合面各项性能的变化，不仅如此，还对沥青混凝土生产、拌合、运输、碾压等各个环节进行温度控制，保证了阿拉沟水库沥青混凝土心墙冬季施工质量，使得该工程在极端施工气候条件下（环境气温-5～-21℃，风力3级）碾压式沥青混凝土防渗心墙的顺利施工。

4.1.1 原材料加热温度控制

根据规范要求，沥青加热温度为150～170℃，骨料加热温度170～190℃。在低温季节施工时，对原材料加热采取上限控制。由于沥青混凝土拌和站距仓面约600m，据检测出机口到仓面的温度损失约2～3℃。施工过程中监理人员主要对沥青混凝土出机口温度、入仓温度、初碾温度和终碾温度进行测量，沥青混合料拌合站出机口温度控制在140～170℃，碾压温度控制在130～150℃。

4.1.2 沥青混合料拌和过程

拌制混合料投料顺序为先投骨料和矿粉干拌15s，再喷洒沥青湿拌45s，拌和标准为拌出的沥青混合料色泽均匀、稀稠一致，无花白料、黄烟及其他异常现象。在沥青混凝土拌合站搭设三防帆布暖棚，面积30m×20m，高度为10m。为对沥青拌和系统的各种管路、阀件、集尘装置等易结冰部件采取导热油炉加热，岩棉管包裹保温；在沥青混合料保温筒出料口加设帆布筒，使热沥青混合料直接溜入运输车，碱性骨料采用防水帆布进行覆盖。

4.1.3 沥青混合料运输过程

沥青混合料采用装载机运输，对车厢采取岩棉保温，沥青混合料运至现场，将沥青混合料通过卸料平台卸入装载机，装载机再二次卸料至摊铺机料斗；人工摊铺采用ZL50装载机直接将沥青混合料卸入模板内，人工摊平。

4.1.4 沥青混合料摊铺过程

混合料摊铺和过渡料摊铺同时进行，混合料摊铺采取装载机上料。过渡料采取挖掘机上料，虚铺厚度30cm，摊铺过程中边摊铺边用帆布覆盖心墙。沥青摊铺机沥青料斗采取岩棉外保温。对结合面采取摊铺机安装加热器加热。

4.1.5 沥青混凝土和过渡料碾压

采用两台3 t振动碾和一台2 t振动碾形成倒“品”字形进行碾压。前后两段交界处重叠碾压30～50cm。

4.1.6 结合面保温

对已碾压完成的沥青心墙采取帆布和棉被保温，在下层施工时边揭开边摊铺，保证结合面未摊铺前温度在30℃以上。

4.2 沥青混凝土心墙越冬保护措施

4.2.1 沥青混凝土心墙越冬保护措施

沥青混凝土心墙冬休后的越冬保护措施十分关键，阿拉沟水库沥青心墙越冬保护与常规做法大致相同，采取棉被加砂砾石覆盖的方法，即先用1.5m宽的帆布覆盖沥青混凝土心墙，再覆盖2层1.5m宽的棉被，棉被上面覆盖一层0.6mm厚宽2.5m三防帆布，三防帆布上再填筑1.2m厚过渡料覆盖。另外为防止冬季沥青心墙表面温度偏低，在帆布与棉被之间铺设一层电热毯，通过设置于沥青混凝土表层的温度计实时监测温度变化情况，当温度低于5℃时即打开电热毯加热，避免外部环境气温降低导致沥青心墙表层温度偏低。沥青心墙越冬保护示意图见图1。

图1 沥青心墙越冬保护示意图

4.2.2 沥青混凝土心墙越冬结合面的加热

越冬之后工程复工，需对沥青混凝土心墙保护层进行揭露，并对沥青混凝土心墙表面进行加热升温，提高结合面温度，准备下层沥青混凝土的摊铺。对沥青混凝土心墙越冬结合面的加热常规做法是通过摊铺机上设置的红外线进行烘烤加热，红外线加热具有沥青表层升温速度快的优点，但也存在操作不当导致温度过高沥青性状发生变化的情况。阿拉沟水库对越冬结合面的加热采取覆盖热砂的方法加热，将粗砂加热至180℃后覆盖在紧贴心墙的帆布上，覆盖厚度0.5m，利用粗砂的热传递效益均匀地将结合面温度升高至施工温度，不仅施工便捷，而且质量有保证，取得了良好的效果。

4.3 沥青混凝土心墙质量检测结果

通过采取一系列温控措施，阿拉沟水库沥青混凝土心墙于冬季正常施工至次年1月10日，监测最低气温为-21℃，保证了总体工程进度，使得工程提前发挥效益。经取芯检测，沥青混凝土心墙质量均满足规范要求。施工过程中沥青心墙稳定统计见表3，心墙检测结果见表4。

表3 施工过程温度统计表

表4 沥青混凝土心墙取芯检验统计结果

5 结语

阿拉沟水库工程通过对碾压式沥青混凝土心墙冬季施工温控研究，沥青混凝土结合面温度为30℃时结合面强度等指标均能满足规范要求，在施工过程中采取了原材料加热、帆布覆盖等系列温控措施后，保证了阿拉沟水库沥青混凝土在环境温度最低-21℃的情况下顺利施工，经取样检测沥青心墙质量良好，取得了较好的效果，使工程提前发挥效益，并为同类工程在低温环境下的沥青混凝土施工积累了经验。

［1］邓铭江，于海鸣.新疆坝工建设［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［2］林飞，等.阿拉沟水库工程初步设计报告［R］.湖南省水利水电勘测设计研究总院，2009.

［3］何建新，等.阿拉沟水库沥青混凝土心墙冬季施工温控试验研究报告低温试验报告［R］.新疆农业大学水利水电设计研究所，2013.

［4］汪洋.寒冷地区冬季施工的碾压式沥青混凝土心墙坝设计［J］.水利规划与设计，2012（05）.

［5］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，2014，31（10）.

［6］杜振坤，贾金生，卢正超.水工沥青混凝土防渗发展与应用［J］.水利规划与设计，2007（06）.

［7］张生财，霍礼锋，周亮.阿拉沟水库防渗体系设计与研究［J］.水利水电技术，2016（03）.

［8］覃新闻.沥青混凝土心墙设计与施工［M］.中国水利水电出版社，2011.

TV431+.5

A

1008-1305（2017）01-0060-03

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

2016-05-13

胡海涛（1960年—），男，高级工程师。