丰满水电站防渗挂板沥青混凝土配合比解析及长期耐久性试验研究

2020-10-14李中田马智法

水利科学与寒区工程 2020年5期

李中田,王鹏,李鑫,马智法

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春；2.洮南市防汛抗旱服务中心，吉林洮南 )

对混凝土重力坝裂缝渗漏加固处理而言，沥青混凝土挂板具有防渗效果好、适应坝体变形能力强、施工工艺简单等优点，如能放空库水进行修补，可达到根治坝体裂缝渗水的效果。

吉林丰满水电站混凝土老坝全长1080 m，共分60个坝段。大坝始建于1937年，1942年蓄水，1945年停建，1953年续建完成。由于大坝工程的施工质量低劣，一直存在坝体渗漏、溶蚀、冻融破损等问题，影响着大坝的正常运行，需要进行防渗补强处理。20世纪90年代，决定在丰满水电站大坝上游面高程226～245 m的19 m高程范围内(常年水位以下)采用浇筑式沥青混凝土防渗面板方案进行补强处理。

1 材料与方法

丰满水电站防渗挂板沥青混凝土的胶结材料为沥青、渣油的掺配沥青，矿质混合料为碎石、人工砂、填料和石棉组成。

1.1 沥青

本工程选用的是大庆减压渣油进行沥青掺配。从表1可以看出，通过沥青掺配试验分析得出：掺入渣油后试配沥青的针入度指数变小，属凝胶结构，同时具有温感系数小，抗流变性好的特点，同时针入度较大适宜浇筑施工，综合评价沥青掺配后适应其运行工况并满足施工要求。

表1 沥青掺配试验

1.2 石棉、填料

1.2.1 石棉

石棉纤维具有极大的比表面积，因此与普通沥青混凝土相比，掺石棉纤维的沥青混凝土还具有沥青含量高、抗老化性能好等特点，本次试验用石棉密度为2.61 g/cm3。

1.2.2 填料

石灰粉细度试验结果表明：0.15 mm筛孔通过率为100%，0.074 mm筛孔通过率为95%，密度为2.74 g/cm3，亲水系数为0.89，均符合技术要求。

1.3 骨料

粗、细骨料均为明城石灰石轧制的碎石和人工砂。

1.3.1 粗骨料

粗骨料视比重为2.68 g/cm3，用水煮法做粗骨料与沥青黏结力试验，结果表明：石料表面与沥青的黏结力达到五级，黏结性为优。筛析试验的颗粒级配见表2。

表2 粗骨料筛分结果

1.3.2 细骨料

细骨料的视比重为2.70 g/cm3，通过细骨料的水稳定等级试验，沥青与细骨料的黏着性指数达到10级，筛析试验的颗粒级配见表3。

表3 细骨料筛分结果

1.4 沥青混凝土配合比的选定

浇筑式沥青混凝土是沥青含量较多的沥青混凝土，有自行密实能力，防渗性能好。为了使沥青混凝土在施工时具有一定的和易性，防止骨料分离，并保证防渗面板运行期的安全，要合理选择材料，正确进行配合比设计[1]。需要按照密实矿物混合料的原则选配，参照经验曲线范围选择混合料配比，得到其矿物混合料级配(石棉除外)如表4。

表4 矿料级配表

根据沥青混合料试拌结果，最终确定沥青混凝土配合比如表5。以上三种配合比的沥青混凝土在室内温度控制在150～180 ℃时拌和，浇筑试验和易性都比较好，并且不产生离析现象。90-1号配合比试件测试的孔隙率最小，密实度最佳。

表5 沥青混合料成型配料单

2 沥青混凝土的物理力学试验

2.1 抗压强度、水稳定系数试验

抗压强度试验是试件在20 ℃的恒温条件下，轴向变形速度为5 mm/min的极限抗压强度。水稳定系数达到标准是沥青混凝土防渗面板的基本要求之一。试件应在水的长期浸泡下使黏附于矿质材料的沥青膜不产生剥离现象，保持内部结构的稳定，从而保证长期的防渗效果[2-3]。

沥青混凝土的耐水性试验是一组在49 ℃水中恒温放置四昼夜后移至20 ℃恒温中的试件与另一组干放在20 ℃恒温中的试件的抗压强度对比试验。它们的比值即为水稳定系数，系数愈大(接近1.0)，耐久性越好。结果表明浸水试件的强度没有损失(一般耐水性系数达到0.85就符合技术要求)，表明沥青混合料的耐水性符合要求。

2.2 柔性试验

柔性试验是为了测定沥青混凝土的极限变形能力。浇筑式沥青混凝土具有变形良好的特点，因而更能适应坝体的整体和局部变形。计算的挠跨比和受拉面应变列于表6。表中列出了四种不同温度条件下的结果。根据混凝土坝的变形性能，再加上外侧钢筋混凝挡板的保护，沥青混凝防渗层完全能适应坝体的变形而不致开裂。

表6 沥青混凝土性能结果

2.3 三轴剪切试验

沥青混凝土的三轴剪切试验是把直径为10 cm，高为20 cm的圆柱状试件置于三轴压力室内，在温度为11±1 ℃下以不同围压，轴向为0.1 mm/min的加压(变形)速度下做剪切试验，直到轴向压力达到峰值。90-1配合比的沥青混凝土凝聚力c为0.225 MPa，内摩擦角为6°46′，90-2配合比的沥青混凝土黏聚力c为0.185 MPa，内摩擦角为10°16″。

以上两种配合比的沥青混凝土凝聚力都比较大，这与沥青的针入度指数较大有关，也与沥青混凝土中的尖角骨料有关。

2.4 配合比结论

(1)大庆氧化沥青针入度指数大，抗流变性好，具有良好的力学稳定性[4]。由石灰石轧制的粗、细骨料和填料，属于碱性矿质材料，和沥青黏附后，可以抵抗水的长期剥离作用，骨料具有尖角可以提高沥青混凝土的力学稳定性。

(2)试验结果表明，沥青混凝土的耐水性优良，柔性能适应工程的实际变形能力，密实良好，防渗可靠。

(3)三轴剪切试验表明，沥青混凝土具有一定的内摩擦角和较高的凝聚力，用于丰满大坝上游面防渗面板的具体条件下，其力学稳定性是可靠的。在防渗面板的结构设计中，钢筋混凝土挡板除了在施工阶段是浇筑沥青混凝土的模板外，在运行期间又对沥青混凝土起重要的保护作用。防渗层长期处于水下，温度变化幅度小，更加稳定可靠。

(4)试验结果表明，90-1号配合比，即沥青10%、渣油5%、石棉5%、石灰粉12%、细骨料36%、粗骨料32%更能满足各项技术要求，可作为施工用配合比。