水工沥青混凝土面板与混凝土建筑物接头新型止水结构研究

严良平，李学强，孙志恒，李 萌

(1.新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 乌鲁木齐 830001；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

0 引 言

水工沥青混凝土具有优异的防渗性能和适应基础变形的能力，因而被广泛应用于各种水利水电防渗工程中[1]。随着天荒坪、宝泉、张河湾、西龙池、呼蓄、沂蒙等抽水蓄能电站的成功建设和运行，采用沥青混凝土面板防渗的工程越来越多。已建工程表明，水工沥青混凝土面板防渗可以做到滴水不漏，但沥青混凝土面板与混凝土建筑物的接头止水是保证防渗体系发挥作用的重要组成部分，其成功与否关系到整个防渗体系是否封闭、完整。抽水蓄能电站沥青混凝土面板与防浪墙、进出水口周圈廊道、库底周边廊道、斜坡混凝土面板等的连接均存在沥青混凝土面板与混凝土建筑物的接头止水问题。混凝土建筑物大部分坐落在基岩上，基本不会发生沉陷变形，而相邻的填筑体一般会有较大的变形，沥青混凝土面板接头结构形式主要与作用的水压力和面板接头部位的三维位移有关。为了减小沥青混凝土面板与刚性建筑物之间的约束，目前国内外沥青混凝土面板工程中沥青混凝土与刚性建筑物之间的接头大多采用滑动式接头[2- 4]，通过在接头部位设置一层柔性密封滑动填料来吸收接头部位的错位变形，并且设置了体积较大的楔形体沥青砂浆来增加沥青混凝土面板适应不均匀沉陷的能力。

滑动式接头形式基本能满足沥青混凝土与刚性建筑物接头的张开位移要求，但是当接头部位有较大的三维变形时，该接头形式则无法确保止水安全。美国的Ludington抽水蓄能电站上池和德国Waldeck Ⅱ抽水蓄能电站上池均在进水口建筑物周围发生了渗漏；国内河北张河湾、山西西龙池等抽水蓄能电站上库也均出现水工沥青混凝土面板与混凝土建筑物接头出现局部渗漏等问题。因此，沥青混凝土面板防渗的薄弱部位是接头部位，为了确保全库盆防渗效果，有必要对沥青混凝土面板与混凝土建筑物接头形式和材料进行研究，提出能适应接头部位三维大变形的新型结构形式，为沥青混凝土面板防渗工程接头部位的设计提供依据。

1 沥青混凝土面板与混凝土建筑物接头涂覆型止水结构

针对混凝土面板接缝止水结构形式，文献[5- 6]提出了混凝土面板接缝表层涂覆型柔性止水结构，该结构是将SK手刮聚脲刮涂在塑性填料和混凝土表面，固化后形成全封闭的柔性防渗涂层，与混凝土粘接成一体，既可以作为一道独立的表层止水层，又可以保护下部塑性填料，目前该止水结构已用于10余座抽水蓄能电站新建工程。实践证明，这是一种能够对混凝土面板接缝实行有效全封闭的表面止水结构。在此基础上，本文对该结构进行了改进，提出了适用于沥青混凝土面板与混凝土建筑物接头止水的涂覆型止水结构，如图1所示。

在图1所示的涂覆型止水结构中，表层的SK手刮聚脲为单组分，具有防渗能力强、抗冻融、伸长率大、强度高、耐久性好等特点[7- 8]，V型槽内及表面嵌填的GB塑性填料具有很好的防渗性和耐老化性，并且有极强的变形性和自粘接性。因为防渗层沥青混凝土面板厚度较薄(一般为10 cm)，在接头部位增设沥青混凝土加厚层(同防渗层配合比)；V型槽内及表面为GB塑性填料，沥青混凝土面板与混凝土建筑物之间设有一层BGB塑性隔离板，保证接触面不粘接；GB塑性填料表面及两侧的沥青混凝土面板和混凝土建筑物表面涂刷SK手刮聚脲复合胎基布，为了防止SK手刮聚脲与沥青混凝土面板搭接边缘翘起，需要进行封边处理。在水库运行中如果接头出现张开或错动，GB塑性填料会流入接头缝内，与内部的BGB塑性填料混为一体，起到充填、止水的效果，是第一道有效的止水措施；GB塑性填料表层的SK手刮聚脲与混凝土建筑物及沥青混凝土面板粘接成一体，是第二道独立的止水措施。这种沥青混凝土面板与混凝土建筑物接头涂覆型止水结构能适应接缝三维大变形，是一种对接头实行有效全封闭的表层止水结构。

2 SK手刮聚脲与沥青混凝土面板的粘接

2.1 粘接强度试验

混凝土面板接缝涂覆型柔性止水结构是一种成熟的面板接缝表层止水结构，但是将涂覆型止水结构用在沥青混凝土与混凝土建筑物接头部位止水的关键问题是如何解决好SK手刮聚脲与沥青混凝土面板之间的粘接问题，为此进行了粘接强度试验。

沥青混凝土板试件选用防渗层沥青混凝土配合比，级配指数0.4、填料含量9%、油石比7.6%。试验所用沥青混凝土防渗层配合比见表1，室内成型的沥青混凝土板试件尺寸分别为30 cm×30 cm×6 cm和30 cm×30 cm×10 cm。将沥青混凝土试件表面打磨、清洗，晾干后涂刷界面剂，界面剂表干后分层刮涂SK手刮聚脲。聚脲与沥青混凝土之间的粘接强度测量结果见表2。

表1 沥青混凝土防渗层配合比

从表2可以看出，试验温度为26 ℃的情况下，沥青混凝土表面不打磨，直接刮涂SK手刮聚脲，粘接强度最低，只有0.4～0.6 MPa，破坏面在沥青混凝土表层的沥青表面，说明聚脲与沥青混凝土表层沥青直接粘接的强度很低；沥青混凝土表面打磨，直接刮涂SK手刮聚脲(无界面剂)，聚脲与沥青混凝土的破坏面发生在沥青混凝土表面，有细骨料脱落，粘接强度为0.7～0.9 MPa，聚脲与沥青混凝土的粘接强度有较大提高；沥青混凝土打磨后先涂刷界面剂E1，再刮涂SK手刮聚脲，聚脲通过界面剂与沥青混凝土内部的骨料粘接，破坏面是将沥青混凝土内的部分粗、细骨料拔出，粘接强度为1.0～1.3 MPa，聚脲与沥青混凝土的粘接强度提高1倍以上。从表2还可以看出，不同的界面剂对聚脲与沥青混凝土粘接的粘接强度有一定影响，界面剂E1的效果要优于E2。

表2 聚脲与沥青混凝土之间的粘接强度测量结果

从粘接试验破坏情况来看，防渗层沥青混凝土中表层粗骨料越多，聚脲与沥青混凝土的粘接强度越大。聚脲与沥青混凝土之间的粘接强度与沥青混凝土表面打磨程度有关，施工时应要求打磨到露出粗骨料。

不同温度下聚脲与沥青混凝土之间的粘接强度测量结果见表3，相关关系见图2。

表3 不同温度下聚脲与沥青混凝土之间的粘接强度测量结果

从表3和图2可以看出，SK手刮聚脲与沥青混凝土之间的粘接强度与温度成线性关系，环境温度越低，沥青混凝土本体抗拉强度越大，聚脲与沥青混凝土之间的粘接强度越高。当沥青混凝土面板温度为6 ℃时，SK手刮聚脲与沥青混凝土面板之间的粘接强度可以达到1.8～2.0 MPa。由于库水温度较低，位于库底的沥青混凝土面板与表层的SK手刮聚脲粘接强度可以大于1.5 MPa。

2.2 剥离强度试验

沥青混凝土试件尺寸为30 cm×30 cm×10 cm，沥青混凝土开槽后涂刷界面剂，界面剂表干后在沥青混凝土表面涂刷SK手刮聚脲，试件成型15 d后，对聚脲与沥青混凝土表面的SK手刮聚脲进行剥离强度试验。表4为SK手刮聚脲与沥青混凝土剥离试验结果。

从表4可以看出，试验温度为20 ℃时，骨料为粗骨料和细骨料时SK手刮聚脲与沥青混凝土之间的剥离强度分别为2.70 N/mm和1.39 N/mm；试验温度为13 ℃时，骨料为粗骨料和细骨料时SK手刮聚脲与沥青混凝土之间的剥离强度分别为3.83 N/mm和2.16 N/mm。试验结果表明，聚脲与沥青混凝土剥离后破坏面在沥青混凝土表面；沥青混凝土表面的粗骨料越多，聚脲与沥青混凝土面板涂层之间的抗剥离强度越大；环境温度越低，抗剥离强度也越大。

表4 聚脲与沥青混凝土剥离试验结果

3 沥青混凝土板与混凝土接头涂覆型止水结构大变形试验

3.1 模型设计与加工

为了研究沥青混凝土板与混凝土接头涂覆型止水结构的三维大变形情况，设计并加工了试件模型，如图3所示。模型采用的沥青混凝土板宽80 cm、长150 cm、厚6 cm，混凝土板宽50 cm、长150 cm、厚10 cm。沥青混凝土板与混凝土板相接，接头部位上部切V型槽，V型槽顶宽8 cm、高3 cm。沥青混凝土板表面和混凝土板表面打磨、清洗、晾干后涂刷专用界面剂；在接头V型槽表面嵌填GB填料，GB 填料面积为半圆形，半径为8 cm，V型槽上部的GB塑性填料半圆断面面积为100 cm2；在GB填料周边及GB表面刮涂4 mm厚的SK手刮聚脲，聚脲中间粘贴一层胎基布。在混凝土板一侧聚脲与混凝土粘接宽度为20 cm，在沥青混凝土板一侧聚脲与沥青混凝土粘接宽度为30 cm。

3.2 剪切变形

沥青混凝土板与混凝土板接头涂覆型止水结构剪切位移8 cm的情况见图4。从图4可以看出，GB塑性填料表面的SK手刮聚脲发生扭曲变形，当GB塑性填料断面为100cm2时，8 cm的剪切变形量在聚脲弹性变形范围之内，随着位移方向的改变，聚脲可以适应变形，剪切变形恢复后，聚脲恢复原状。

3.3 张开变形

图5为沥青混凝土板与混凝土板接头涂覆型止水结构张开10 cm的情况，在GB塑性填料拉平之前，SK手刮聚脲本体不受力。从图5可以看出，接头涂覆型止水结构可以适应张开大变形，GB塑性填料断面越大、接头适应张开位移越大。

3.4 上下错动变形

图6为沥青混凝土板与混凝土板接头涂覆型止水结构张开3 cm后再上下错动8 cm的情况，在GB塑性填料拉平之前，SK手刮聚脲本体不受力。从图6可以看出，接头涂覆型止水结构可以适应上下错动大变形。

3.5 三维变形

图7为涂覆型止水结构接头上下错动8 cm+张开3 cm+剪切8 cm的情况，图8为涂覆型止水结构接头上下错动8 cm+张开3 cm+剪切10 cm时模型前部变形情况。从图7、图8可以看出，在接头三维变形中，剪切变形量是控制工况，当接头上下错动8 cm、张开3 cm后再进行剪切变形8 cm后，聚脲涂层与沥青混凝土粘接的边缘未出现撕裂现象；当剪切变形增加到10 cm后，聚脲涂层与沥青混凝土粘接的边缘出现撕裂现象。

维持接头涂覆型止水结构上下错动8 cm+张开3 cm+剪切10 cm的三维变形不变，模型放置60 d后的情况见图9。在聚脲与沥青混凝土板一侧，波纹较大，端头聚脲与沥青混凝土脱开宽度为8 cm，长度约为22 cm。聚脲涂层厚度为4 mm，内部复合胎基布，聚脲抗撕裂强度较高，维持接头涂覆型止水结构大变形，聚脲涂层局部从粘接面掀开脱空，导致涂层与沥青混凝土面板粘接应力释放，止水结构维持稳定。由于聚脲与混凝土之间的粘接强度较聚脲与沥青混凝土之间的粘接强度大，在聚脲与混凝土板一侧，波纹较小，端头聚脲与混凝土脱开宽度为6 cm，长度约为10 cm。

从试验结果还可以看出，沥青混凝土面板与混凝土建筑物接头采用涂覆型止水结构，适应大变形能力与GB填料的断面尺寸有很大关系，GB填料的断面越大，涂覆型止水结构适应接头变形能力越强。只要GB塑性填料尺寸足够大，接头张开与上下错动时，SK手刮聚脲本体不受力，当接头发生较大的剪切变形时，SK手刮聚脲本体才会受力。

4 结 论

(1)SK手刮聚脲与沥青混凝土面板之间的粘接强度与温度成线性关系，环境温度越低，沥青混凝土本体抗拉强度越大，聚脲与沥青混凝土之间的粘接强度越高。沥青混凝土面板表面打磨后先涂刷界面剂，再刮涂SK手刮聚脲，可以显著提高SK手刮聚脲与沥青混凝土之间的粘接强度。

(2)当V型槽上部GB塑性填料断面为100 cm2时，接头涂覆型止水结构可以适应上下错动8 cm+张开3 cm+剪切8 cm的变形，聚脲变形量在弹性变形范围之内。接头三维变形量的大小可以通过塑性填料断面面积的大小进行调整。

(3)面板接头涂覆型止水结构的止水效果与材料的选择和现场施工质量紧密相关，施工作业要严格按施工工艺要求实施，才能保证接头止水效果。

涂覆型止水结构具有适应三维变形能力强、防渗性能好、施工简单等优点，可以显著提高沥青混凝土面板与混凝土建筑物接头止水的可靠性及耐久性，是一种适用于抽水蓄能电站沥青混凝土面板与混凝土建筑物接头表层止水的新型结构，推荐在在建的新疆阜康、陕西镇安等抽水蓄能电站沥青混凝土面板与混凝土建筑物接头止水中应用。