固定油石比在不同气温条件下对碾压式沥青混凝土心墙坝心墙结合层质量的影响

靳久宁 孟宪伟 褚志超

1 工程简介

1.1 坝体结构

大坝全长332.7 m，最大坝高69 m，坝顶宽8 m，上游坡比为0.556。下游坡面结合施工需要，布置“之”字形上坝公路，路宽8 m，坡度8%，道路间的坝坡坡比为0.667，综合坝坡坡比为0.526。

沥青混凝土心墙采用碾压式垂直布置形式，心墙厚度采用阶梯式布置，从大坝底部至坝顶，心墙宽度分别以0.9 m、0.7 m、0.5 m 递减，基座混凝土接缝处长180 cm，渐变至90 cm，两侧设置3 ～3.2 m 的过渡料，沥青心墙顶部与防浪墙连接，底部坐落在混凝土基座上。

1.2 施工现场的气温条件

本次实验期内心墙施工在0 ℃以上的施工天数共计26 d，合计施工42 层；0℃以下的施工天数共计15 d，共计施工18 层，最高气温11 ℃，最低气温-12 ℃。

2 实验总体实施情况

在2020 年9 月中旬进行了常温条件下沥青混凝土现场工艺实验，于2020 年9 月底开始沥青混凝土心墙施工，截至2020 年10 月底，心墙沥青混凝土铺筑完成至第42 层，铺设高度11.3 m。

2020 年11 月上旬进行了低温季节沥青混凝土现场工艺实验，至11 月底沥青混凝土心墙铺筑完成至第60 层，铺设高度4.7 m，实验段累计铺设高度16 m，完成铺设沥青混凝土约为1 200 m3。

3 配合比及现场实验验证

3.1 常温条件下室内设计配合比

采用最大密度曲线理论进行矿料级配，根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（SL 501-2010）、《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（DL/T 5411-2009）及相关工程经验选择0.43、0.41、0.393 种级配指数，选用13%、12%、11% 3 种填料用量，选用7.4%、7.1%、6.8% 3 种油石比，共组成9 种配合比进行实验研究[1，2]。常温沥青混凝土配合比参数如表1 所示。

表1 常温沥青混凝土配合比参数

3.2 低温季节室内配合比

低温季节（气温低于0 ℃）的施工配合比采用与常温条件相同的配合比，油石比保持不变[3，4]。开仓浇筑前，完成沥青混凝土集料筛分，通过实验确定实际矿料级配与理论配合比矿料合成比例在日常生产情况下的变化，调整每盘填料的用量。

3.3 实验方案

目前，《水工碾压式沥青混凝土施工规范》（DL/T 5363-2016）中对于沥青混凝土心墙层间结合芯样质量检测的描述主要依靠表面观察法，观察试件结合部位处是否有接缝，肉眼是否能观察到结合面存在。根据对文得根水利枢纽工程、东台子水库工程碾压式沥青混凝土心墙施工的实际调研发现，检测沥青混凝土心墙质量时均缺乏对结合面强度的检测，且碾压式沥青混凝土施工规范中未列入此项内容，未作出相关要求[5，6]。

对于沥青混凝土芯样性能的检测，只是对常态下施工层面芯样进行最大密度、密度、孔隙率、抽提、小梁弯曲、拉伸、压缩、水稳定、渗透和静三轴等实验检测，缺少对结合面的质量检测。由于结合面位置的特殊性，本次实验重点研究结合面处的力学性能变化与上层施工时的对比情况，依据当前沥青混凝土性能实验准则，对结合面处沥青混凝土芯样进行小梁弯曲实验、渗透实验、拉伸实验等来检测结合面的情况。

本次实验主要采用常温时段的配合比，保持油石比不变，只对结合层采取加温或热铺沥青方式施工，研究油石比不变条件下的结合层层间质量情况。具体实施方案如下：第一，油石比不变，层间不处理；第二，油石比不变，利用多个喷灯对结合层顶面进行均匀加热；第三，利用多个喷灯对结合层顶面进行均匀加热后，再将本次沥青混凝土使用的70#沥青加热至180 ℃后分段均匀浇筑在结合层顶面（厚度2 cm）。

3.4 实验验证情况

3.4.1 钻心取样

实验安排在最低气温高于-12 ℃条件下进行，采用常温时段的配合比，保持油石比不变在现场进行了摊铺实验，并及时对上述3 种工艺处理方案下的结合层进行了钻芯取样。

3.4.2 3 种工艺处理方案情况下结合部位的结合情况

（1）观察上下两层施工结合面部位的芯样情况。芯样在结合层部位均匀断裂，无法完整钻取符合实验要求的沥青混凝土芯样，在结合层表层存在大量气泡，芯样完整度较差。

（2）利用多个喷灯对结合层顶面进行均匀加热处理后观察钻芯结合层情况。通过观察钻取的芯样发现，芯样浇筑质量情况良好，沥青集料各个级配之间排列紧密，级配连续，有极个别气泡随机分布。芯样的结合层部位不能明显找到，但有较厚的沥青粘接痕迹，结合面结合状况良好，可完整钻取符合实验要求的沥青混凝土芯样。

（3）利用多个喷灯对结合层顶面进行均匀加热后再热铺180 ℃沥青（厚度为2 cm）之后观察芯样结合面的情况。芯样浇筑情况良好，沥青集料各个级配之间排列紧密，级配连续，有极个别气泡随机分布，局部有沥青胶凝团状物聚集现象。芯样的结合层部位不能明显找到，有明显的沥青粘接层痕迹，结合面结合状况良好，可完整钻取符合实验要求的沥青混凝土芯样。况下钻取沥青混凝土芯样。芯样在结合层部位均匀断裂，无法完整钻取符合实验要求的沥青混凝土芯样，结合层表层的内部依旧存在大量气泡，芯样完整度较差。

（2）油石比不变，利用多个喷灯对结合层顶面进行均匀加热来钻取沥青混凝土芯样。芯样浇筑情况良好，沥青集料各个级配之间排列紧密，级配连续，有极个别气泡随机分布，难以明显找到芯样的结合层部位，没有明显的沥青粘接层痕迹，结合面结合状况良好，可完整钻取符合实验要求的沥青混凝土芯样。

（3）利用多个喷灯对结合层顶面进行均匀加热后再将本次沥青混凝土使用的70#沥青加热至180 ℃后分段均匀浇筑在结合层顶面（厚度为2 cm）。结合层质量基本与第2 种工况相同，层间结合良好，能够完整取出符合实验要求的芯样。

3.4.3 对芯样纵剖面的分析

通过现场观察芯样结合部位的结合情况后，将芯样进行纵剖，再次从另一视角观察芯样结合层情况。

（1）油石比不变，在层间不处理工

3.4.4 实验结果对比

通过现场观察芯样结合部位的结合情况可以发现：第1 种工况下，结合层表面存在较多气泡，在结合处均匀断裂，无法取出完整的芯样；第2 种与第3 种工况下结合层的层间结合质量较好，因此后续只对第2 种与第3 种工况下的芯样进行力学性能比较，分析相同油石比条件下，通过加热与热铺沥青后的实体质量是否符合设计及规范要求。详细实验成果如表2 所示。

表2 矿料的颗粒组成实验结果对比表

从表2 可以看出，当筛孔尺寸大于0.075 mm 时，结合层和上层的颗粒含量基本相近；当筛孔尺寸小于0.075 mm时，结合层的颗粒含量远远小于上层的颗粒含量。上结合层芯样实验结果如表3所示，结合层与上层芯样实验结果如表4 所示。

表3 上结合层芯样实验结果对比表

表4 结合层与上层芯样实验结果对比表

4 结语

现有的冬季施工管理措施及施工条件下，对低温时段的沥青混凝土心墙结合层施工面不做任何处理后直接进行上一层施工，无法保证心墙结合层质量。本文通过钻取芯样，在同一根芯样上做对比实验研究。结果表明，结合层与非结合层（上层）的各项实验指标均符合设计质量指标要求，且各项物理力学性能实验结果差异不大，表明沥青心墙结合层部位的质量良好；在保持油石比不变的情况下，只要对层间采取不同的预热措施，就能使层间结合质量符合设计及规范要求，与油石比无直接关系。