去学水电站堆石坝心墙沥青混凝土配合比试验与性能研究

何国勤

(大唐四川发电有限公司,成都 610091)

1 工程概况

去学水电站为硕曲河流域开发的最后一级水库电站。大坝工程为Ⅱ等大(2)型工程,工程枢纽布置由沥青混凝土心墙堆石坝、右岸洞式溢洪道、右岸泄洪洞等部分组成。心墙堆石坝最大坝高164.20 m,沥青心墙最大高度132.50 m,为当期世界同类坝型第一高坝。工程采用混合式开发,电站装机容量2×123 MW。

大坝心墙沥青混凝土为水工沥青混凝土,由碱性粗、细骨料,矿粉和沥青等按试验确定的比例混合拌制而成,其配合比的确定直接关系到沥青混凝土的性能,影响大坝心墙长期运行安全。

2 原材料质量鉴定

去学水电站大坝心墙沥青混凝土拌制用骨料级配分为19～16 mm、16～13.2 mm、13.2～9.5 mm、9.5～4.75 mm、4.75～2.36 mm和<2.36 mm粒径6级矿料及<0.075 mm的矿粉。为保证沥青混凝土抗水剥离能力满足高坝防渗要求,要求骨料应选用碱性骨料,现场采用洞采灰岩原料加工获取。经相关性能比选后采用设计单位推荐的克拉玛依水工70#沥青。

2.1 粗骨料

根据《水工沥青混凝土试验规程》(DL/T 5362-2006)和现场试验,本工程心墙沥青混凝土选取粗骨料最大粒径为19 mm,粗骨料鉴定试验按照规范和设计要求主要进行了骨料表观密度、吸水率、粘附力、坚固性、抗热性及压碎率试验。

经现场试验表明,去学水电站灰岩粗骨料物理指标及热稳定性、与沥青粘附力、坚固性、压碎率等指标均满足规范和设计技术要求,可作为心墙沥青混凝土的粗骨料。

2.2 细骨料

通过现场试验,采用工程现场加工的人工砂细骨料粒径满足规范要求,表观密度2.76 g/cm3,其热稳定性、吸水率和水稳定性、坚固性及矿粉含量均满足沥青混凝土细骨料的技术指标要求。

2.3 矿粉

经对工程料场洞采骨料加工成矿粉的检测,其密度、含水率、亲水系数等质量指标均满足《沥青混凝土面板和心墙设计规范》要求,可以用作沥青混凝土心墙矿粉。

2.4 沥青

通过对沥青针入度、软化点、延度等主要指标,以及薄膜烘箱试验后的各项指标进行性能比选后,本工程采用设计单位推荐的克拉玛依水工70#沥青。其具体检测性能指标如下:针入度73,薄膜烘箱试验针入度比71.2 %,延度>150,薄膜烘箱试验延度100,软化点48 ℃,薄膜烘箱试验升高4.8 ℃<5 ℃。

2.5 原材料鉴定结论与建议

经室内试验检测,去学水电站心墙沥青混凝土所选用的灰岩粗骨料、灰岩加工的人工砂和矿粉,以及克拉玛依水工70#沥青满足规范和设计要求,可作为沥青混凝土用原材料。

3 沥青混凝土配合比选择

根据经检测合格原材料、参照类似工程配合比设计经验,选用几种骨料级配指数、掺配不同比例矿粉、设定几种油石比试配各种心墙沥青混凝土配合比,通过对试配配合比试件进行孔隙率、变形和强度等基本性能试验,选出满足工程要求的2种配合比。

配合比选择试验分两步进行,第一步根据经验初选配合比,采用不同级配指数进行劈裂试验,从中确定级配指数;第二步根据选定的级配指数,采用不同的沥青和矿粉含量进行劈裂试验等,通过比较选择较优的配合比。

3.1 矿料级配

矿料级配参数包括最大骨料粒径Dmax、级配指数r或粗细骨料率和矿粉含量F。根据最大密级配理论和富勒级配曲线,丁朴荣教授提出的修正的富勒级配公式如下[1]。

(1)

式中,Pi为筛孔di的通过率;F为粒径小于0.075 mm的矿粉含量,%;Dmax为骨料最大粒径,mm;di为某一筛孔尺寸,mm;d0.075为矿粉最大粒径,0.075 mm;γ为级配指数。

3.2 沥青混凝土配合比初选

现场严格按照规范要求采用马歇尔击实成型法制备试件,每种沥青混凝土配合比在相同条件下制备3个试件。测定不同沥青混凝土配合比参数条件下试件的孔隙率和密度,通过劈裂试验测定试件间接拉伸强度和劈裂轴向位移,并计算其间接拉伸强度。

3.2.1 级配指数对沥青混凝土性能的影响

根据工程经验,选取油石比B=6.5 %、矿粉含量F=11 %及B=6.8 %、F=13 %两组参数,选择的级配指数。初拟的8种配合比,最大骨料19 mm,级配指数分别选取0.35、0.38、0.41、0.44,油石比11 %、13 %各4组共8组24个试件,进行密度和孔隙率测定、劈裂试验。通过试验结果对级配指数对孔隙率、间接拉伸强度、劈裂位移等的影响进行分析。其中级配指数对孔隙率的影响见图1。

图1 级配指数与孔隙率关系曲线

通过分析,在级配指数增大到0.38时孔隙率达到最小值且小于2 %;当级配指数继续增大,孔隙率反而随之增大。级配指数增大到0.38时,间接拉伸强度达到最大值,继续增大,间接拉伸强度反而随之减小。当级配指数为0.38时劈裂位移最大,继续增大,劈裂位移反而减小。

结论:级配指数达到0.38时,孔隙率达到最小值且小于2 %,间接拉伸强度和劈裂位移均达到最大值,沥青混凝土变形、强度性能最优,选定本试验级配指数为0.38。

3.2.2 油石比对沥青混凝土性能的影响

在最大骨料粒径(Dmax=19 mm)和级配指数不变(r=0.38)的条件下,根据不同矿粉含量、不同油石比,组成4组20种配合比。根据规范要求配合比中,沥青的允许偏差为矿料总重量的0.3 %,因此本试验各配合比之间油石比级差为0.3 %,选取6.2 %、6.5 %、6.8 %、7.1 %、7.4 %,对应矿粉含量9 %、11 %、13 %、15 %,选取20组,每组制备3个试件,共计60个试件。测定不同配比参数条件下试件的密度和孔隙率,采用劈裂试验测定劈裂荷载和劈裂轴向位移,计算出间接拉伸强度。经分析:

(1)在矿粉含量不变的情况下,随着油石比(沥青与矿料重量之比,下同)的增加,孔隙率有明显的减小,油石比大于6.5 %(除矿粉含量为9 %的配合比在油石比为6.5 %外),配合比孔隙率可控制小于2 %,见图2。

图2 油石比与孔隙率关系曲线

(2)在矿粉含量不变的情况下,油石比越大,间接拉伸强度则越小,而劈裂位移越大。根据规范要求,沥青混凝土心墙应具有一定强度,同时具备较大的变形,因此较优配合比应为具有较大间接拉伸强度和较大劈裂位移的配合比。见图3。

图3 油石比与间接拉伸强度关系曲线

(3)矿粉含量为9 %,油石比为6.5 %(配合比2)和6.8 %(配合比3)间接拉伸强度和劈裂位移均较大,但配合比2孔隙率超过3 %;配合比3成形时沥青浮油较多,沥青与矿粉充分混合后有较多自由沥青,实际试件油石比不到6.8 %,因此不采用矿粉含量为9 %的配合比。见图4。

图4 油石比与劈裂位移关系曲线

3.2.3 矿粉含量对沥青混凝土性能的影响

(1)矿粉含量对孔隙率的影响

对于同一级配指数,矿粉含量越大,沥青混凝土试件的孔隙率减小,但矿粉含量超过11 %以后,孔隙率受矿粉含量的影响减小,除油石比6.2 %的配合比以外,其余配合比孔隙率均能控制小于2 %。矿粉含量对孔隙率的影响见图5。

图5 矿粉含量与孔隙率关系曲线

(2)矿粉含量对劈裂荷载的影响

随矿粉含量增加,间接拉伸强度的变化趋于平缓,除油石比为6.2 %的配合比以外,矿粉含量达到11 %以后,间接拉伸强度接近某一稳定值。矿粉含量对劈裂荷载的影响见图6。

图6 矿粉含量与间接拉伸强度关系曲线

经充分分析选择油石比为6.5 %或6.8 %,矿粉含量为11 %或13 %的配合比。

矿粉含量为13%,油石比为6.5%(配合比12)与油石比为6.8%(配合比13)劈裂位移均较大,配合比12间接拉伸强度稍大于配合比13,但配合比13孔隙率小于配合比12,因此配合比13较优。

矿粉含量为11%,油石比为6.5%(配合比7)与矿粉含量为11%,油石比为6.8%(配合比8)相比较,配合比7劈裂位移大,间接拉伸强度稍小,但孔隙率小于配合比8,因此配合比7较优。

根据试验结果并结合工程经验,可以采用级配指数为0.38,矿粉含量为13%,油石比为6.8%的13号配合比及级配指数为0.38,矿粉含量为11%,油石比为6.5%的7号配合比。从图中可以看出,采用这两种配合比,当施工中13号配合比油石比为(6.8%±0.3 %)的上下限6.5%或7.1%,或7号配合比的油石比为(6.5%±0.3 %)的上下限6.2%或6.8%时,沥青混凝土的间接拉伸强度和劈裂位移性能比较稳定。

3.3 推荐配合比

根据配合比试验结果,从沥青混凝土性能、安全、经济考虑,结合去学水电站实际情况,推荐编号为13号、7号配合比作进一步的各项性能试验。配合比见表1,矿料级配见表2。根据《水工碾压式沥青混凝土施工规范》(DL/T 5363-2006)对沥青混合料配合比允许误差的规定,粗骨料(19～2.36 mm)允许误差为±5 %,细骨料(2.36～0.075 mm)允许误差为3 %,矿粉(<0.075 mm)允许误差为1 %,由此确定配合比级配曲线(给出级配的上、下范围)。

表1 推荐的2种沥青混凝土配合比的材料和级配参数

表2 推荐配合比的矿料级配

4 推荐的2种配合比性能试验

对选定的2种配合比进行拉伸、抗压、水稳定、弯曲及渗透等性能试验。

4.1 拉伸试验

按照13和7两种配合比,采用日瓦料场骨料与克拉玛依70#沥青,制备成板式试件,切割成尺寸为40 mm见方长220 mm的条形试件,在15.0±0.5 ℃的室温条件下进行拉伸试验,拉伸变形速度控制在1.0 mm/ min。拉伸试验结果见表3。

表3 沥青混凝土试件拉伸试验结果

试验结果表明,配合比13的平均拉应变为1.21 %,平均拉应力为0.60 MPa,而配合比7的平均拉应变为1.21 %,平均拉应力为0.55 MPa。配合比13的拉应变与配合比7的拉应变相同,而拉应力大0.05 MPa。

4.2 抗压试验

按照13和7两种配合比,采用日瓦料场骨料与克拉玛依70号沥青,制备成直径100 mm长100 mm的圆柱形试件,在15.0±0.5 ℃室温条件下进行抗压试验,变形速度为1.0 mm/ min。抗压试验结果见表4。

表4 沥青混凝土试件抗压试验结果

从试验结果可以看出,配合比13的平均最大抗压应力比配合比7大26.9 %,最大抗压应力时的应变大20.6 %,两个配合比均具有较大的压应变。

4.3 水稳定试验

水稳定性能试验是将同一批直径100 mm长100 mm的圆柱形试件分2组,1组试件在水温60±1 ℃的水中浸泡48 h后,再在20±1 ℃的水中恒温2 h,然后进行抗压试验;另1组在20±1 ℃空气中恒温不少于48 h进行抗压试验,2组抗压强度之比为水稳定系数[2]。试验中,压缩速度是1 mm/ min,2种配合比的水稳定系数为0.99、0.98均大于规范要求,满足质量控制需求。

4.4 弯曲试验

沥青混凝土的变形能力常用小梁弯曲试验进行测定。试件为35 mm×40 mm×250 mm小梁,试验条件为15.0±0.5 ℃,变形速率按小梁跨中1 mm/ min控制。试件在弯曲试验机上进行,简支梁支撑,中间集中加载,通过传感器用计算机采集力和变形[2]。试件弯曲最大应力和应变按下式进行计算:

(2)

(3)

式中,P为荷载,N;L为梁跨距,200 mm;b为试件宽度,35 mm;h为试件的高度,40 mm;f为挠度, mm。

2个配合比的小梁弯曲试验结果见表5。

表5 2个配合比的小梁弯曲试验结果

由小梁弯曲试验结果可知,2个沥青混凝土配合比的孔隙率都很小,配合比13弯曲强度比配合比7小7.61 %,而弯曲变形比配合比7大39.14 %,两种配合比弯曲变形都满足规范大于1 %的要求。

4.5 渗透试验

2种配合比沥青混凝土制备成标准马歇尔试件,成型尺寸为φ101.6×63.5±1.3 mm,在15.0±0.5 ℃条件下进行变水头渗透试验,每个配合比做3个试件,每个试件历时5 h。配合比13和7沥青混凝土的渗透系数都小于1×10-8c m/s。

5 配合比推荐建议及实施情况

5.1 配合比推荐建议

通过上述系列沥青混凝土配合比试验结果对比分析,配合比13可作为推荐配合比,配合比7作为备用配合比。

所选2种配合比试件通过拉、压、弯、水稳定及渗透等性能试验初步表明,各项性能都可满足高坝沥青混凝土心墙的要求。具体力学性能指标见表6。

表6 力学性能指标

5.2 沥青心墙施工及抽检情况

去学水电站心墙沥青混凝土实际总工程量约19 500 m3。于2015年11月上旬在完成场外推荐配合比试验段检测成果满足设计要求的前提下开始正式施工,2016年10月31日,沥青混凝土心墙坝填筑至初期下闸蓄水高程2 310 m。2017年1月,沥青混凝土心墙填筑至设计高程2 333 m。

在心墙沥青混凝土施工完成后,通过对2 224 m、2 260 m、2 298 m、2 313 m高程段钻孔取芯试验检测,芯样密度、孔隙率、渗透系数、力学指标等均满足规范和设计要求,全部合格。具体指标详见表7。

表7 试件各指标检测值

6 结语

在去学水电站心墙沥青混凝土配合比设计中,通过严格控制沥青混凝土原材料检测,选择适合高坝沥青心墙防渗、防劈裂要求的原材料。科学、规范进行配比试验,推荐施工配合比,并进行试验验证,确保了去学水电站高坝心墙防渗满足设计要求。