酸性砂礫石骨料瀝青混凝土心墻施工質(zhì)量控制

馬江飛，羅小和，楊金華

(1.中國水電基礎(chǔ)局有限公司西藏分公司，拉薩，850000；2.西藏自治區(qū)重點水利建設(shè)項目管理中心，拉薩，850000)

1 引言

瀝青混凝土心墻具有優(yōu)良的防滲性能、適應(yīng)變形能力和裂縫自愈能力，并且心墻一般為薄墻，工程量相對較小，可以在短時間(1～2個汛期)內(nèi)迅速地完成施工。這些特點使得瀝青混凝土心墻在高寒、強震地區(qū)具有明顯的優(yōu)勢[1]。

事物都有一個發(fā)展的過程，在理論缺乏的年代，我們的前輩依靠一代代的摸索匯集為一項項施工經(jīng)驗，酸性瀝青混凝土心墻在中國的發(fā)展也是一個漸進的過程。中國于1974年修建的第一座碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩——甘肅黨河水庫，心墻瀝青混凝土骨料全部采用戈壁天然砂礫石料(酸性)；1998年修建的甘肅牙塘水庫，細骨料全部采用天然砂；2005年修建的大渡河龍頭石水電站，細骨料部分采用天然砂；2013年修建的新疆精河沙爾托海、特吾勒砂礫石壩和四川平昌雙橋水庫石渣壩骨料也全部采用天然砂礫石骨料；2014年修建的西藏雅礱水庫砂礫石壩、2015年修建的西藏結(jié)巴水庫堆石壩，其心墻瀝青混凝土也全部采用天然砂礫石骨料。

2 骨料酸堿性的判定

在瀝青混凝土的設(shè)計中，通過巖石化學成分分析并根據(jù)成分含量以堿值的大小定量的將巖石分為了酸性和堿性。從化學角度分析，在瀝青混合料熱拌合過程中，與呈酸性的瀝青結(jié)合時，堿性骨料與瀝青會發(fā)生化學反應(yīng)，形成不溶于水的化合物并產(chǎn)生化學吸附作用，而酸性骨料與酸性的瀝青并不能產(chǎn)生化學反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，只能產(chǎn)生分子間作用力，這種物理吸附，黏結(jié)性沒有化學吸附作用力強，因此與瀝青的黏結(jié)力要差。所以，早期的瀝青混凝土中采用的骨料均為堿性骨料。蓄水后，由于水比瀝青更容易浸潤集料表面，而瀝青又是憎水性物質(zhì)，當瀝青混凝土心墻長期與水接觸，表面的瀝青會被水置換掉，從骨料表面剝離，嚴重地破壞其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，產(chǎn)生水損害[2]。水工瀝青混凝土骨料的選擇遵循由近及遠、先優(yōu)后劣、因地制宜、就地取材的原則，而在一些壩址區(qū)，在合理的經(jīng)濟運輸距離范圍內(nèi)，不一定能找到適宜的堿性巖石料源，可能僅有呈中性或酸性的骨料，如花崗巖和石英巖。同時，隨著水資源的大量開發(fā)，適合建壩的壩址越來越少，適合選址的地方并不一定有合適的堿性骨料。隨著實際情況的變化和進一步的需要，以酸性巖石為骨料的瀝青混凝土心墻逐漸登上壩工界的舞臺。

巖石的酸堿性依據(jù)《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》通過堿度模數(shù)來測定，首先對骨料進行化學成分的檢測，測定巖石中的SiO2含量，然后根據(jù)M=(CaO+MgO+FeO)/SiO2，M>1時骨料為堿性巖石，M=0.6～1時為中性巖石，M<0.6時為酸性巖石。

拉洛水利樞紐工程由于實際條件的變動，需要將瀝青混凝土心墻骨料更改為天然砂礫石料，天然砂礫石料來源于河床附近，各種料源混雜的現(xiàn)象比較普遍，通過料源取樣試驗表明，該工程區(qū)天然砂礫石中的M分別為0.33、0.002、0.03、0.15、0.07，無論是個別還是整體上均表現(xiàn)為明顯的酸性。

表1 拉洛水利樞紐天然砂礫石骨料化學成分分析

3 酸性砂礫石骨料施工質(zhì)量控制

3.1 骨料的粘附性改良

為改善酸性骨料本身存在的弱點，在酸性骨料瀝青混凝土心墻的施工中，往往會通過加入堿性物質(zhì)對骨料或者加入抗剝落劑對瀝青進行處理來改善其黏附力。如將骨料以石灰水處理后使用；將抗剝落劑加入到瀝青中拌和均勻后使用。但是，由于對骨料的處理較復雜，還需要增加稱量系統(tǒng)，所以本文未推薦。

抗剝落劑的選用宜為非胺類化合物，因為其耐熱穩(wěn)定性好。通過西安理工大學防滲研究所的研究及長江委進一步的室內(nèi)試驗表明，在瀝青中加入抗剝落劑后能夠保證混凝土的各項指標均能滿足工程需要，保證防滲質(zhì)量。

抗剝落劑添加不均勻可能會導致局部黏附性達不到要求，抗剝落劑添加方式為在熱熔狀瀝青中依照比例來添加，一般使用量占熱瀝青比例的0.2%至0.4%，抗剝落劑廠家均只提供添加值范圍。各工程需要結(jié)合實際情況進行添加量的確定，如果添加量不足則改善作用并不能保證黏附性達到4級及以上，如若添加過多是否會產(chǎn)生副作用等則沒有研究成果。所以，進行生產(chǎn)性試驗之前需要確定抗剝落劑的種類、含量及添加方式。由于心墻施工不似公路鋪筑普遍，目前為止心墻施工并沒有專門的抗剝落劑添加裝置。常規(guī)的添加需要對其儲存罐進行改造以使黏稠的抗剝落劑能順利流出，與瀝青充分的混合均勻，并且保證不因時間和溫度而產(chǎn)生老化、變質(zhì)。在此階段，需要對抗剝落劑進行選擇、試驗，確定好添加量、提出添加抗剝落劑的方式以及保持添加的均勻性、維持時效等的措施，為正式施工提供充分的理論依據(jù)。拉洛水利樞紐采用的添加裝置為通過密度將質(zhì)量轉(zhuǎn)換為體積，并通過氣壓推進來進行精準投放。

表2 不同抗剝落劑添加量黏附力情況

表3 抗剝落劑添加裝置記錄

3.2 骨料破碎率

近年來，骨料的棱角性對心墻的應(yīng)變特性影響受到研究人員的關(guān)注。他們認為，光滑的石料表面易于浸潤，遇水后易脫落，黏結(jié)不牢；石料表面粗糙，形成凹凸不平的表面，不僅增加了表面積，使石料增多了與瀝青接觸的機會，而且，當瀝青嵌入凹穴中，固化后形成牢固的機械嵌鎖力，使瀝青與石料黏結(jié)牢固。根據(jù)何建新等[3]對破碎率與瀝青混凝土心墻的應(yīng)變分析，全破碎砂礫石料與原狀砂礫石料相比，內(nèi)摩擦角和黏聚力提升很大，對于結(jié)構(gòu)的安全性有很大的提高。所以原材料選擇時需要將小粒徑(≤20mm)骨料篩除，以確保破碎篩分階段能夠?qū)⒐橇铣浞制扑椋ＷC材料里石料之間的契合性。

同時，由于石料表面裹覆泥土，將阻隔瀝青與石料的接觸，因此，料場骨料選料時需要盡量減少其含泥量，最好能通過水洗的方式進行骨料篩選。

3.3 溫度控制

瀝青混凝土心墻的施工對層間溫度要求為70℃～90℃之間，雖然劉儒博等研究過依靠混合料的溫度進行無層間加熱連續(xù)施工，但是，目前此種經(jīng)驗并未進行大規(guī)模的應(yīng)用及推廣。施工時依舊需要采用加熱設(shè)備進行加熱，而加熱時其控制程度不好很有可能會導致瀝青的老化或抗剝落劑的變質(zhì)，對瀝青混凝土的耐久性相當不利，結(jié)果適得其反。所以在施工中需要盡可能地進行連續(xù)鋪筑，保證層面溫度，盡量避免使用明火進行烘烤(可以選擇用遠紅外加熱器)，以減少瀝青因加熱而老化的風險。

根據(jù)姜德全等[4]的研究“大壩心墻的應(yīng)力拱效應(yīng)在大壩兩端壩肩、3/4壩高及心墻底部較顯著”。拌和樓開始幾方的混合料溫度不穩(wěn)定且偏低，所以，為增加心墻防滲體的安全系數(shù)，開始幾方溫度不穩(wěn)定的混合料盡量不要用于岸坡結(jié)合處。

3.4 拌合及檢測

施工過程中，篩分場的篩孔尺寸應(yīng)與配合比所需骨料尺寸對應(yīng)，以保證生產(chǎn)時的級配適應(yīng)高峰作業(yè)時的速度要求，盡可能地提高混合料的生產(chǎn)速度?；旌狭习韬蜁r，拌和樓的設(shè)備檢定、率定必須及時，盡可能地減少拌和過程中混合料品質(zhì)不一導致的時間、材料等的浪費，在有限的時間里盡可能地提高施工進度。

瀝青混凝土試驗室要及時對生產(chǎn)的常規(guī)砂礫石骨料進行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果及時調(diào)整施工配合比，以確保混合料的質(zhì)量。待施工結(jié)束后要及時進行無損檢測，當出現(xiàn)質(zhì)疑點時及時取芯檢測以控制瀝青混凝土心墻質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過雅礱水庫、結(jié)巴水庫以及拉洛水利樞紐現(xiàn)有施工資料以及現(xiàn)場取芯，試驗室檢測結(jié)果表明，通過合理均勻地添加抗剝落劑，控制篩分場骨料破碎率等控制措施，部分地區(qū)酸性砂礫石骨料制備瀝青混凝土的密度、孔隙率以及力學性能等均能滿足設(shè)計及規(guī)范要求，瀝青混凝土心墻的施工質(zhì)量能夠得以保證。