水工瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭新型止水結(jié)構(gòu)研究

嚴(yán)良平，李學(xué)強(qiáng)，孫志恒，李 萌

(1.新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 烏魯木齊 830001；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

0 引 言

水工瀝青混凝土具有優(yōu)異的防滲性能和適應(yīng)基礎(chǔ)變形的能力，因而被廣泛應(yīng)用于各種水利水電防滲工程中[1]。隨著天荒坪、寶泉、張河灣、西龍池、呼蓄、沂蒙等抽水蓄能電站的成功建設(shè)和運(yùn)行，采用瀝青混凝土面板防滲的工程越來越多。已建工程表明，水工瀝青混凝土面板防滲可以做到滴水不漏，但瀝青混凝土面板與混凝土建筑物的接頭止水是保證防滲體系發(fā)揮作用的重要組成部分，其成功與否關(guān)系到整個防滲體系是否封閉、完整。抽水蓄能電站瀝青混凝土面板與防浪墻、進(jìn)出水口周圈廊道、庫底周邊廊道、斜坡混凝土面板等的連接均存在瀝青混凝土面板與混凝土建筑物的接頭止水問題?；炷两ㄖ锎蟛糠肿湓诨鶐r上，基本不會發(fā)生沉陷變形，而相鄰的填筑體一般會有較大的變形，瀝青混凝土面板接頭結(jié)構(gòu)形式主要與作用的水壓力和面板接頭部位的三維位移有關(guān)。為了減小瀝青混凝土面板與剛性建筑物之間的約束，目前國內(nèi)外瀝青混凝土面板工程中瀝青混凝土與剛性建筑物之間的接頭大多采用滑動式接頭[2- 4]，通過在接頭部位設(shè)置一層柔性密封滑動填料來吸收接頭部位的錯位變形，并且設(shè)置了體積較大的楔形體瀝青砂漿來增加瀝青混凝土面板適應(yīng)不均勻沉陷的能力。

滑動式接頭形式基本能滿足瀝青混凝土與剛性建筑物接頭的張開位移要求，但是當(dāng)接頭部位有較大的三維變形時，該接頭形式則無法確保止水安全。美國的Ludington抽水蓄能電站上池和德國Waldeck Ⅱ抽水蓄能電站上池均在進(jìn)水口建筑物周圍發(fā)生了滲漏；國內(nèi)河北張河灣、山西西龍池等抽水蓄能電站上庫也均出現(xiàn)水工瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭出現(xiàn)局部滲漏等問題。因此，瀝青混凝土面板防滲的薄弱部位是接頭部位，為了確保全庫盆防滲效果，有必要對瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭形式和材料進(jìn)行研究，提出能適應(yīng)接頭部位三維大變形的新型結(jié)構(gòu)形式，為瀝青混凝土面板防滲工程接頭部位的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭涂覆型止水結(jié)構(gòu)

針對混凝土面板接縫止水結(jié)構(gòu)形式，文獻(xiàn)[5- 6]提出了混凝土面板接縫表層涂覆型柔性止水結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是將SK手刮聚脲刮涂在塑性填料和混凝土表面，固化后形成全封閉的柔性防滲涂層，與混凝土粘接成一體，既可以作為一道獨(dú)立的表層止水層，又可以保護(hù)下部塑性填料，目前該止水結(jié)構(gòu)已用于10余座抽水蓄能電站新建工程。實(shí)踐證明，這是一種能夠?qū)炷撩姘褰涌p實(shí)行有效全封閉的表面止水結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，本文對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了適用于瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭止水的涂覆型止水結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

在圖1所示的涂覆型止水結(jié)構(gòu)中，表層的SK手刮聚脲為單組分，具有防滲能力強(qiáng)、抗凍融、伸長率大、強(qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn)[7- 8]，V型槽內(nèi)及表面嵌填的GB塑性填料具有很好的防滲性和耐老化性，并且有極強(qiáng)的變形性和自粘接性。因?yàn)榉罎B層瀝青混凝土面板厚度較薄(一般為10 cm)，在接頭部位增設(shè)瀝青混凝土加厚層(同防滲層配合比)；V型槽內(nèi)及表面為GB塑性填料，瀝青混凝土面板與混凝土建筑物之間設(shè)有一層BGB塑性隔離板，保證接觸面不粘接；GB塑性填料表面及兩側(cè)的瀝青混凝土面板和混凝土建筑物表面涂刷SK手刮聚脲復(fù)合胎基布，為了防止SK手刮聚脲與瀝青混凝土面板搭接邊緣翹起，需要進(jìn)行封邊處理。在水庫運(yùn)行中如果接頭出現(xiàn)張開或錯動，GB塑性填料會流入接頭縫內(nèi)，與內(nèi)部的BGB塑性填料混為一體，起到充填、止水的效果，是第一道有效的止水措施；GB塑性填料表層的SK手刮聚脲與混凝土建筑物及瀝青混凝土面板粘接成一體，是第二道獨(dú)立的止水措施。這種瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭涂覆型止水結(jié)構(gòu)能適應(yīng)接縫三維大變形，是一種對接頭實(shí)行有效全封閉的表層止水結(jié)構(gòu)。

2 SK手刮聚脲與瀝青混凝土面板的粘接

2.1 粘接強(qiáng)度試驗(yàn)

混凝土面板接縫涂覆型柔性止水結(jié)構(gòu)是一種成熟的面板接縫表層止水結(jié)構(gòu)，但是將涂覆型止水結(jié)構(gòu)用在瀝青混凝土與混凝土建筑物接頭部位止水的關(guān)鍵問題是如何解決好SK手刮聚脲與瀝青混凝土面板之間的粘接問題，為此進(jìn)行了粘接強(qiáng)度試驗(yàn)。

瀝青混凝土板試件選用防滲層瀝青混凝土配合比，級配指數(shù)0.4、填料含量9%、油石比7.6%。試驗(yàn)所用瀝青混凝土防滲層配合比見表1，室內(nèi)成型的瀝青混凝土板試件尺寸分別為30 cm×30 cm×6 cm和30 cm×30 cm×10 cm。將瀝青混凝土試件表面打磨、清洗，晾干后涂刷界面劑，界面劑表干后分層刮涂SK手刮聚脲。聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強(qiáng)度測量結(jié)果見表2。

表1 瀝青混凝土防滲層配合比

從表2可以看出，試驗(yàn)溫度為26 ℃的情況下，瀝青混凝土表面不打磨，直接刮涂SK手刮聚脲，粘接強(qiáng)度最低，只有0.4～0.6 MPa，破壞面在瀝青混凝土表層的瀝青表面，說明聚脲與瀝青混凝土表層瀝青直接粘接的強(qiáng)度很低；瀝青混凝土表面打磨，直接刮涂SK手刮聚脲(無界面劑)，聚脲與瀝青混凝土的破壞面發(fā)生在瀝青混凝土表面，有細(xì)骨料脫落，粘接強(qiáng)度為0.7～0.9 MPa，聚脲與瀝青混凝土的粘接強(qiáng)度有較大提高；瀝青混凝土打磨后先涂刷界面劑E1，再刮涂SK手刮聚脲，聚脲通過界面劑與瀝青混凝土內(nèi)部的骨料粘接，破壞面是將瀝青混凝土內(nèi)的部分粗、細(xì)骨料拔出，粘接強(qiáng)度為1.0～1.3 MPa，聚脲與瀝青混凝土的粘接強(qiáng)度提高1倍以上。從表2還可以看出，不同的界面劑對聚脲與瀝青混凝土粘接的粘接強(qiáng)度有一定影響，界面劑E1的效果要優(yōu)于E2。

表2 聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強(qiáng)度測量結(jié)果

從粘接試驗(yàn)破壞情況來看，防滲層瀝青混凝土中表層粗骨料越多，聚脲與瀝青混凝土的粘接強(qiáng)度越大。聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強(qiáng)度與瀝青混凝土表面打磨程度有關(guān)，施工時應(yīng)要求打磨到露出粗骨料。

不同溫度下聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強(qiáng)度測量結(jié)果見表3，相關(guān)關(guān)系見圖2。

表3 不同溫度下聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強(qiáng)度測量結(jié)果

從表3和圖2可以看出，SK手刮聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強(qiáng)度與溫度成線性關(guān)系，環(huán)境溫度越低，瀝青混凝土本體抗拉強(qiáng)度越大，聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強(qiáng)度越高。當(dāng)瀝青混凝土面板溫度為6 ℃時，SK手刮聚脲與瀝青混凝土面板之間的粘接強(qiáng)度可以達(dá)到1.8～2.0 MPa。由于庫水溫度較低，位于庫底的瀝青混凝土面板與表層的SK手刮聚脲粘接強(qiáng)度可以大于1.5 MPa。

2.2 剝離強(qiáng)度試驗(yàn)

瀝青混凝土試件尺寸為30 cm×30 cm×10 cm，瀝青混凝土開槽后涂刷界面劑，界面劑表干后在瀝青混凝土表面涂刷SK手刮聚脲，試件成型15 d后，對聚脲與瀝青混凝土表面的SK手刮聚脲進(jìn)行剝離強(qiáng)度試驗(yàn)。表4為SK手刮聚脲與瀝青混凝土剝離試驗(yàn)結(jié)果。

從表4可以看出，試驗(yàn)溫度為20 ℃時，骨料為粗骨料和細(xì)骨料時SK手刮聚脲與瀝青混凝土之間的剝離強(qiáng)度分別為2.70 N/mm和1.39 N/mm；試驗(yàn)溫度為13 ℃時，骨料為粗骨料和細(xì)骨料時SK手刮聚脲與瀝青混凝土之間的剝離強(qiáng)度分別為3.83 N/mm和2.16 N/mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，聚脲與瀝青混凝土剝離后破壞面在瀝青混凝土表面；瀝青混凝土表面的粗骨料越多，聚脲與瀝青混凝土面板涂層之間的抗剝離強(qiáng)度越大；環(huán)境溫度越低，抗剝離強(qiáng)度也越大。

表4 聚脲與瀝青混凝土剝離試驗(yàn)結(jié)果

3 瀝青混凝土板與混凝土接頭涂覆型止水結(jié)構(gòu)大變形試驗(yàn)

3.1 模型設(shè)計(jì)與加工

為了研究瀝青混凝土板與混凝土接頭涂覆型止水結(jié)構(gòu)的三維大變形情況，設(shè)計(jì)并加工了試件模型，如圖3所示。模型采用的瀝青混凝土板寬80 cm、長150 cm、厚6 cm，混凝土板寬50 cm、長150 cm、厚10 cm。瀝青混凝土板與混凝土板相接，接頭部位上部切V型槽，V型槽頂寬8 cm、高3 cm。瀝青混凝土板表面和混凝土板表面打磨、清洗、晾干后涂刷專用界面劑；在接頭V型槽表面嵌填GB填料，GB 填料面積為半圓形，半徑為8 cm，V型槽上部的GB塑性填料半圓斷面面積為100 cm2；在GB填料周邊及GB表面刮涂4 mm厚的SK手刮聚脲，聚脲中間粘貼一層胎基布。在混凝土板一側(cè)聚脲與混凝土粘接寬度為20 cm，在瀝青混凝土板一側(cè)聚脲與瀝青混凝土粘接寬度為30 cm。

3.2 剪切變形

瀝青混凝土板與混凝土板接頭涂覆型止水結(jié)構(gòu)剪切位移8 cm的情況見圖4。從圖4可以看出，GB塑性填料表面的SK手刮聚脲發(fā)生扭曲變形，當(dāng)GB塑性填料斷面為100cm2時，8 cm的剪切變形量在聚脲彈性變形范圍之內(nèi)，隨著位移方向的改變，聚脲可以適應(yīng)變形，剪切變形恢復(fù)后，聚脲恢復(fù)原狀。

3.3 張開變形

圖5為瀝青混凝土板與混凝土板接頭涂覆型止水結(jié)構(gòu)張開10 cm的情況，在GB塑性填料拉平之前，SK手刮聚脲本體不受力。從圖5可以看出，接頭涂覆型止水結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)張開大變形，GB塑性填料斷面越大、接頭適應(yīng)張開位移越大。

3.4 上下錯動變形

圖6為瀝青混凝土板與混凝土板接頭涂覆型止水結(jié)構(gòu)張開3 cm后再上下錯動8 cm的情況，在GB塑性填料拉平之前，SK手刮聚脲本體不受力。從圖6可以看出，接頭涂覆型止水結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)上下錯動大變形。

3.5 三維變形

圖7為涂覆型止水結(jié)構(gòu)接頭上下錯動8 cm+張開3 cm+剪切8 cm的情況，圖8為涂覆型止水結(jié)構(gòu)接頭上下錯動8 cm+張開3 cm+剪切10 cm時模型前部變形情況。從圖7、圖8可以看出，在接頭三維變形中，剪切變形量是控制工況，當(dāng)接頭上下錯動8 cm、張開3 cm后再進(jìn)行剪切變形8 cm后，聚脲涂層與瀝青混凝土粘接的邊緣未出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象；當(dāng)剪切變形增加到10 cm后，聚脲涂層與瀝青混凝土粘接的邊緣出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。

維持接頭涂覆型止水結(jié)構(gòu)上下錯動8 cm+張開3 cm+剪切10 cm的三維變形不變，模型放置60 d后的情況見圖9。在聚脲與瀝青混凝土板一側(cè)，波紋較大，端頭聚脲與瀝青混凝土脫開寬度為8 cm，長度約為22 cm。聚脲涂層厚度為4 mm，內(nèi)部復(fù)合胎基布，聚脲抗撕裂強(qiáng)度較高，維持接頭涂覆型止水結(jié)構(gòu)大變形，聚脲涂層局部從粘接面掀開脫空，導(dǎo)致涂層與瀝青混凝土面板粘接應(yīng)力釋放，止水結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定。由于聚脲與混凝土之間的粘接強(qiáng)度較聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強(qiáng)度大，在聚脲與混凝土板一側(cè)，波紋較小，端頭聚脲與混凝土脫開寬度為6 cm，長度約為10 cm。

從試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭采用涂覆型止水結(jié)構(gòu)，適應(yīng)大變形能力與GB填料的斷面尺寸有很大關(guān)系，GB填料的斷面越大，涂覆型止水結(jié)構(gòu)適應(yīng)接頭變形能力越強(qiáng)。只要GB塑性填料尺寸足夠大，接頭張開與上下錯動時，SK手刮聚脲本體不受力，當(dāng)接頭發(fā)生較大的剪切變形時，SK手刮聚脲本體才會受力。

4 結(jié) 論

(1)SK手刮聚脲與瀝青混凝土面板之間的粘接強(qiáng)度與溫度成線性關(guān)系，環(huán)境溫度越低，瀝青混凝土本體抗拉強(qiáng)度越大，聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強(qiáng)度越高。瀝青混凝土面板表面打磨后先涂刷界面劑，再刮涂SK手刮聚脲，可以顯著提高SK手刮聚脲與瀝青混凝土之間的粘接強(qiáng)度。

(2)當(dāng)V型槽上部GB塑性填料斷面為100 cm2時，接頭涂覆型止水結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)上下錯動8 cm+張開3 cm+剪切8 cm的變形，聚脲變形量在彈性變形范圍之內(nèi)。接頭三維變形量的大小可以通過塑性填料斷面面積的大小進(jìn)行調(diào)整。

(3)面板接頭涂覆型止水結(jié)構(gòu)的止水效果與材料的選擇和現(xiàn)場施工質(zhì)量緊密相關(guān)，施工作業(yè)要嚴(yán)格按施工工藝要求實(shí)施，才能保證接頭止水效果。

涂覆型止水結(jié)構(gòu)具有適應(yīng)三維變形能力強(qiáng)、防滲性能好、施工簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以顯著提高瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭止水的可靠性及耐久性，是一種適用于抽水蓄能電站瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭表層止水的新型結(jié)構(gòu)，推薦在在建的新疆阜康、陜西鎮(zhèn)安等抽水蓄能電站瀝青混凝土面板與混凝土建筑物接頭止水中應(yīng)用。