防滲面板水工瀝青混凝土試拌試鋪方案設(shè)計與試驗分析

華 召,余世海,莫智云,磨煉同

(1.中國葛洲壩集團(tuán)股份有限公司,武漢 430030;2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室,武漢 430070)

瀝青混凝土防滲面板是抽水蓄能水庫重要的防滲結(jié)構(gòu)形式,其一般采用簡式斷面結(jié)構(gòu),由內(nèi)到外分別為瀝青整平膠結(jié)層、瀝青防滲層和瀝青瑪蹄脂封閉層。瀝青混凝土防滲面板因具有防滲性好、適應(yīng)基礎(chǔ)變形能力強(qiáng)、一體化施工性能高、使用耐久性好等諸多優(yōu)點在我國抽水蓄能水庫建設(shè)中得到較多應(yīng)用[1-3]。水工瀝青混凝土從室內(nèi)配合比試驗到現(xiàn)場鋪筑試驗都有嚴(yán)格的規(guī)定,一般在室內(nèi)配合比設(shè)計試驗完成并經(jīng)第三方驗證合格后確定推薦的標(biāo)準(zhǔn)配合比,同時要求確定推薦的標(biāo)準(zhǔn)配合比后應(yīng)及時建立試驗場地進(jìn)行場外現(xiàn)場鋪筑試驗。場外現(xiàn)場鋪筑試驗主要工作包括:首先采用瀝青拌和樓熱料對室內(nèi)瀝青混凝土配合比進(jìn)行驗證和調(diào)整,確定生產(chǎn)配合比;其次通過瀝青混合料拌和生產(chǎn)、攤鋪、碾壓和現(xiàn)場檢測,掌握瀝青混凝土的材料制備、儲存、拌和、運輸、攤鋪、碾壓和檢測等一套工藝流程,取得并確定各種有關(guān)的施工工藝參數(shù),以指導(dǎo)瀝青混凝土的現(xiàn)場施工[4-6]。水工瀝青混凝土施工工藝的核心是確定合理的碾壓壓實工藝,特別是振動碾壓遍數(shù)?，F(xiàn)場檢測的核心工作之一是開展無核密度試驗和取芯標(biāo)定,建立無核密度和現(xiàn)場芯樣密度相關(guān)性以實現(xiàn)后期施工質(zhì)量快速無損檢測。

場外現(xiàn)場鋪筑試驗前應(yīng)開展瀝青混合料試拌試機(jī)生產(chǎn)、瀝青攤鋪機(jī)試攤、碾路機(jī)試壓等聯(lián)動工作,以檢驗主要機(jī)械設(shè)備運行情況。通過瀝青混合料試拌試鋪,開展瀝青拌和樓生產(chǎn)調(diào)試、瀝青混合料溫度控制參數(shù)設(shè)定、瀝青用量和級配抽提檢測等工作。對試拌瀝青混合料檢測其體積性能、高溫抗流淌性能和低溫柔性等指標(biāo),這些指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求后方能進(jìn)入場外試驗段鋪筑環(huán)節(jié)[7,8]。為了保證防滲面板瀝青混凝土場外試驗段鋪筑試驗成功,將通過有限的施工條幅和碾壓區(qū)優(yōu)化設(shè)計,提出整平膠結(jié)層和防滲層瀝青混凝土試拌試鋪試驗方案,檢驗瀝青混合料攤鋪、接縫處理、碾壓等工藝的合理性,為正式場外現(xiàn)場鋪筑試驗提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 方案設(shè)計

在正式場外平地鋪筑試驗前在瀝青拌和站內(nèi)開展試拌試鋪工作,試鋪面積按長度20 m、寬度(3～4 m)×2施工條帶。上述2條帶下層為整平膠結(jié)層,寬4 m;上層為防滲層,寬3 m。上下層錯幅1 m施工。整平膠結(jié)層按攤鋪寬度4 m施工,2條幅1 d施工,條幅接縫按熱接縫處理。防滲層按攤鋪寬度3 m,錯幅1 m施工,分2 d施工以便于進(jìn)行冷接縫處理,模擬正常防滲層攤鋪、接縫處理、碾壓等工藝。試拌試鋪是開展平地場外試驗的最后一次整套工藝與設(shè)備的檢查與驗收,確定是否達(dá)到開展場外正式試驗的條件。

整平膠結(jié)層施工計劃按兩個條幅劃分試驗?zāi)繕?biāo),其中條帶1重點檢驗攤鋪初始壓實度和不同碾壓遍數(shù)對壓實密度的影響,以優(yōu)化合理的碾壓遍數(shù)。條帶2重點模擬極限降溫施工對不同碾壓遍數(shù)要求,解決施工溫度低于設(shè)計要求下是否可以施工和如何增加碾壓遍數(shù)。

為了實現(xiàn)上述目標(biāo)和要求,整平膠結(jié)層條帶1采用如下碾壓方案:1)按條幅長度劃分成5個碾壓區(qū):攤鋪未碾壓區(qū)長1.5 m,初碾靜壓1遍區(qū)長4 m,復(fù)壓振動1遍區(qū)長4 m,復(fù)壓振動2遍區(qū)長4 m,復(fù)壓振動3遍區(qū)長4 m。復(fù)壓長度按遍數(shù)依次遞減形成不同的碾壓區(qū)。碾壓前提前劃分和標(biāo)記好各碾壓區(qū)以保證不過界碾壓,各碾壓區(qū)長度應(yīng)至少大于振動碾長度的2倍以減少剎車后退的影響。2)瀝青混合料攤鋪過后,在端頭預(yù)留未碾壓區(qū)(長度1.5 m)不進(jìn)行碾壓。初碾采用靜壓一遍,不得越界碾壓到端頭預(yù)留未碾壓區(qū)。3)考慮到斜坡一般采用前進(jìn)振動、后退靜壓的方式,平地試驗復(fù)壓宜全部統(tǒng)一采用前進(jìn)振動、后退靜壓的方式,起振時應(yīng)前后鋼輪都起振。4)復(fù)壓遍數(shù)不大于3遍,終壓靜壓1遍,但只碾壓到所有復(fù)壓區(qū)。5)施工溫度按技術(shù)要求進(jìn)行控制,攤鋪溫度140～160 ℃,初始碾壓溫度不小于130 ℃,二次碾壓溫度不小于105 ℃,終碾溫度不小于90 ℃,施工時應(yīng)嚴(yán)格按上述溫度控制。

整平層條帶2采用人為極限降溫設(shè)計,施工溫度按技術(shù)要求下限進(jìn)行控制,降低攤鋪溫度至130～140 ℃,初始碾壓溫度下降到100～110 ℃,二次碾壓溫度90～100 ℃,終碾溫度不小于70 ℃。以上溫度設(shè)定用于模擬瀝青混合料施工溫度下降20 ℃左右時的施工效果。按條幅長度劃分與條幅1相同,復(fù)壓遍數(shù)按2～4遍設(shè)計以增加碾壓遍數(shù)。

防滲層試拌試鋪為了重點解決正常條件下的合理碾壓遍數(shù)要求和模擬極端溫度下降后混合料的碾壓問題,在整平膠結(jié)層上面設(shè)計2個施工條幅,其碾壓區(qū)劃分和碾壓方案與前述整平膠結(jié)層類似,分成5個碾壓區(qū),重點考察復(fù)壓遍數(shù),按2～5遍設(shè)計。防滲層瀝青混合料施工溫度按技術(shù)要求進(jìn)行控制,攤鋪溫度150～170 ℃,初始碾壓溫度不小于140 ℃,二次碾壓溫度不小于115 ℃,終碾溫度不小于90 ℃,施工時嚴(yán)格控制好溫度。

防滲層條幅接縫按冷縫處理,瀝青混合料攤鋪后的斷面達(dá)到設(shè)計45°,瀝青攤鋪機(jī)壓邊器改裝并調(diào)試到位。接頭坡度超過45°時,采用人工電動振動板將其矯正至45°以下,便于冷接縫施工。冷縫施工時應(yīng)用紅外線加熱器對冷縫表面加熱,使其在距其接縫表面以下深20 mm 處溫度不低于100 ℃時,且表面不得烤焦,然后攤鋪另一條幅的熱瀝青混合料,利用振動碾壓實到設(shè)計要求的密度。

試拌試鋪后現(xiàn)場開展無核密度試驗和取芯標(biāo)定工作,分析不同壓實工藝和現(xiàn)場接縫處理對壓實度的影響?，F(xiàn)場取芯須與無核密度檢測結(jié)合,芯樣在鉆取前應(yīng)進(jìn)行無核密度檢測以便于對比無損檢測結(jié)果與芯樣密度實測結(jié)果,芯樣應(yīng)從無核密度儀讀取數(shù)據(jù)部位的中心鉆取。

2 試拌試鋪試驗結(jié)果

2.1 施工溫度檢測結(jié)果

整平層條幅按技術(shù)要求進(jìn)行控制時要求攤鋪溫度140～160 ℃,初始碾壓溫度大于130 ℃,二次碾壓溫度大于105 ℃,終碾溫度大于90 ℃,實際施工時溫度控制基本可達(dá)到要求。整平膠結(jié)層瀝青混合料溫度隨施工時間的下降關(guān)系如圖1所示,瀝青混合料攤鋪溫度在175～178 ℃,攤鋪1 h后溫度仍可保持105 ℃以上,前1 h降溫速度約為1 ℃/min,保證有較長的時間開展后續(xù)碾壓壓實。

防滲層瀝青混合料施工溫度按技術(shù)要求進(jìn)行控制時要求攤鋪溫度150～170 ℃,初始碾壓溫度大于140 ℃,二次碾壓溫度大于115 ℃,終碾溫度大于90 ℃,實際施工時攤鋪溫度和碾壓溫度均可達(dá)到上述要求。防滲層瀝青混合料溫度隨施工時間的下降關(guān)系如圖2所示,瀝青混合料攤鋪溫度在163～170 ℃,攤鋪1 h后溫度仍可保持110 ℃以上,前1 h降溫速度約為0.8 ℃/min,降溫速度略小于整平膠結(jié)層瀝青混合料,可有較長的時間開展后續(xù)碾壓壓實。

2.2 現(xiàn)場孔隙率與無損檢測分析

整平膠結(jié)層瀝青混合料攤鋪后,針對不同的碾壓方式進(jìn)行了現(xiàn)場鉆孔取芯,芯樣檢測結(jié)果見表1。芯樣密度和孔隙率檢測結(jié)果表明,現(xiàn)場攤鋪后未碾壓的整平膠結(jié)層瀝青混凝土孔隙率在20%左右,初壓后孔隙率在17%附近,復(fù)壓2遍后孔隙率在13%～14%,后繼再增加碾壓遍數(shù)可進(jìn)一步提高壓實度,但溫度降低后增加碾壓遍數(shù)效果不顯著,因此整平膠結(jié)層應(yīng)盡量在高溫碾壓以提高壓實效率。整平膠結(jié)層熱接縫復(fù)壓2遍后孔隙率可小于15%,因接縫處瀝青混合料易產(chǎn)生離析,應(yīng)適當(dāng)增加碾壓遍數(shù)1～2遍。

表1 整平層現(xiàn)場攤鋪厚度、密度和孔隙率檢測結(jié)果匯總

整平膠結(jié)層試拌試鋪后現(xiàn)場開展無核密度儀密度試驗和取芯標(biāo)定工作,取芯前先用無核密度儀開展現(xiàn)場孔隙率檢測,同時標(biāo)記好現(xiàn)場試驗點所在位置,便于現(xiàn)場取芯進(jìn)行密度和孔隙率驗證?，F(xiàn)場取芯與無核密度點對點重合,芯樣從無核密度儀讀取數(shù)據(jù)部位的中心鉆取。芯樣在鉆取前無核檢測結(jié)果與芯樣實測結(jié)果對比見圖3。無核檢測結(jié)果與芯樣實測結(jié)果有較好的相關(guān)性,對于孔隙率過高的芯樣能夠很好地辨別出來,因此整平膠結(jié)層可按無核檢測孔隙率不大于15%進(jìn)行現(xiàn)場壓實度控制。

防滲層芯樣檢測結(jié)果見表2。防滲層按正常施工溫度進(jìn)行攤鋪未碾壓時孔隙率在4.5%～5.0%之間,達(dá)到壓實度不小于90%的現(xiàn)場施工質(zhì)量要求。正常溫度初碾后孔隙率在3.7%附近,復(fù)壓2遍后達(dá)到穩(wěn)定,后繼增加復(fù)壓遍數(shù)影響小,而復(fù)碾4遍后孔隙率略有反彈。極限降溫施工時復(fù)壓2遍后孔隙率可維持在2%～3%,接近上限3%的技術(shù)要求,后繼增加復(fù)壓遍數(shù)可進(jìn)一步降低孔隙率,但降幅有限,宜以控制瀝青混合料出料和攤鋪溫度為主,確保后續(xù)碾壓溫度達(dá)到設(shè)計。冷接縫處理采用紅外線加熱到100～120 ℃,表面受熱深度在10 mm內(nèi),取芯檢測發(fā)現(xiàn)其空隙率維持在2.5%附近,略小于上限3%的技術(shù)要求,應(yīng)適當(dāng)增加碾壓遍數(shù)1～2遍以保證接縫處壓實度。防滲層現(xiàn)場無核密度檢測結(jié)果與取芯密度具有較好的相關(guān)性,如圖4所示。對于孔隙率大于3%的芯樣能夠很好地辨別出來,因此防滲層可按無核檢測孔隙率不大于3%進(jìn)行現(xiàn)場壓實度控制。

表2 防滲層現(xiàn)場取芯孔隙率檢測結(jié)果匯總

3 結(jié) 論

a.防滲面板瀝青混凝土場外鋪筑試驗前應(yīng)進(jìn)行試拌試鋪試驗,試驗方案可按上下層各2個施工條帶和4～5個不同碾壓區(qū)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,整平膠結(jié)層接縫可按熱縫進(jìn)行設(shè)計以減少施工時間,而防滲層應(yīng)按冷縫設(shè)計以驗證冷縫處理工藝的有效性。

b.通過試拌試鋪了解整平膠結(jié)層和防滲層的攤鋪方法、碾壓遍數(shù)、施工溫度等各種參數(shù),現(xiàn)場溫度檢測發(fā)現(xiàn)各層瀝青混合料降溫較慢,攤鋪后可保證至少有1 h的施工碾壓時間,同時采用振動復(fù)壓2遍可達(dá)到現(xiàn)場孔隙率要求,過多增加復(fù)壓遍數(shù)對壓實度提高幅度有限。

c.試拌試鋪試驗?zāi)M了極限降溫條件下的施工碾壓效果,試驗結(jié)果表明在施工溫度比設(shè)計要求低20 ℃下仍可達(dá)到現(xiàn)場孔隙率要求,現(xiàn)場可適當(dāng)增加碾壓遍數(shù)彌補(bǔ)溫度損失的影響,接縫處應(yīng)適當(dāng)增加碾壓遍數(shù)。

d.無核密度儀檢測結(jié)果波動性整體可控,通過進(jìn)一步與芯樣實測密度校準(zhǔn)可提高其相關(guān)性,其對于孔隙率超標(biāo)的芯樣能很好地辨別,可用于現(xiàn)場質(zhì)量快速無損檢測。