去學(xué)水電站堆石壩心墻瀝青混凝土配合比試驗(yàn)與性能研究

何國(guó)勤

(大唐四川發(fā)電有限公司,成都 610091)

1 工程概況

去學(xué)水電站為碩曲河流域開(kāi)發(fā)的最后一級(jí)水庫(kù)電站。大壩工程為Ⅱ等大(2)型工程,工程樞紐布置由瀝青混凝土心墻堆石壩、右岸洞式溢洪道、右岸泄洪洞等部分組成。心墻堆石壩最大壩高164.20 m,瀝青心墻最大高度132.50 m,為當(dāng)期世界同類壩型第一高壩。工程采用混合式開(kāi)發(fā),電站裝機(jī)容量2×123 MW。

大壩心墻瀝青混凝土為水工瀝青混凝土,由堿性粗、細(xì)骨料,礦粉和瀝青等按試驗(yàn)確定的比例混合拌制而成,其配合比的確定直接關(guān)系到瀝青混凝土的性能,影響大壩心墻長(zhǎng)期運(yùn)行安全。

2 原材料質(zhì)量鑒定

去學(xué)水電站大壩心墻瀝青混凝土拌制用骨料級(jí)配分為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粒徑6級(jí)礦料及<0.075 mm的礦粉。為保證瀝青混凝土抗水剝離能力滿足高壩防滲要求,要求骨料應(yīng)選用堿性骨料,現(xiàn)場(chǎng)采用洞采灰?guī)r原料加工獲取。經(jīng)相關(guān)性能比選后采用設(shè)計(jì)單位推薦的克拉瑪依水工70#瀝青。

2.1 粗骨料

根據(jù)《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5362-2006)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),本工程心墻瀝青混凝土選取粗骨料最大粒徑為19 mm,粗骨料鑒定試驗(yàn)按照規(guī)范和設(shè)計(jì)要求主要進(jìn)行了骨料表觀密度、吸水率、粘附力、堅(jiān)固性、抗熱性及壓碎率試驗(yàn)。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,去學(xué)水電站灰?guī)r粗骨料物理指標(biāo)及熱穩(wěn)定性、與瀝青粘附力、堅(jiān)固性、壓碎率等指標(biāo)均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)技術(shù)要求,可作為心墻瀝青混凝土的粗骨料。

2.2 細(xì)骨料

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),采用工程現(xiàn)場(chǎng)加工的人工砂細(xì)骨料粒徑滿足規(guī)范要求,表觀密度2.76 g/cm3,其熱穩(wěn)定性、吸水率和水穩(wěn)定性、堅(jiān)固性及礦粉含量均滿足瀝青混凝土細(xì)骨料的技術(shù)指標(biāo)要求。

2.3 礦粉

經(jīng)對(duì)工程料場(chǎng)洞采骨料加工成礦粉的檢測(cè),其密度、含水率、親水系數(shù)等質(zhì)量指標(biāo)均滿足《瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,可以用作瀝青混凝土心墻礦粉。

2.4 瀝青

通過(guò)對(duì)瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度等主要指標(biāo),以及薄膜烘箱試驗(yàn)后的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行性能比選后,本工程采用設(shè)計(jì)單位推薦的克拉瑪依水工70#瀝青。其具體檢測(cè)性能指標(biāo)如下:針入度73,薄膜烘箱試驗(yàn)針入度比71.2 %,延度>150,薄膜烘箱試驗(yàn)延度100,軟化點(diǎn)48 ℃,薄膜烘箱試驗(yàn)升高4.8 ℃<5 ℃。

2.5 原材料鑒定結(jié)論與建議

經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè),去學(xué)水電站心墻瀝青混凝土所選用的灰?guī)r粗骨料、灰?guī)r加工的人工砂和礦粉,以及克拉瑪依水工70#瀝青滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求,可作為瀝青混凝土用原材料。

3 瀝青混凝土配合比選擇

根據(jù)經(jīng)檢測(cè)合格原材料、參照類似工程配合比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),選用幾種骨料級(jí)配指數(shù)、摻配不同比例礦粉、設(shè)定幾種油石比試配各種心墻瀝青混凝土配合比,通過(guò)對(duì)試配配合比試件進(jìn)行孔隙率、變形和強(qiáng)度等基本性能試驗(yàn),選出滿足工程要求的2種配合比。

配合比選擇試驗(yàn)分兩步進(jìn)行,第一步根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初選配合比,采用不同級(jí)配指數(shù)進(jìn)行劈裂試驗(yàn),從中確定級(jí)配指數(shù);第二步根據(jù)選定的級(jí)配指數(shù),采用不同的瀝青和礦粉含量進(jìn)行劈裂試驗(yàn)等,通過(guò)比較選擇較優(yōu)的配合比。

3.1 礦料級(jí)配

礦料級(jí)配參數(shù)包括最大骨料粒徑Dmax、級(jí)配指數(shù)r或粗細(xì)骨料率和礦粉含量F。根據(jù)最大密級(jí)配理論和富勒級(jí)配曲線,丁樸榮教授提出的修正的富勒級(jí)配公式如下[1]。

(1)

式中,Pi為篩孔di的通過(guò)率;F為粒徑小于0.075 mm的礦粉含量,%;Dmax為骨料最大粒徑,mm;di為某一篩孔尺寸,mm;d0.075為礦粉最大粒徑,0.075 mm;γ為級(jí)配指數(shù)。

3.2 瀝青混凝土配合比初選

現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求采用馬歇爾擊實(shí)成型法制備試件,每種瀝青混凝土配合比在相同條件下制備3個(gè)試件。測(cè)定不同瀝青混凝土配合比參數(shù)條件下試件的孔隙率和密度,通過(guò)劈裂試驗(yàn)測(cè)定試件間接拉伸強(qiáng)度和劈裂軸向位移,并計(jì)算其間接拉伸強(qiáng)度。

3.2.1 級(jí)配指數(shù)對(duì)瀝青混凝土性能的影響

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),選取油石比B=6.5 %、礦粉含量F=11 %及B=6.8 %、F=13 %兩組參數(shù),選擇的級(jí)配指數(shù)。初擬的8種配合比,最大骨料19 mm,級(jí)配指數(shù)分別選取0.35、0.38、0.41、0.44,油石比11 %、13 %各4組共8組24個(gè)試件,進(jìn)行密度和孔隙率測(cè)定、劈裂試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)級(jí)配指數(shù)對(duì)孔隙率、間接拉伸強(qiáng)度、劈裂位移等的影響進(jìn)行分析。其中級(jí)配指數(shù)對(duì)孔隙率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 級(jí)配指數(shù)與孔隙率關(guān)系曲線

通過(guò)分析,在級(jí)配指數(shù)增大到0.38時(shí)孔隙率達(dá)到最小值且小于2 %;當(dāng)級(jí)配指數(shù)繼續(xù)增大,孔隙率反而隨之增大。級(jí)配指數(shù)增大到0.38時(shí),間接拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值,繼續(xù)增大,間接拉伸強(qiáng)度反而隨之減小。當(dāng)級(jí)配指數(shù)為0.38時(shí)劈裂位移最大,繼續(xù)增大,劈裂位移反而減小。

結(jié)論:級(jí)配指數(shù)達(dá)到0.38時(shí),孔隙率達(dá)到最小值且小于2 %,間接拉伸強(qiáng)度和劈裂位移均達(dá)到最大值,瀝青混凝土變形、強(qiáng)度性能最優(yōu),選定本試驗(yàn)級(jí)配指數(shù)為0.38。

3.2.2 油石比對(duì)瀝青混凝土性能的影響

在最大骨料粒徑(Dmax=19 mm)和級(jí)配指數(shù)不變(r=0.38)的條件下,根據(jù)不同礦粉含量、不同油石比,組成4組20種配合比。根據(jù)規(guī)范要求配合比中,瀝青的允許偏差為礦料總重量的0.3 %,因此本試驗(yàn)各配合比之間油石比級(jí)差為0.3 %,選取6.2 %、6.5 %、6.8 %、7.1 %、7.4 %,對(duì)應(yīng)礦粉含量9 %、11 %、13 %、15 %,選取20組,每組制備3個(gè)試件,共計(jì)60個(gè)試件。測(cè)定不同配比參數(shù)條件下試件的密度和孔隙率,采用劈裂試驗(yàn)測(cè)定劈裂荷載和劈裂軸向位移,計(jì)算出間接拉伸強(qiáng)度。經(jīng)分析:

(1)在礦粉含量不變的情況下,隨著油石比(瀝青與礦料重量之比,下同)的增加,孔隙率有明顯的減小,油石比大于6.5 %(除礦粉含量為9 %的配合比在油石比為6.5 %外),配合比孔隙率可控制小于2 %,見(jiàn)圖2。

圖2 油石比與孔隙率關(guān)系曲線

(2)在礦粉含量不變的情況下,油石比越大,間接拉伸強(qiáng)度則越小,而劈裂位移越大。根據(jù)規(guī)范要求,瀝青混凝土心墻應(yīng)具有一定強(qiáng)度,同時(shí)具備較大的變形,因此較優(yōu)配合比應(yīng)為具有較大間接拉伸強(qiáng)度和較大劈裂位移的配合比。見(jiàn)圖3。

圖3 油石比與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系曲線

(3)礦粉含量為9 %,油石比為6.5 %(配合比2)和6.8 %(配合比3)間接拉伸強(qiáng)度和劈裂位移均較大,但配合比2孔隙率超過(guò)3 %;配合比3成形時(shí)瀝青浮油較多,瀝青與礦粉充分混合后有較多自由瀝青,實(shí)際試件油石比不到6.8 %,因此不采用礦粉含量為9 %的配合比。見(jiàn)圖4。

圖4 油石比與劈裂位移關(guān)系曲線

3.2.3 礦粉含量對(duì)瀝青混凝土性能的影響

(1)礦粉含量對(duì)孔隙率的影響

對(duì)于同一級(jí)配指數(shù),礦粉含量越大,瀝青混凝土試件的孔隙率減小,但礦粉含量超過(guò)11 %以后,孔隙率受礦粉含量的影響減小,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 %。礦粉含量對(duì)孔隙率的影響見(jiàn)圖5。

圖5 礦粉含量與孔隙率關(guān)系曲線

(2)礦粉含量對(duì)劈裂荷載的影響

隨礦粉含量增加,間接拉伸強(qiáng)度的變化趨于平緩,除油石比為6.2 %的配合比以外,礦粉含量達(dá)到11 %以后,間接拉伸強(qiáng)度接近某一穩(wěn)定值。礦粉含量對(duì)劈裂荷載的影響見(jiàn)圖6。

圖6 礦粉含量與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系曲線

經(jīng)充分分析選擇油石比為6.5 %或6.8 %,礦粉含量為11 %或13 %的配合比。

礦粉含量為13%,油石比為6.5%(配合比12)與油石比為6.8%(配合比13)劈裂位移均較大,配合比12間接拉伸強(qiáng)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較優(yōu)。

礦粉含量為11%,油石比為6.5%(配合比7)與礦粉含量為11%,油石比為6.8%(配合比8)相比較,配合比7劈裂位移大,間接拉伸強(qiáng)度稍小,但孔隙率小于配合比8,因此配合比7較優(yōu)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),可以采用級(jí)配指數(shù)為0.38,礦粉含量為13%,油石比為6.8%的13號(hào)配合比及級(jí)配指數(shù)為0.38,礦粉含量為11%,油石比為6.5%的7號(hào)配合比。從圖中可以看出,采用這兩種配合比,當(dāng)施工中13號(hào)配合比油石比為(6.8%±0.3 %)的上下限6.5%或7.1%,或7號(hào)配合比的油石比為(6.5%±0.3 %)的上下限6.2%或6.8%時(shí),瀝青混凝土的間接拉伸強(qiáng)度和劈裂位移性能比較穩(wěn)定。

3.3 推薦配合比

根據(jù)配合比試驗(yàn)結(jié)果,從瀝青混凝土性能、安全、經(jīng)濟(jì)考慮,結(jié)合去學(xué)水電站實(shí)際情況,推薦編號(hào)為13號(hào)、7號(hào)配合比作進(jìn)一步的各項(xiàng)性能試驗(yàn)。配合比見(jiàn)表1,礦料級(jí)配見(jiàn)表2。根據(jù)《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5363-2006)對(duì)瀝青混合料配合比允許誤差的規(guī)定,粗骨料(19～2.36 mm)允許誤差為±5 %,細(xì)骨料(2.36～0.075 mm)允許誤差為3 %,礦粉(<0.075 mm)允許誤差為1 %,由此確定配合比級(jí)配曲線(給出級(jí)配的上、下范圍)。

表1 推薦的2種瀝青混凝土配合比的材料和級(jí)配參數(shù)

表2 推薦配合比的礦料級(jí)配

4 推薦的2種配合比性能試驗(yàn)

對(duì)選定的2種配合比進(jìn)行拉伸、抗壓、水穩(wěn)定、彎曲及滲透等性能試驗(yàn)。

4.1 拉伸試驗(yàn)

按照13和7兩種配合比,采用日瓦料場(chǎng)骨料與克拉瑪依70#瀝青,制備成板式試件,切割成尺寸為40 mm見(jiàn)方長(zhǎng)220 mm的條形試件,在15.0±0.5 ℃的室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸變形速度控制在1.0 mm/ min。拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 瀝青混凝土試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明,配合比13的平均拉應(yīng)變?yōu)?.21 %,平均拉應(yīng)力為0.60 MPa,而配合比7的平均拉應(yīng)變?yōu)?.21 %,平均拉應(yīng)力為0.55 MPa。配合比13的拉應(yīng)變與配合比7的拉應(yīng)變相同,而拉應(yīng)力大0.05 MPa。

4.2 抗壓試驗(yàn)

按照13和7兩種配合比,采用日瓦料場(chǎng)骨料與克拉瑪依70號(hào)瀝青,制備成直徑100 mm長(zhǎng)100 mm的圓柱形試件,在15.0±0.5 ℃室溫條件下進(jìn)行抗壓試驗(yàn),變形速度為1.0 mm/ min。抗壓試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 瀝青混凝土試件抗壓試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,配合比13的平均最大抗壓應(yīng)力比配合比7大26.9 %,最大抗壓應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變大20.6 %,兩個(gè)配合比均具有較大的壓應(yīng)變。

4.3 水穩(wěn)定試驗(yàn)

水穩(wěn)定性能試驗(yàn)是將同一批直徑100 mm長(zhǎng)100 mm的圓柱形試件分2組,1組試件在水溫60±1 ℃的水中浸泡48 h后,再在20±1 ℃的水中恒溫2 h,然后進(jìn)行抗壓試驗(yàn);另1組在20±1 ℃空氣中恒溫不少于48 h進(jìn)行抗壓試驗(yàn),2組抗壓強(qiáng)度之比為水穩(wěn)定系數(shù)[2]。試驗(yàn)中,壓縮速度是1 mm/ min,2種配合比的水穩(wěn)定系數(shù)為0.99、0.98均大于規(guī)范要求,滿足質(zhì)量控制需求。

4.4 彎曲試驗(yàn)

瀝青混凝土的變形能力常用小梁彎曲試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。試件為35 mm×40 mm×250 mm小梁,試驗(yàn)條件為15.0±0.5 ℃,變形速率按小梁跨中1 mm/ min控制。試件在彎曲試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,簡(jiǎn)支梁支撐,中間集中加載,通過(guò)傳感器用計(jì)算機(jī)采集力和變形[2]。試件彎曲最大應(yīng)力和應(yīng)變按下式進(jìn)行計(jì)算:

(2)

(3)

式中,P為荷載,N;L為梁跨距,200 mm;b為試件寬度,35 mm;h為試件的高度,40 mm;f為撓度, mm。

2個(gè)配合比的小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 2個(gè)配合比的小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果可知,2個(gè)瀝青混凝土配合比的孔隙率都很小,配合比13彎曲強(qiáng)度比配合比7小7.61 %,而彎曲變形比配合比7大39.14 %,兩種配合比彎曲變形都滿足規(guī)范大于1 %的要求。

4.5 滲透試驗(yàn)

2種配合比瀝青混凝土制備成標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,成型尺寸為φ101.6×63.5±1.3 mm,在15.0±0.5 ℃條件下進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn),每個(gè)配合比做3個(gè)試件,每個(gè)試件歷時(shí)5 h。配合比13和7瀝青混凝土的滲透系數(shù)都小于1×10-8c m/s。

5 配合比推薦建議及實(shí)施情況

5.1 配合比推薦建議

通過(guò)上述系列瀝青混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,配合比13可作為推薦配合比,配合比7作為備用配合比。

所選2種配合比試件通過(guò)拉、壓、彎、水穩(wěn)定及滲透等性能試驗(yàn)初步表明,各項(xiàng)性能都可滿足高壩瀝青混凝土心墻的要求。具體力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6 力學(xué)性能指標(biāo)

5.2 瀝青心墻施工及抽檢情況

去學(xué)水電站心墻瀝青混凝土實(shí)際總工程量約19 500 m3。于2015年11月上旬在完成場(chǎng)外推薦配合比試驗(yàn)段檢測(cè)成果滿足設(shè)計(jì)要求的前提下開(kāi)始正式施工,2016年10月31日,瀝青混凝土心墻壩填筑至初期下閘蓄水高程2 310 m。2017年1月,瀝青混凝土心墻填筑至設(shè)計(jì)高程2 333 m。

在心墻瀝青混凝土施工完成后,通過(guò)對(duì)2 224 m、2 260 m、2 298 m、2 313 m高程段鉆孔取芯試驗(yàn)檢測(cè),芯樣密度、孔隙率、滲透系數(shù)、力學(xué)指標(biāo)等均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求,全部合格。具體指標(biāo)詳見(jiàn)表7。

表7 試件各指標(biāo)檢測(cè)值

6 結(jié)語(yǔ)

在去學(xué)水電站心墻瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)中,通過(guò)嚴(yán)格控制瀝青混凝土原材料檢測(cè),選擇適合高壩瀝青心墻防滲、防劈裂要求的原材料?？茖W(xué)、規(guī)范進(jìn)行配比試驗(yàn),推薦施工配合比,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,確保了去學(xué)水電站高壩心墻防滲滿足設(shè)計(jì)要求。