豐滿水電站防滲掛板瀝青混凝土配合比解析及長期耐久性試驗研究

李中田,王 鵬,李 鑫,馬智法

(1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 ；2.洮南市防汛抗旱服務中心，吉林 洮南 )

對混凝土重力壩裂縫滲漏加固處理而言，瀝青混凝土掛板具有防滲效果好、適應壩體變形能力強、施工工藝簡單等優點，如能放空庫水進行修補，可達到根治壩體裂縫滲水的效果。

吉林豐滿水電站混凝土老壩全長1080 m，共分60個壩段。大壩始建于1937年，1942年蓄水，1945年停建，1953年續建完成。由于大壩工程的施工質量低劣，一直存在壩體滲漏、溶蝕、凍融破損等問題，影響著大壩的正常運行，需要進行防滲補強處理。20世紀90年代，決定在豐滿水電站大壩上游面高程226～245 m的19 m高程范圍內(常年水位以下)采用澆筑式瀝青混凝土防滲面板方案進行補強處理。

1 材料與方法

豐滿水電站防滲掛板瀝青混凝土的膠結材料為瀝青、渣油的摻配瀝青，礦質混合料為碎石、人工砂、填料和石棉組成。

1.1 瀝青

本工程選用的是大慶減壓渣油進行瀝青摻配。從表1可以看出，通過瀝青摻配試驗分析得出：摻入渣油后試配瀝青的針入度指數變小，屬凝膠結構，同時具有溫感系數小，抗流變性好的特點，同時針入度較大適宜澆筑施工，綜合評價瀝青摻配后適應其運行工況并滿足施工要求。

表1 瀝青摻配試驗

1.2 石棉、填料

1.2.1 石棉

石棉纖維具有極大的比表面積，因此與普通瀝青混凝土相比，摻石棉纖維的瀝青混凝土還具有瀝青含量高、抗老化性能好等特點，本次試驗用石棉密度為2.61 g/cm3。

1.2.2 填料

石灰粉細度試驗結果表明：0.15 mm篩孔通過率為100%，0.074 mm篩孔通過率為95%，密度為2.74 g/cm3，親水系數為0.89，均符合技術要求。

1.3 骨料

粗、細骨料均為明城石灰石軋制的碎石和人工砂。

1.3.1 粗骨料

粗骨料視比重為2.68 g/cm3，用水煮法做粗骨料與瀝青黏結力試驗，結果表明：石料表面與瀝青的黏結力達到五級，黏結性為優。篩析試驗的顆粒級配見表2。

表2 粗骨料篩分結果

1.3.2 細骨料

細骨料的視比重為2.70 g/cm3，通過細骨料的水穩定等級試驗，瀝青與細骨料的黏著性指數達到10級，篩析試驗的顆粒級配見表3。

表3 細骨料篩分結果

1.4 瀝青混凝土配合比的選定

澆筑式瀝青混凝土是瀝青含量較多的瀝青混凝土，有自行密實能力，防滲性能好。為了使瀝青混凝土在施工時具有一定的和易性，防止骨料分離，并保證防滲面板運行期的安全，要合理選擇材料，正確進行配合比設計[1]。需要按照密實礦物混合料的原則選配，參照經驗曲線范圍選擇混合料配比，得到其礦物混合料級配(石棉除外)如表4。

表4 礦料級配表

根據瀝青混合料試拌結果，最終確定瀝青混凝土配合比如表5。以上三種配合比的瀝青混凝土在室內溫度控制在150～180 ℃時拌和，澆筑試驗和易性都比較好，并且不產生離析現象。90-1號配合比試件測試的孔隙率最小，密實度最佳。

表5 瀝青混合料成型配料單

2 瀝青混凝土的物理力學試驗

2.1 抗壓強度、水穩定系數試驗

抗壓強度試驗是試件在20 ℃的恒溫條件下，軸向變形速度為5 mm/min的極限抗壓強度。水穩定系數達到標準是瀝青混凝土防滲面板的基本要求之一。試件應在水的長期浸泡下使黏附于礦質材料的瀝青膜不產生剝離現象，保持內部結構的穩定，從而保證長期的防滲效果[2-3]。

瀝青混凝土的耐水性試驗是一組在49 ℃水中恒溫放置四晝夜后移至20 ℃恒溫中的試件與另一組干放在20 ℃恒溫中的試件的抗壓強度對比試驗。它們的比值即為水穩定系數，系數愈大(接近1.0)，耐久性越好。結果表明浸水試件的強度沒有損失(一般耐水性系數達到0.85就符合技術要求)，表明瀝青混合料的耐水性符合要求。

2.2 柔性試驗

柔性試驗是為了測定瀝青混凝土的極限變形能力。澆筑式瀝青混凝土具有變形良好的特點，因而更能適應壩體的整體和局部變形。計算的撓跨比和受拉面應變列于表6。表中列出了四種不同溫度條件下的結果。根據混凝土壩的變形性能，再加上外側鋼筋混凝擋板的保護，瀝青混凝防滲層完全能適應壩體的變形而不致開裂。

表6 瀝青混凝土性能結果

2.3 三軸剪切試驗

瀝青混凝土的三軸剪切試驗是把直徑為10 cm，高為20 cm的圓柱狀試件置于三軸壓力室內，在溫度為11±1 ℃下以不同圍壓，軸向為0.1 mm/min的加壓(變形)速度下做剪切試驗，直到軸向壓力達到峰值。90-1配合比的瀝青混凝土凝聚力c為0.225 MPa，內摩擦角為6°46′，90-2配合比的瀝青混凝土黏聚力c為0.185 MPa，內摩擦角為10°16″。

以上兩種配合比的瀝青混凝土凝聚力都比較大，這與瀝青的針入度指數較大有關，也與瀝青混凝土中的尖角骨料有關。

2.4 配合比結論

(1)大慶氧化瀝青針入度指數大，抗流變性好，具有良好的力學穩定性[4]。由石灰石軋制的粗、細骨料和填料，屬于堿性礦質材料，和瀝青黏附后，可以抵抗水的長期剝離作用，骨料具有尖角可以提高瀝青混凝土的力學穩定性。

(2)試驗結果表明，瀝青混凝土的耐水性優良，柔性能適應工程的實際變形能力，密實良好，防滲可靠。

(3)三軸剪切試驗表明，瀝青混凝土具有一定的內摩擦角和較高的凝聚力，用于豐滿大壩上游面防滲面板的具體條件下，其力學穩定性是可靠的。在防滲面板的結構設計中，鋼筋混凝土擋板除了在施工階段是澆筑瀝青混凝土的模板外，在運行期間又對瀝青混凝土起重要的保護作用。防滲層長期處于水下，溫度變化幅度小，更加穩定可靠。

(4)試驗結果表明，90-1號配合比，即瀝青10%、渣油5%、石棉5%、石灰粉12%、細骨料36%、粗骨料32%更能滿足各項技術要求，可作為施工用配合比。

3 長期運行后瀝青單質及瀝青混凝土性能研究

該配合比于1999年應用豐滿水單站大壩上游面修補施工，隨著工程重建，有機會將原施工所用的瀝青混凝土取樣進行再次性能檢測，考證瀝青混凝土的長期性能變化趨勢。

3.1 瀝青單質試驗

本研究利用溶解、過濾、蒸餾等手段，將瀝青單質由瀝青混合料中提取出來，進行主要指標檢測，結果如表7所示。由數據可以看出瀝青單質性質變化不大，說明在水下運行，瀝青單質老化進程緩慢。

3.2 瀝青混凝土性能

利用拆壩過程所取的瀝青混凝土芯樣，進行耐久性、彎曲試驗，試驗結果如表8所示，與瀝青混合料配合比數據比較差異不大，反應澆筑式瀝青混凝土在水下老化進程緩慢。

表8 老壩瀝青單質試驗

4 結論及建議

通過瀝青單質、瀝青混凝土多年后的試驗性能比較，得出澆筑式瀝青混凝土，由于瀝青含量較高，不易受水侵蝕發生老化。