振捣式沥青混凝土防渗心墙施工模拟试验优化方案

（一）施工模拟试验条件

SD220—87《土石坝碾压式沥青混凝土防渗墙施工规范（试行）》中规定，沥青混凝土防渗墙正常施工日的气象条件为：日平均气温在5℃以上，日降雨量小于5mm。若完全按照施工规范规定的气象条件施工，则尼尔基工程沥青混凝土防渗心墙在预定的工期内难以完成。由于浇筑式沥青混凝土防渗心墙施工时不受环境温度的限制，碾压式沥青混凝土可以在-15℃以上环境温度下通过采取一定的保温防护措施进行冬季施工。考虑到振捣式沥青混凝土是在浇筑式沥青混凝土的基础上开发出来的沥青混凝土防渗心墙施工技术，理论上应该与浇筑式沥青混凝土一样，不受施工环境温度影响，为此，对常温、低温和负温振捣式沥青混凝土进行了施工模拟试验研究，施工试验结果将系统地评价振捣式沥青混凝土的施工控制环节、质量的可靠性与保证措施的可操作性。

振捣式沥青混凝土低温和负温施工试验场地长50m，常温施工试验场地选在坝上心墙下游，按试验要求进行了场地平整和碾压。低温和负温施工试验采用中水一局自制的拌和设备拌和振捣式沥青混凝土，沥青混凝土混合料铺注采用人工立模及机械滑模浇注入仓成型，滑模施工试验采用自行设计的滑模设备作为模板，振捣式沥青混凝土入仓采用自制的保温料斗浇注。常温施工试验采用碾压式沥青混凝土施工用拌和系统制备振捣式沥青混凝土混合料，用摊铺机械铺注沥青混凝土混合料；施工时段内气温在-1．5～7．2℃、-4～-25℃、常温（14～23℃）范围内，风力3～4级，满足风力小于4级的要求，从混合料浇筑开始到结束气温呈上升趋势。

（二）试验用施工配合比

在推荐的振捣式沥青混凝土施工配合比的基础上调整了沥青混凝土的矿料级配，即降低粗骨料含量，增加细骨料和矿粉的含量，调整沥青混凝土中沥青的含量分别为7．5%、8．0%、8．5%，具体详见表4-27。

表4-27　振捣式沥青混凝土低温施工配合比

（三）振捣式沥青混凝土混合料温度

沥青混凝土入仓浇筑温度受骨料级配、沥青含量、环境条件、振捣方式与时间、混合料温度等诸多因素影响，在低温、负温施工时应根据工程实际情况进行合理选择。根据尼尔基等北方寒冷地区沥青混凝土防渗心墙的拌和、运输、仓面施工的实际情况，振捣式沥青混凝土的拌和温度及入仓温度较碾压式沥青混凝土应适当提高，即沥青加热温度控制在160～170℃；矿料的加热温度控制在180～190℃；沥青混凝土混合料出机口温度控制在165～175℃，沥青混凝土混合料入仓浇筑温度控制在146～166℃。若出机口温度太高，易造成沥青混凝土中的沥青老化，对沥青混凝土耐久性产生不利影响，影响沥青混凝土的防渗性能；若入仓温度太低，则沥青混凝土混合料粘度增大，不仅振捣难度增加，而且沥青混凝土没有充足的时间愈合自身缺陷，同样会影响沥青混凝土的防渗性能。振捣式沥青混凝土负温施工研究试验中沥青混凝土混合料温度如表4-28所示。

表4-28的检测结果表明，振捣式沥青混凝土混合料入仓、振捣及振捣后的温度均在控制范围内，而且在振捣施工过程中温降幅度较小。即当环境温度大于-15℃时，环境温度对振捣式沥青混凝土混合料的施工温度损失不构成影响；当环境温度在-15～-25℃范围内时，环境温度对振捣式沥青混凝土混合料的施工温度损失影响较小（温降幅度在3～5℃），这与振捣式沥青混凝土混合料的铺料长度和振捣速度有关系。在振捣速度满足沥青混凝土混合料铺料施工进度的前提下，施工环境温度对沥青混凝土混合料的温度损失影响不大，不是影响振捣式沥青混凝土施工的主要因素。只要保证振捣式沥青混凝土具有适宜的和易性和振捣密实性，就可以保证振捣式沥青混凝土的防渗可靠性。而保持振捣式沥青混凝土具有适宜的和易性和振捣密实性的方法主要是指选择适宜的振捣式沥青混凝土配合比和起振温度。因此，在振捣式沥青混凝土负温施工过程中要经常检测沥青混凝土混合料温度损失，决定是否采取保温铺盖措施，以防止振捣式沥青混凝土混合料温度损失。振捣式沥青混凝土施工过程如图4-24～图4-26所示。

表4-28　振捣式沥青混凝土混合料温度检测试验结果

图4-24　振捣式沥青混凝土入仓浇注

图4-25　振捣式沥青混凝土仓内振捣

（四）振捣式沥青混凝土振捣设备

图4-26　振捣式沥青混凝土常温施工过程图

由于振捣式沥青混凝土是一种沥青含量介于碾压式沥青混凝土与浇筑式沥青混凝土之间的沥青混凝土，其沥青含量较浇筑式沥青混凝土低，自密实性能较浇筑式沥青混凝土差，用振捣棒振捣时，振捣棒拔出后在沥青混凝土内部留下的棒孔难以自流密实，而用平板振捣器振捣又很难使底层沥青混凝土混合料密实。针对上述情况，我们经过数十次试验，研制成功了一种新型的沥青混凝土振捣器——刀式沥青混凝土振捣器，解决了振捣式沥青混凝土难以密实的难题，使得振捣式沥青混凝土可以在实际工程中进行应用。

（五）试验成果分析1.低温施工试验结果分析

在-1．5～7．2℃的温度范围内，振捣式沥青混凝土在完成入仓浇注、振捣密实、静置冷却后进行钻芯取样，通过钻芯取样检测低温施工后的振捣式沥青混凝土的容重、密度、孔隙率等性能指标，以确定振捣式沥青混凝土达到最佳施工效果的低温振捣施工方案。

从表4-29可以看出，振捣式沥青混凝土在-1．5～7．2℃的温度范围内芯样孔隙率均能满足设计要求，这说明振捣式沥青混凝土低温施工是可行的。在试验时尽管我们采用了两种振捣方式：刀式振捣器振捣2遍+平板振捣器振捣1遍和刀式振捣器振捣1遍+平板振捣器振捣1遍，但两种方式施工的沥青混凝土孔隙率并无太大差别，因此，振捣式沥青混凝土施工采用刀式振捣器振捣1遍+平板振捣器振捣1遍的方式进行振捣。

表4-29　振捣式沥青混凝土低温施工试验研究成果

2.负温施工试验结果分析

在-4～-25℃温度范围内，振捣式沥青混凝土在完成入仓浇注、振捣密实、静置保温冷却后进行钻芯取样，通过钻芯取样检测低温施工后的振捣式沥青混凝土的容重、密度、孔隙率、小梁弯曲试验等性能指标，以确定振捣式沥青混凝土达到最佳施工效果的负温振捣施工方案，具体试验结果如表4-30所示。

表4-30　振捣式沥青混凝土负温施工研究试验成果

注 上述配合比的芯样抗渗试验结果均不渗漏。

表4-30的试验结果表明，随着模拟施工试验场次的增加，施工技术人员逐渐掌握了沥青混凝土混合料的计量精度、拌和时间、起振温度，沥青混凝土施工后的密实度逐渐提高；对于起振温度而言，起振温度愈高，沥青混凝土的密实性愈好。综合沥青混凝土的技术性和经济性，当振捣式沥青混凝土混合料的起振温度在140℃以上时，振捣后沥青混凝土的密实性就可以满足设计要求了。为安全起见，振捣式沥青混凝土混合料的起振温度应控制在150～160℃之间比较合理。

沥青混凝土与滑动模板之间的无纺布不仅可以有效地隔开沥青混凝土与滑动模板（详见图4-27），确保沥青混凝土不粘滑动模板而顺利施工，而且还具有一定的保温隔热效果，延缓热沥青混凝土混合料的降温速度，确保热沥青混凝土混合料不因降温速度过快而产生裂缝，保证了沥青混凝土的匀质性。此外，由于在振捣完毕后对沥青混凝土采取了适当的保温措施，保证了沥青混凝土具有充足的时间进行自身愈合，确保了振捣式沥青混凝土心墙层间结合状况良好（详见图4-28）。(www.xing528.com)

图4-27　振捣式沥青混凝土与过渡料之间的界面状况

图4-28　振捣式沥青混凝土芯样侧视图、剖面图

图4-29～图4-31的试验结果表明，随着沥青混凝土沥青含量的增加，沥青混凝土的抗弯强度和劲度模量逐渐减小，应变逐渐增大，符合沥青混凝土的一般规律。综上所述，振捣式沥青混凝土的施工控制指标和标准配合比如表4-31所示。

图4-29　沥青含量与抗弯强度关系曲线

图4-30　沥青含量与应变关系曲线

图4-31　沥青含量与劲度模量关系曲线

3.常温施工试验结果分析

为了提高振捣式沥青混凝土机械化施工水平，我们在2005年6月14日利用尼尔基水利枢纽工程主坝沥青混凝土防渗心墙施工用摊铺机械进行了振捣式沥青混凝土机械摊铺场外模拟施工试验，从现场取样抽提结果看，试验所用混合料的矿料级配及沥青含量均符合设计要求，沥青混凝土芯样孔隙率全部满足设计要求，具体详见表4-32和表4-33。

表4-31　振捣式沥青混凝土的施工控制指标及标准配合比

表4-32　振捣式沥青混凝土混合料抽提结果

表4-33　振捣式沥青混凝土芯样孔隙率检测结果

注 2005年6月16日取样，以试验段西侧端点为取样相对零点进行取样。

（六）试验小结

施工模拟试验结果表明，浇筑式沥青混凝土防渗心墙的新型结构形式与施工工艺和振捣式沥青混凝土防渗心墙的结构形式、控制指标及其施工工艺具有明显的技术优势，发明的振捣式沥青混凝土的振捣设备解决了以往浇筑式沥青混凝土的分层离析难题，保证了沥青混凝土防渗心墙的整体均匀性，完善了沥青混凝土防渗心墙的施工工艺和施工技术。具体成果如下：

（1）提出的复合振捣式沥青混凝土防渗心墙的结构形式是科学合理的，采用的无纺布不仅可以提高复合振捣式沥青混凝土防渗心墙的整体刚度，而且还可以有效地隔开沥青混凝土与模板的粘连，起到隔离保温的效果。

（2）提出的振捣式沥青混凝土控制指标及其施工工艺具有很强的实用性，其性能介于碾压式沥青混凝土和浇筑式沥青混凝土之间，可以满足沥青混凝土防渗心墙的实际需要。

（3）在适宜的沥青混凝土混合料温度下，使用振捣式沥青混凝土专用振捣设备可以有效地解决振捣式沥青混凝土的密实问题。

（4）设计的滑（提）模施工工艺可以满足沥青混凝土防渗心墙的施工需要，在不采取加热措施的情况下可以保持振捣式沥青混凝土心墙的层间结合良好。

（5）在-25℃以上环境温度范围内，只要确定适宜的振捣式沥青混凝土配合比和起振温度，就可以保证振捣式沥青混凝土防渗心墙的施工质量满足设计要求。

（6）无纺布与沥青混凝土心墙结合良好，过渡料与沥青混凝土心墙间无侵占现象。

（7）综合分析试验研究结果，确定的振捣式沥青混凝土施工控制指标和配合比如表4-31所示。

（8）振捣式沥青混凝土负温施工时，沥青混凝土混合料入仓温度应在150～170℃之间；振捣完毕后应对沥青混凝土采取适当的保温措施，以保证沥青混凝土有充足的时间愈合自身缺陷。

（9）振捣式沥青混凝土不需要采用减压渣油调配沥青，受原料市场约束较小，配料方便，具有很大的推广应用价值。

（10）振捣式沥青混凝土具有施工机械设备简单、操作方便、对环境适应性强、造价较低等特点，可以有效地延长寒冷地区沥青混凝土防渗心墙的施工工期，在大、中、小水利水电工程中具有广阔的应用前景。