沥青混凝土心墙坝综述

沥青混凝土是用沥青将天然或人工矿物骨料、填充料及各种掺加料等胶结在一起所形成的一种人工合成材料。它具有良好的柔性，能较好的适应结构的变形；其次它具有优越的耐久性和防渗性；再则在严寒地区、高山或潮湿多雨地带都可迅速施工；另外当温度达到一定范围时，它又近于熔融状态，很便于修补。因此，非常适应做水工结构的防渗体。 一、国内外使用沥青混凝土作为防渗体的概况 以沥青混凝土作为防渗体的堆石坝始于20世纪30年代，至今已建造了200多座沥青混凝土面板堆石坝、沥青混凝土作为衬砌护面的库岸和一定数量的沥青混凝土心墙坝。 早期在国内建设的以沥青混凝土作为防渗体的堆石坝在运行过程中，由于部分工程的设计、施工水平以及沥青品质等问题，致使工程出现了问题。如牛头山沥青混凝土斜墙沙砾石坝，自1988年以来水库拱进行了六次全面检查，发现了大量的裂缝，左右岸齿墙接头部位均发现有贯穿裂缝。至2002年对牛头山沥青混凝土沙砾石坝已进行了四次修补，第一次修补：采取沿缝凿T型槽，红外线烘烤，然后回填原级配沥青混凝土的方法，使用这种方法，由于开凿面采用红外线反复烘烤，加速了沥青混凝土的老化，结合部位存在薄弱环节，使原来的一条缝变成了两条缝，因此此种方案修补不成功；第二次修补：采用便面粘贴SBS防水卷材，卷材用喷灯加热后粘贴，然而SBS的抗拉强度相当低，卷材出现被拉裂现象，因此这种修补方案也不成功；第三次：采用表面粘贴氯化聚乙烯防水卷材，卷材与斜面用胶水冷贴，然而此种方法存在脱胶现象，另外卷材的覆盖使裂缝的宽度被隐蔽，会给大坝留下严重安全隐患；目前牛头山水库正用钢筋混凝土面板代替沥青混凝土面板进行防渗（从修补的过程来看，该水库大坝有不均匀沉陷的现象，而这种沉陷随着时间的推移在一直不断加深，在产生这样沉陷的情况下，如果用混凝土面板来防渗能保证大坝的渗漏在一定范围之内，那么用混凝土面板防渗的确是不错的选择。当然该坝坝体出现渗漏也并不能说全是防渗面板出现的问题，坝体的不均匀沉降是主要原因）。因此，国内普遍对采用国内技术进行沥青混凝土施工缺乏信心，目前大多数水工沥青混凝土工程都在欧洲。关于国内以沥青混凝土作为防渗体的堆石坝的修建，七十年代时我们国家修建了一部分这样的工程，但一些工程出现了问题，因此八十年代以后用沥青混凝土作为大坝防渗体的方案很少被采纳。九十年代以后随着天荒坪抽水蓄能电站（采用沥青混凝土面板防渗）、三峡工程茅坪溪土石坝（采用沥青混凝土心墙防渗）、四川南垭河冶勒工程（采用沥青混凝土心墙防渗）、河北张河湾抽水蓄能电站（上库采用沥青混凝土面板防渗）等工程的修建，以沥青混凝土作为防渗体的技术才又开始发展。 国外已建的水工沥青混凝土工程，大多数运行良好，发挥了预定的功能，当然也出现了一些问题。如CASTELLO坝在第一次蓄水时，在面板与底座处出现了50m长的张拉裂缝。另外还有一些工程的面板由于结构、施工质量、环境气候、沥青老化等因素出现了问题，影响运行。 二、沥青混凝土的原材料 沥青混凝土主要组成材料包括沥青、骨料、填充料。 1、沥青 沥青是沥青混凝土中的有机胶结材料，由碳氢化合物及非金属衍生物组成。在常温条件下呈固体、半固体或黏稠液体，不导电。 （1）沥青的分类 根据沥青材料的来源，可以将沥青分为地沥青和焦油沥青，其中地沥青还可以进一步分为石油沥青和天然沥青。另外目前也出现了改性沥青。 天然沥青是石油与岩层、岩石长期相互作用后形成的残留物。 焦油沥青是干馏煤、木材、油母页岩、泥炭等有机材料所得的副产品。焦油沥青与石油沥青来源不同，化学成分不一样，性能也有所不同。焦油沥青塑性差，温度敏感性较大，黏度变化大，施工难以控制。同时游离碳含量高，在大气中不够稳定，易老化。另外焦油沥青中含有有毒物质所以水利工程中一般不采用焦油沥青。 石油沥青是将石油炼制后残余的渣油，在适当工艺处理后得到的产品。根据处理工艺不同，石油沥青又可分为直镏沥青、氧化沥青、溶剂脱油沥青。直镏沥青是将渣油经减压真空深拔或者经轻度氧化处理后得到的产品；氧化沥青是将渣油加热并吹入空气氧化，使其缩合成更高的分子，而得到的粘度更高的产品，常温下呈固体；溶剂脱油沥青是对石蜡基原油的渣油经溶剂沉淀除去个别组分后得到的产品或半成品。石油沥青只是在施工中对操作员有一定的危害（沥青在施工过程中要加热到1000C以上，沥青中少量的有害物质挥发），而在正常运行情况下石油沥青是无害的。因此，目前工程中使用的都是石油沥青。本报告中后面也只是对石油沥青展开论述。 改性沥青是通过向沥青中添加各种聚合物或其他材料从而使其一方面或多方面的性质得到改善的沥青。改性沥青在解决公路面层抗冻裂、防重载、抗车辙等方面已得到了广泛的应用，然而在水利工程上应用还不是十分广泛。 （2）沥青的化学组成 石油沥青是由复杂的碳氢化合物与其非金属衍生物组成的混合物，是石油中分子量最大、密度最大、结构最复杂的成分。出于分析技术的限制，要将沥青中各种化合物的单体分离出来目前还很难办到。根据国产沥青的特点，目前我过多将沥青分为以下组分。 油分。油分为粘性液体，主要起柔软和润滑作用，赋予沥青以流动性，是优质沥青不可缺少的组分。 胶质。胶质为半固体粘稠物质，性质介于油分与沥青质之间，但更接近于沥青质。胶质能溶于各种石油产品中，在加热、阳光与空气作用下易氧化缩合，部分转化为沥青质。胶质能提高沥青的粘弹性，对其胶体溶液的形成具有重要作用。 沥青质。沥青质为黑色易碎的粉状固体，它作为胶体溶液的核心分散在其它组分中。沥青质含量的增多可以提高沥青的软化点、改善感温性，使沥青在较高温度下仍具有较大的粘度。 蜡。石油中蜡分为石蜡和地蜡，地蜡坚韧且有一定塑性，石蜡则型脆易裂，因此蜡对沥青性质的影响极其复杂，至今尚无一致意见。虽然学者在这一点意见不很同意，但是我过目前对沥青中蜡含量还是由规定的。 （3）沥青的性能评价 针入度。以一根已知荷重的标准针，在一定时间及温度条件下，垂直插入沥青的深度来表示，单位为10-1mm。目前我国采用针入度对沥青进行分级。针入度表征沥青的粘性，针入度小，则粘度大，沥青质硬；针入度大，则粘度小，沥青质软。 软化点。沥青的液体和固态之间没有确切的熔点温度，而是一个很大的温度间隔，通常是选择硬化温度和滴落温度之间温度间隔的82.21%温度点作为软化点。软化点既可反映沥青的感温性，也是其粘度的一种度量方法。 延度。将沥青制成8字形标准试件，最小断面1cm2，将试件没入水中，在规定温度下，以5cm/min的拉伸速度拉伸试件，至拉断时试件拉伸的长度即为延度。延度表征沥青变形能力。针入度、软化点、延度是沥青的三大主要技术指标，基本可以反映沥青材料的主要性质。 密度。沥青的密度是沥青试样在制定温度下单位体积所具有的质量。它是反应沥青分子致密程度的指标，外界因素特别是温度对沥青密度的影响较大。 脆点。脆点是沥青在低温下引起脆性破坏的温度，它反映了沥青从粘-弹性状态转变为弹-脆性状态的温度。 闪点。沥青被加热到一定温度时，沥青中的轻质油分挥发，与周围空气形成混合其它，当这一混合气体达到一定浓度和温度时，遇火就能闪光，此时的温度即为沥青的闪点。沥青的闪点表征沥青的安全指标。 粘附性。沥青的粘附性是指沥青与石料之间相互作用所产生的物理吸附和化学吸附的能力。沥青的粘附性的优劣对沥青混凝土的强度、水稳性以及耐久性都有很大影响。 （关于各个沥青产地产生的沥青性能不同问题，由于手头资料不足，我并没有很好的认识） 2、骨料和填充料 骨料是沥青混凝土结构的骨架，占沥青混凝土质量的80%左右。骨料可以分为粗骨料、细骨料以及填充料。在水工沥青混凝土中，粗骨料通常被定义为粒径大于2.5mm的粒料，细骨料通常是指粒径位于0.074——2.5mm之间的粒料，填充料则是粒径小于0.074mm的粒料。 骨料宜采用性质稳定、质地坚硬的岩石加工而成；骨料中针片状颗粒的含量应该较少；骨料表面应清洁干净；选择骨料应尽量选择碱性骨料，当需用酸性或中性岩石时，必须经过充分的论证。 三、沥青混凝土的性能 1、渗透性 对于沥青混凝土，其抗渗性与孔隙率有很大关系，孔隙率越小，渗透系数越小。当孔隙率小于4%时，渗透系数可以小于10-7cm/s，当孔隙率小于3%时，沥青混凝土基本是不透水的；同时，渗透系数与时间也有关，时间历时越长，渗透系数越小，而这种现象正好就是沥青混凝土在水头作用下自愈的表现。严格的说，达西定律并不使用于沥青混凝土，甚至对于10-4cm/s渗透系数量级的沥青混凝土也不使用，对于密级配沥青混凝土偏离达西定律更为严重，当水压提高一个数量级时，渗透系数可能减少一个数量级。（关于达西定律不适用于沥青混凝土的情况，现实中可以通过实验解决这种情况，当然这不能从根本上解决问题，我们需要真正认识沥青混凝土渗透机理，而沥青混凝土的自愈现象使研究沥青混凝土渗透机理更加困难） 2、感温性 沥青混凝土的感温性在很大程度上取决于沥青材料的性质、沥青与矿料的粘接强度、骨料级配类型以及沥青混合料的均匀性等，它主要表现在高温流淌和低温脆性破坏两个方面。 沥青混凝土的低温开裂主要是因为：○1低温时收缩变形。○2温度骤降时温度产生的应力增加超过了应力松弛的速度，因此在沥青混凝土内出现了剩余应力，当这种剩余应力超过沥青混凝土的极限拉伸强度时，便产生开裂（关于这一点我不知道是由于内外温度的不同从而产生了温度的应力，还是什么）。沥青混凝土低温抗裂性能的评价目前比较流行的是美国公路占了研究计划提出的约束性试件温度应力试验（关于此试验，我还没有找到详细的资料）。 由于沥青混凝土心墙坝不存在心墙高温失稳问题，因此关于此问题，目前的研究都是围绕沥青混凝土面板防渗结构展开的。关于沥青混凝土高温性能评价，目前我国普遍采用的是马歇尔试验（马歇尔试验好像是一个综合性的实验，因为好多地方都在提它，它好像可以测量评价沥青很多方面的性能）。 3、力学变形特性 沥青混凝土是典型的粘—弹—塑性，在低温状态下、小变形范围内表现为线性粘弹性，在高温状态下、大变形流动范围内表现为粘塑性，而在过渡范围内则表现为一般粘弹性。目前水工建筑结构中对沥青混凝土常规力学性能要求的技术指标包括稳定度、流值、抗拉强度、抗压强度及抗剪切强度等。而这些参数的确定都是按照土工试验规程要求获取的，而沥青混凝土力学性能对温度变化的敏感性使得通过土工试验获得的力学性能参数不能很好的反应沥青混凝土的特性。关于沥青混凝土力学性能参数的获得也许还有待于进一步的研究，目前在国内外土石坝的设计中，广泛采用的是邓肯—张的非线性弹性计算模型（关于该计算模型，我还没有认识，我想在寒假期间查找此方面的资料）。 4、耐久性 影响沥青混凝土耐久性的原因很多，有些文献中将其分成三条：