郝巨濤，劉增宏，汪正興

（1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 引言

瀝青混凝土以其防滲性能優(yōu)異、適應(yīng)基礎(chǔ)變形能力強(qiáng)、一旦出現(xiàn)缺陷便于修補(bǔ)和工程維護(hù)等特點(diǎn)，在我國(guó)水利水電工程中獲得了越來越多的應(yīng)用，其優(yōu)異性能也逐漸被工程界所認(rèn)識(shí)。近20年來，我國(guó)瀝青混凝土防滲工程建設(shè)技術(shù)水平有很大提高，這與國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)瀝青的生產(chǎn)供應(yīng)能力、國(guó)外機(jī)械化施工技術(shù)的借鑒吸收、抽水蓄能電站及大中型土石壩建設(shè)的快速發(fā)展密不可分。在天荒坪、張河灣、西龍池等工程借鑒國(guó)外工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，隨著茅坪溪、尼爾基、冶勒、寶泉、呼和浩特等工程的成功建設(shè)，我國(guó)目前已經(jīng)能夠獨(dú)立建設(shè)瀝青混凝土防滲工程，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化精準(zhǔn)施工和以孔隙率控制為核心的質(zhì)量控制。在瀝青混凝土面板防滲工程方面，初步建立了具有我國(guó)特色的低溫抗裂和斜坡穩(wěn)定控制設(shè)計(jì)方法，20世紀(jì)七八十年代我國(guó)瀝青混凝土防滲工程中常見的斜坡高溫流淌、低溫開裂等問題已基本得到解決，并建成了世界上環(huán)境溫度最低的呼和浩特抽水蓄能電站瀝青混凝土面板防滲工程。近年來，依托已運(yùn)行20年的天荒坪瀝青混凝土面板工程，有關(guān)面板老化特性和修補(bǔ)措施的研究正在進(jìn)行。在心墻方面，雙橋等心墻壩工程已開展了酸性骨料應(yīng)用嘗試，以擴(kuò)大水工瀝青混凝土的適用范圍。隨著去學(xué)水電站等高瀝青混凝土心墻壩的建設(shè)，對(duì)特殊情況下的心墻水力劈裂問題的研究也有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。本文對(duì)當(dāng)前瀝青混凝土防滲技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵問題和工程實(shí)踐進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，包括斜坡熱穩(wěn)定問題、低溫抗裂問題、面板老化評(píng)估、酸性骨料適用性、高心墻壩水力劈裂問題等，并就相關(guān)技術(shù)的未來發(fā)展提出了看法。

2 瀝青混凝土面板的斜坡熱穩(wěn)定性

斜坡熱穩(wěn)定性是瀝青混凝土面板防滲工程中的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。瀝青混凝土面板在烈日曝曬下表面溫度可達(dá)到70℃以上，導(dǎo)致瀝青變軟，可使面板在自重下順坡向流淌，出現(xiàn)向下壅包，壅包上方可出現(xiàn)橫向開裂。面板一旦出現(xiàn)流淌壅包，一般每年都會(huì)出現(xiàn)新包，徹底修復(fù)難度很大，嚴(yán)重時(shí)就得拆除重做面板。1970年代末修建的河南南谷洞水庫瀝青混凝土面板防滲工程就曾發(fā)生面板流淌，1987年進(jìn)行第3次翻修后仍有流淌出現(xiàn)。2004年由中國(guó)水科院試驗(yàn)提出配合比方案并對(duì)局部實(shí)施翻修施工［1］，至今運(yùn)行良好。

瀝青混凝土面板的斜坡熱穩(wěn)定性除與材料配合比有關(guān)外，施工工藝是重要的影響因素。我國(guó)1990年代以前建設(shè)的瀝青混凝土防滲面板工程施工機(jī)械化水平低，造成現(xiàn)場(chǎng)拌制的瀝青混合料配合比與設(shè)計(jì)配合比偏差較大，攤鋪壓實(shí)水平也不高，是導(dǎo)致那個(gè)年代瀝青混凝土面板頻繁出現(xiàn)流淌的主要原因之一。1998年起，借鑒天荒坪工程的德國(guó)機(jī)械化施工經(jīng)驗(yàn)和公路施工建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)開展了碾壓式瀝青混凝土防滲體施工技術(shù)的系統(tǒng)研究［2］，主要研究結(jié)論是，國(guó)內(nèi)以往瀝青混凝土防滲工程存在的問題除與瀝青品質(zhì)有關(guān)外，施工機(jī)械化水平低是個(gè)重要因素；水利水電工程瀝青混凝土施工除部分設(shè)備可直接利用公路施工設(shè)備外，還應(yīng)對(duì)公路拌合站進(jìn)行調(diào)整以滿足拌料精度要求，開發(fā)斜坡攤鋪機(jī)、斜坡牽引臺(tái)車、心墻攤鋪機(jī)等設(shè)備，以滿足現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)孔隙率的要求，該項(xiàng)目還提出了設(shè)備改造和開發(fā)的具體建議。這些成果為我國(guó)后來的碾壓式瀝青混凝土機(jī)械化施工奠定了基礎(chǔ)［2］。2004年南谷洞瀝青混凝土面板翻修時(shí)，改造了國(guó)產(chǎn)公路LBl000型拌和站，包括增設(shè)熱料倉、填料計(jì)量裝置、熱料儲(chǔ)料罐等，使拌料精度滿足了工程要求。同時(shí)采用了配備預(yù)壓密實(shí)熨平器的國(guó)產(chǎn)小型LMP-03型斜坡攤鋪系統(tǒng)，確保攤鋪壓實(shí)后孔隙率滿足要求［3］。南谷洞的成功經(jīng)驗(yàn)為隨后的寶泉工程提供了借鑒。寶泉瀝青混凝土面板斜坡坡比1∶1.7，是我國(guó)第一座由國(guó)內(nèi)企業(yè)采用現(xiàn)代機(jī)械化施工技術(shù)自主建設(shè)的大型瀝青面板防滲工程，也我國(guó)同類工程中面板最陡的。寶泉工程面積達(dá)16.6萬m2，由于要求的施工強(qiáng)度高，工程中采用了大型LB2000型瀝青混合料拌合站和經(jīng)過改造的德國(guó)VOGELE 1800型攤鋪機(jī)，確保了瀝青混凝土的拌制質(zhì)量和壓實(shí)質(zhì)量［4-5］。寶泉的機(jī)械化施工技術(shù)在后來的呼和浩特瀝青混凝土面板工程中也得到了成功應(yīng)用。

除施工工藝外，瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)對(duì)其斜坡穩(wěn)定性也有重要影響，其中包括斜坡穩(wěn)定性室內(nèi)試驗(yàn)判定及試驗(yàn)方法問題。我國(guó)自20世紀(jì)七八十年代瀝青混凝土防滲技術(shù)起步至今，斜坡穩(wěn)定性一直采用依據(jù)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)提出的馬歇爾試件斜坡穩(wěn)定試驗(yàn)控制，要求在70℃×48 h下的斜坡流淌值不大于0.8 mm［6］。由于工程中普遍發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)鉆取的芯樣無法滿足這一要求，引發(fā)了工程界對(duì)這個(gè)參數(shù)的懷疑，有的工程甚至將0.8 mm的流淌閾值要求放寬到了2.0 mm。按照國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，如果瀝青混凝土能夠承受施工期的高溫保持穩(wěn)定，其運(yùn)行期的長(zhǎng)期穩(wěn)定也不成問題。同時(shí)國(guó)外的斜坡穩(wěn)定性采用切成兩半的馬歇爾試件進(jìn)行斜坡熱穩(wěn)定試驗(yàn)，提出斜坡穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)是，其一是在頭24 h內(nèi)的試件變形要小，其二是在第2個(gè)24 h內(nèi)試件變形基本不再增加。至于什么是變形小卻沒有規(guī)定，并認(rèn)為目測(cè)檢查變形的精度足夠，48 h的試驗(yàn)歷時(shí)足以了解斜坡穩(wěn)定性［7］。目前，《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL501-2010）已明確規(guī)定僅對(duì)馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件采用0.8 mm的流淌閾值控制，但是這一控制是否太嚴(yán)、能否放寬，前述的國(guó)外控制方法是否可行等問題，仍有待進(jìn)一步研究。

在瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)方面，早期防滲型瀝青混凝土強(qiáng)調(diào)材料的防滲性，注重孔隙率要小，同時(shí)考慮到瀝青混凝土的柔性要求，在配合比設(shè)計(jì)中傾向于采用較高的瀝青含量和較少的粗骨料，細(xì)骨料偏多，對(duì)此有的工程尤甚。張河灣的防滲層瀝青混凝土級(jí)配指數(shù)為0.24，瀝青油石比高達(dá)8%［8］。這種配合比的結(jié)果可導(dǎo)致瀝青混凝土中粗骨料被瀝青砂漿懸浮，不能形成相嵌咬合結(jié)構(gòu)，而溫度升高時(shí)瀝青砂漿易于流變，從而降低了瀝青混凝土的斜坡熱穩(wěn)定性?；谶@一認(rèn)識(shí)，寶泉上庫面板的配合比設(shè)計(jì)從瀝青混凝土結(jié)構(gòu)入手，借鑒公路SMA碎石瀝青混凝土的經(jīng)驗(yàn)［9］，提出采用高級(jí)配指數(shù)（n=0.35～0.45）形成穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)的理念。其思想是，以粗骨料形成抗流淌變形的穩(wěn)定骨架，以骨架中的適量（不是過量）瀝青砂漿和瀝青膠漿形成結(jié)構(gòu)防滲體，以獲得既能滿足斜坡穩(wěn)定（黏聚力和內(nèi)摩擦角均較大）、又能抗?jié)B耐久（孔隙率小于3%）的面板瀝青混凝土?；谶@一理念提出的高級(jí)配指數(shù)配合比設(shè)計(jì)方法，解決了寶泉工程1∶1.7斜坡、極端最高氣溫43℃下（面板表面溫度達(dá)80℃）的面板高溫穩(wěn)定問題，該工程運(yùn)行至今沒有任何流淌跡象。表1給出了同時(shí)期3個(gè)工程的瀝青混凝土配合比，從中可以看出，寶泉瀝青混凝土配合比中粗骨料相對(duì)多，填料用量及瀝青含量均較小。當(dāng)然，考慮到瀝青混凝土的柔性和適應(yīng)基礎(chǔ)變形能力，瀝青含量也不應(yīng)過低。

寶泉的工程經(jīng)驗(yàn)為水工瀝青混凝土防滲面板提供了借鑒。呼和浩特抽水蓄能電站上水庫及崇禮冬奧會(huì)配套項(xiàng)目太舞1#蓄水池的面板瀝青混凝土，即使使用了改性瀝青，從斜坡熱穩(wěn)定性方面允許采用較高的瀝青含量，采用的瀝青油石比也僅為7.2%。工程實(shí)踐表明，只要采用合適的配合比設(shè)計(jì)方法和施工工藝，可以根治我國(guó)以往瀝青面板斜坡熱穩(wěn)定性差這一頑疾。同時(shí)也應(yīng)看到，我國(guó)瀝青面板壩的最陡坡比是1∶1.7（如寶泉），國(guó)外的坡比則有做到1∶1.5的（如奧地利的Zirmsee壩、Osche?niksee壩等）［10］，德國(guó)修復(fù)Alz發(fā)電引水渠水泥混凝土面板襯砌時(shí)，曾在1∶1.25的陡坡上用橋式攤鋪機(jī)進(jìn)行了瀝青混凝土面板施工［11］，與這些工程相比，我國(guó)還有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)差距。

表1 國(guó)內(nèi)3座蓄能電站工程防滲層瀝青混凝土配合比的比較

3 瀝青混凝土面板的低溫抗裂性

暴露在空氣中的瀝青混凝土防滲面板，在冬季低溫和遭遇寒流時(shí)會(huì)發(fā)生收縮，由于面板自身或基礎(chǔ)的變形約束作用就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過自身拉伸強(qiáng)度時(shí)面板就會(huì)開裂發(fā)生低溫凍斷。我國(guó)早期修建的瀝青混凝土面板壩，如半城子［12］等，就遭受了嚴(yán)重的低溫凍斷破壞。奧地利的Hoch?wurten瀝青混凝土面板壩于1984—1985年冬也發(fā)生了坡向低溫凍斷［10］。

凍斷試驗(yàn)是評(píng)價(jià)瀝青混凝土低溫抗裂性能的一種直觀試驗(yàn)方法，可以測(cè)定瀝青混凝土在降溫過程中的溫度-應(yīng)力過程和凍斷溫度［13］，美國(guó)稱為約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)（TSRST），美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃（SHRP）推薦了此方法［14］。1980年代后期，西安理工大學(xué)結(jié)合瀝青混凝土面板的低溫抗裂研究，研制出了我國(guó)的瀝青混凝土凍斷試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)方法也納入了我國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（DL/T5362-2006）［15］。

瀝青混凝土面板的低溫抗裂設(shè)計(jì)包括兩方面的內(nèi)容。首先是低溫抗裂設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定，在建立了凍斷溫度參數(shù)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)后，如何確定具體工程的凍斷溫度指標(biāo)是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題之一，該指標(biāo)顯然與工程的極端最低氣溫有關(guān)。我國(guó)凍斷試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用的是200mm×40mm×40mm試件，試驗(yàn)中采用等速降溫控制溫度，降溫速率一般采用-30℃/h［15］。該標(biāo)準(zhǔn)方法與實(shí)際工程中的無限大/半無限大面板、面板單側(cè)經(jīng)受降溫且降溫速率隨機(jī)明顯不同。由于對(duì)此缺乏系統(tǒng)研究，我國(guó)目前采用的方法是，以當(dāng)?shù)貥O端最低氣溫并計(jì)入一定的溫度安全裕度來選定設(shè)計(jì)凍斷溫度指標(biāo)。在按照低溫設(shè)計(jì)的兩個(gè)瀝青混凝土面板工程中，西龍池上庫的極端最低氣溫為-34.5°C，選定的設(shè)計(jì)凍斷溫度為-38℃，溫度安全裕度為3.5℃［16］；呼和浩特上庫的極端最低氣溫為-41.8°C，選定的設(shè)計(jì)凍斷溫度為-45℃，溫度安全裕度為3.2℃［17］。經(jīng)調(diào)研，呼和浩特上庫瀝青面板工程是目前國(guó)內(nèi)外同類中氣溫最低的工程。

瀝青面板低溫抗裂設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要問題是研究提出滿足上述設(shè)計(jì)凍斷溫度指標(biāo)要求的瀝青混凝土。由于瀝青混凝土的低溫抗裂性能主要取決于所用的瀝青，該問題的核心是選擇或開發(fā)合適的瀝青。例如，寶泉上水庫極端最低氣溫-18.6℃，要求瀝青混凝土凍斷溫度不高于-30℃，選用遼河石化分公司生產(chǎn)的昆侖牌90號(hào)普通瀝青可滿足要求；張河灣上水庫極端最低氣溫-26℃，要求凍斷溫度-35℃，同樣使用遼河石化分公司生產(chǎn)的昆侖牌90號(hào)普通瀝青也可滿足要求；而西龍池上水庫工程要求凍斷溫度-38℃，因普通瀝青已不能滿足要求，該工程采用了SBS改性瀝青，其性能見表2；呼和浩特上水庫工程設(shè)計(jì)凍斷溫度-45℃，因市場(chǎng)上的改性瀝青不能滿足如此苛刻的要求，遂由中國(guó)水科院和盤錦中油遼河改性瀝青有限公司經(jīng)過一年多研究，開發(fā)出了5#水工改性瀝青，其性能見表2，滿足了工程需求［18］。西龍池和呼和浩特是目前國(guó)內(nèi)僅有的按照低溫凍斷溫度指標(biāo)進(jìn)行控制的兩個(gè)工程，西龍池、呼和浩特分別于2007年底和2013年底完工并蓄水，目前已經(jīng)歷冬季低溫多年，還沒有發(fā)現(xiàn)有凍裂現(xiàn)象。

瀝青混凝土的低溫凍斷溫度與所用瀝青的脆點(diǎn)和低溫延度之間存在一定相關(guān)性。表3給出了不同廠家和科研單位改性瀝青的相關(guān)數(shù)據(jù)，并可整理得到圖1，據(jù)此可以根據(jù)工程要求的瀝青混凝土凍斷溫度確定所需的改性瀝青5℃延度和脆點(diǎn)，對(duì)于改性瀝青選擇具有借鑒意義。

表2 西龍池、呼和浩特改性瀝青性能

表3 不同廠家改性瀝青低溫性能與瀝青混凝土凍斷溫度［18］

自西龍池上庫工程開始，我國(guó)瀝青混凝土防滲面板工程為應(yīng)對(duì)低溫凍斷問題已開始采用改性瀝青，并以凍斷溫度為控制指標(biāo)進(jìn)行瀝青混凝土的配合比設(shè)計(jì)。在呼和浩特上庫工程中，應(yīng)對(duì)的極端最低氣溫已低至-41.8℃，不論是與在-24.5℃下瀝青面板發(fā)生凍斷的我國(guó)半城子壩［12］相比，還是與已發(fā)生凍斷、并在修復(fù)加固中設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)-35℃低溫問題的奧地利Grossee壩［10］相比，我國(guó)在抗低溫凍斷指標(biāo)設(shè)計(jì)及改性瀝青研發(fā)的工程實(shí)踐方面，已經(jīng)取得很大進(jìn)步，并處于世界領(lǐng)先地位。但是也應(yīng)看到，前述我國(guó)的瀝青混凝土凍斷溫度指標(biāo)確定方法還處于摸索階段，經(jīng)驗(yàn)還很少，相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究也明顯不足，有待改進(jìn)。

圖1 改性瀝青低溫性能與瀝青混凝土凍斷溫度的關(guān)系［18］

4 瀝青混凝土面板的老化問題

瀝青混凝土的老化，也就是其中瀝青的老化。瀝青在貯存、運(yùn)輸、施工及后期運(yùn)行過程中，在熱、氧氣、陽光、水等因素作用下，會(huì)發(fā)生揮發(fā)、氧化、聚合等物理化學(xué)變化，使瀝青逐漸變硬變脆，針入度和延度降低、軟化點(diǎn)增高、脆點(diǎn)增高、黏度增大等。在材料方面，老化除了與所用瀝青有關(guān)外，有些骨料還具有減緩老化的作用［21］。對(duì)于施工期老化，通常采用殘留針入度百分比，即施工后的瀝青針入度占其原有針入度的百分比（RP值，Regained Penetration%），來評(píng)價(jià)老化情況。文獻(xiàn)［22］介紹玉灘和峽溝兩座心墻壩工程70號(hào)瀝青施工期老化的RP值為68.5%（=50/73），并介紹日本一些工程的RP為60%～85%。為了評(píng)價(jià)施工期老化，美國(guó)SHRP計(jì)劃提出的方法是，將松散的瀝青混合料至于135℃下的強(qiáng)制通風(fēng)烘箱中4 h，以模擬現(xiàn)場(chǎng)拌合和攤鋪施工中的老化［23］。

瀝青在工程運(yùn)行過程中的老化主要是在自然環(huán)境作用下，包括水力侵蝕、日光照射、空氣氧化等，發(fā)生的較為慢長(zhǎng)的性能劣化過程。該老化過程除與瀝青品質(zhì)相關(guān)外，首先與瀝青混凝土的密實(shí)度密切相關(guān)。表4是天荒坪瀝青混凝土面板2015年（運(yùn)行18年后）現(xiàn)場(chǎng)檢查、不同孔隙率瀝青混凝土的老化對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，其中試件1是現(xiàn)場(chǎng)取芯防滲層芯樣（取芯高程905 m）的下層瀝青混凝土，試件2是天荒坪施工時(shí)拌制的松散防滲層瀝青混合料，該料留存在上水庫附近隧洞內(nèi)用于修補(bǔ)。從表中看出，留存料因孔隙率較大（可達(dá)10%以上），盡管洞內(nèi)避光，仍發(fā)生了嚴(yán)重的熱氧老化，針入度比芯樣低59%，凍斷溫度低了11℃，抗裂能力明顯較差，已不再適合用于瀝青面板修補(bǔ)［24］。

表4 天荒坪不同存放條件瀝青混凝土歷經(jīng)18年后的老化對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果［24］

其次，老化還與所在部位距離面板表面的深度有關(guān)，表層部位老化最為嚴(yán)重。表5是天荒坪運(yùn)行18年后、上水庫庫頂常年裸露區(qū)瀝青混凝土面板防滲層不同深度的老化對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，該工程防滲層厚100 mm，試驗(yàn)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)鉆取的芯樣按照0～10 mm、15～55 mm、60～100 mm分為表層、上層、下層進(jìn)行試驗(yàn)。表中B80原樣瀝青是指采用現(xiàn)場(chǎng)洞內(nèi)留存的桶裝沙特B80瀝青及其他工程石灰?guī)r骨料，按照天荒坪當(dāng)年施工配合比重新拌制成型的瀝青混凝土。從中看出，老化主要發(fā)生在表層10mm以內(nèi)［24］。

選用什么試驗(yàn)參數(shù)評(píng)價(jià)老化進(jìn)程，對(duì)于正確評(píng)估瀝青混凝土的壽命至關(guān)重要。Kliewer［25］著眼于路面的低溫開裂，曾采用凍斷試驗(yàn)（TSRST）的凍斷溫度作為衡量瀝青混凝土老化的試驗(yàn)參數(shù)。對(duì)于瀝青混凝土防滲面板，其老化是由表及里，最終的破壞可能開始于表面出現(xiàn)低溫微裂紋，也可能還伴隨瀝青與骨料分離導(dǎo)致的瀝青混凝土松散。文獻(xiàn)［24］基于前種考慮，采用凍斷溫度評(píng)價(jià)天荒坪瀝青混凝土面板的老化。表5中常年裸露區(qū)的表層瀝青混凝土凍斷溫度因老化已升至-23.5℃，由于天荒坪上庫極端最低氣溫約為-15℃，從低溫開裂角度考慮，這一老化后的凍斷溫度值目前還不致于引發(fā)天荒坪瀝青面板發(fā)生表層低溫開裂。

表5 天荒坪不同深度部位瀝青混凝土歷經(jīng)18年后的老化對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果［24］

在外界因素方面，日照、氣溫、庫水浸泡情況等，都可能會(huì)影響瀝青混凝土的老化。文獻(xiàn)［22］介紹，在2009年對(duì)天荒坪瀝青面板常年裸露A區(qū)、水位變動(dòng)B區(qū)和水下C區(qū)分別鉆取芯樣，并分別對(duì)芯樣的表層、上層和下層進(jìn)行殘留針入度（RP）試驗(yàn)，在扣除施工期老化估算值后，發(fā)現(xiàn)常年裸露A區(qū)的上層基本沒有老化；在表層老化對(duì)比方面，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水下C區(qū)竟然比水位變動(dòng)B區(qū)還嚴(yán)重（見圖2），并且日本的Yashio壩也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象［22］。由于在日照、氣溫、庫水浸泡3個(gè)因素中，水下區(qū)域只有庫水浸泡作用強(qiáng)于水位變動(dòng)區(qū)，前述試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)當(dāng)是啟示了庫水浸泡的老化作用。但這一點(diǎn)還有待研究證實(shí)。

在瀝青混凝土老化規(guī)律研究方面，文獻(xiàn)［22］采用熱瀝青混合料的加速老化試驗(yàn)方法，研究天荒坪面板瀝青混凝土的老化進(jìn)程。該方法將松散的瀝青混合料至于135℃的烘箱中，每小時(shí)攪動(dòng)一次。對(duì)于不同老化歷時(shí)的瀝青混合料抽提瀝青，測(cè)試殘留針入度（RP值），可以建立加速老化小時(shí)數(shù)（H）與RP值的關(guān)系。進(jìn)一步收集了國(guó)內(nèi)外7個(gè)經(jīng)歷不同年代工程的表層瀝青混凝土RP值，包括天荒坪的A區(qū)RP（41%）、B區(qū)RP（51%）和C區(qū)RP（45%），前述玉灘和峽溝施工期（對(duì)應(yīng)年數(shù)為0）的老化RP（68.5%），以及歷時(shí)31年的日本Numappara壩的兩個(gè)RP（38%和55%）。假設(shè)加速老化的RP和實(shí)際環(huán)境下的RP可比（見圖3），根據(jù)上面試驗(yàn)和收集的資料，文獻(xiàn)［22］建立了加速老化時(shí)數(shù)（H）與工程環(huán)境年數(shù)（Y）的相關(guān)關(guān)系［22］：H=4.3+0.88Y。根據(jù)這一關(guān)系，施工期老化對(duì)應(yīng)的加速老化時(shí)間為4.3 h，實(shí)際環(huán)境下1年的老化相當(dāng)于加速老化0.88 h。利用該相關(guān)關(guān)系，文獻(xiàn)［22］通過加速老化試驗(yàn)，預(yù)測(cè)了天荒坪未來的彎拉應(yīng)變變化。該相關(guān)關(guān)系是瀝青混凝土老化規(guī)律研究的有益嘗試，可用于預(yù)測(cè)面板的老化壽命，盡管其加速老化條件與實(shí)際環(huán)境條件是否完全可比，還有待進(jìn)一步研究證實(shí)。

圖2 天荒坪面板運(yùn)行13年后A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)芯樣表層及上層抽提瀝青的針入度［22］

圖3 不同工程瀝青面板的表層RP與加速老化試驗(yàn)的RP對(duì)比［22］

圖4 2015年天荒坪西庫岸封閉層外觀［24］

圖5 2015年天荒坪庫區(qū)西北角溫水排放剝蝕［24］

對(duì)于瀝青混凝土面板封閉層，造成其老化的外界因素除了日照、氣溫、庫水浸泡以外，還與水力沖刷侵蝕有很大關(guān)系。沖刷侵蝕來自蓄水庫的水位日變動(dòng)、庫頂降溫水管的噴淋等。在2015年對(duì)天荒坪的檢查中，發(fā)現(xiàn)可將封閉層按破損情況沿高程分為兩個(gè)區(qū)，▽898 m以上為A區(qū)，以下為B區(qū)，A區(qū)為封閉層破損區(qū)，B區(qū)為封閉層外觀完整區(qū)。根據(jù)破損嚴(yán)重情況可將A區(qū)進(jìn)一步分為A1區(qū)（常年裸露區(qū)）和A2區(qū)（水位變幅區(qū)），見圖4。A1區(qū)封閉層呈豎向條帶型破損，明顯與庫頂?shù)膰娏芩嘘P(guān)，同時(shí)因A1區(qū)未受庫水位變動(dòng)作用，破損相對(duì)較??；A2區(qū)受庫水位變動(dòng)作用，破損明顯比A1區(qū)嚴(yán)重，很多部位封閉層已基本消失。在庫區(qū)西北角，還發(fā)現(xiàn)由洗浴溫水排放引發(fā)的封閉層剝蝕（圖5）。

在封閉層老化規(guī)律方面，文獻(xiàn)［24］介紹2015年針對(duì)天荒坪常年裸露區(qū)殘留封閉層的取樣抽提后進(jìn)行檢測(cè)，25℃針入度為0.4～0.6 mm，軟化點(diǎn)為90～95℃；施工時(shí)封閉層采用沙特B45瀝青，針入度為3.5～5.0 mm，軟化點(diǎn)為54～59℃。歷經(jīng)18年，封閉層老化已十分嚴(yán)重，且相當(dāng)部分在水力侵蝕下已經(jīng)脫落。同時(shí)，文獻(xiàn)［24］采用中海油道路50號(hào)瀝青模擬天荒坪封閉層的B45瀝青，針對(duì)2 mm厚的封閉層瀝青瑪蹄脂（瀝青∶礦粉=3∶7），進(jìn)行了1.55、0.68和0.35 W/m23種輻射強(qiáng)度，以及55℃、50℃、45℃共3種溫度下的紫外光老化試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該溫度變幅對(duì)試驗(yàn)結(jié)果幾乎沒有影響；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并參照以往經(jīng)驗(yàn)，建立了不同輻射強(qiáng)度下該瀝青瑪蹄脂的針入度與紫外光照射時(shí)間的關(guān)系。按照這一關(guān)系和現(xiàn)場(chǎng)的紫外輻射強(qiáng)度，就可以推知不同老化年數(shù)的針入度變化。由于目前天荒坪沒有光強(qiáng)監(jiān)測(cè)設(shè)施，對(duì)封閉層的檢測(cè)數(shù)據(jù)只有一次，這一關(guān)系還有待今后研究驗(yàn)證。

瀝青混凝土面板的老化演進(jìn)是由表及里地進(jìn)行，老化會(huì)使面板出現(xiàn)裂紋，降低抵抗水力侵蝕破壞的能力。為了應(yīng)對(duì)老化，目前有主動(dòng)和被動(dòng)兩種方法。主動(dòng)的方法是在表面涂刷封閉層瀝青瑪蹄脂，并定期更換（一般5～10年），目前德國(guó)和我國(guó)等基本采用這一方法；被動(dòng)的方法是不涂刷封閉層，以防滲層表層作為防止老化向內(nèi)部發(fā)展的屏障，到一定時(shí)間（比封閉層更換的時(shí)間要長(zhǎng)）再更換老化破壞的面板表層，奧地利的瀝青混凝土面板壩多用這一方法。不論采用哪種方法，都有必要了解面板的老化規(guī)律、老化進(jìn)程，選擇更換已老化破壞部位的時(shí)間，以期用最小的代價(jià)得到最持久（甚至是永久）的工程效果。但對(duì)于這些問題的認(rèn)知目前還很膚淺，盡管已有了前面介紹的一些有意義的嘗試研究。在材料方面，通過工程對(duì)比已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，改性瀝青的抗老化侵蝕能力要強(qiáng)于普通瀝青。

5 瀝青混凝土的酸性骨料問題

瀝青混凝土功用的發(fā)揮，取決于瀝青將粗細(xì)骨料膠結(jié)成一個(gè)整體的效果。在不與水接觸時(shí)，這一膠結(jié)不會(huì)發(fā)生任何問題；如果遇到水時(shí)，瀝青與骨料的膠結(jié)就可能被破壞，發(fā)生水損害。這是因?yàn)樗葹r青更容易浸潤(rùn)骨料表面，并降低瀝青與骨料之間的黏附性。當(dāng)瀝青和堿性骨料接觸時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的化合物并形成化學(xué)吸附。當(dāng)瀝青和酸性骨料接觸時(shí)不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，瀝青和骨料表面只會(huì)有物理吸附，而物理吸附遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于化學(xué)吸附。所以為了避免瀝青混凝土的水損害，其骨料應(yīng)優(yōu)先選擇石灰石、白云石、玄武巖等堿性骨料。當(dāng)需采用酸性骨料時(shí)，必須進(jìn)行論證并采取必要的技術(shù)措施，以防發(fā)生水損害。1981年我國(guó)曾召開“酸性骨料在水工瀝青混凝土中應(yīng)用問題”技術(shù)討論會(huì)，并指出，室內(nèi)外試驗(yàn)表明，消石灰、硅酸鹽水泥、電石渣、三氯化鐵、煤焦油、聚酰胺等作為抗剝離劑，在適當(dāng)劑量下，對(duì)提高酸性骨料與瀝青的黏附性能，均由較好的效果。由于試驗(yàn)方法和技術(shù)指標(biāo)還不能很好表征酸性骨料的黏附性，以致室內(nèi)試驗(yàn)成果有時(shí)不能正確反映實(shí)際的工程效果，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)方法和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行研究［26］。

甘肅敦煌的黨河瀝青混凝土心墻壩是我國(guó)最早的碾壓式心墻壩，壩高58.5 m，1975年建成。施工中瀝青采用玉門黑渣油或糠醛渣油與10號(hào)瀝青摻配（相當(dāng)于60號(hào)瀝青指標(biāo)），骨料采用戈壁沙礫，最大粒徑25 mm，屬酸性骨料，油石比8.5%，天然砂礫54.5%，碎石37%，填料8.5%［27］。

1978—1980年我國(guó)曾進(jìn)行渠道瀝青混凝土襯砌試驗(yàn)，以了解針對(duì)酸性骨料采用不同處理措施的效果，包括陜西馮家山北干渠渠首15 m長(zhǎng)試驗(yàn)段和青海湟海渠3650 m長(zhǎng)試驗(yàn)段。處理措施包括：（1）摻消石灰，即按礦料重的2%采用0.1 mm粒徑以下的消石灰代替部分礦粉；（2）摻水泥，即用烘干粉碎的礦渣水泥和廢水泥代替礦粉；（3）摻三氯化鐵，即用礦料重0.22%的三氯化鐵與3%～5%的水配成三氯化鐵水溶液，噴灑裹覆礦料，晾干后拌制瀝青混凝土；（4）摻低標(biāo)號(hào)煤焦油，即將脫水后的煤5與30號(hào)石油瀝青按23∶77混合均勻。試驗(yàn)段運(yùn)行數(shù)年后，未發(fā)現(xiàn)磨損、剝落、因強(qiáng)度降低所致的崩裂現(xiàn)象［28］。

四川雙橋心墻壩壩高73 m，多年平均氣溫17℃。由于壩址區(qū)缺乏堿性骨料，砂礫石料巖質(zhì)種類較多，酸性、堿性巖質(zhì)都有。統(tǒng)計(jì)表明1/3砂礫石未達(dá)到規(guī)范不小于4級(jí)的黏附性要求，破碎后不滿足黏附性要求的比例上升到1/2。為此，曾采用褐色液態(tài)的PA-1抗剝落劑進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在SG70號(hào)瀝青中摻加0.4%的PA-1，可以使砂礫石中酸性骨料的黏附性等級(jí)由2～3級(jí)提高到不小于4級(jí)［29］。

冬奧會(huì)配套工程崇禮太舞1#造雪用蓄水池采用改性瀝青混凝土面板襯砌防滲，因當(dāng)?shù)貨]有堿性骨料故采用高家營(yíng)料場(chǎng)骨料。該骨料SiO2含量高達(dá)69.24%，是典型的酸性骨料。但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其與改性瀝青的黏附性達(dá)到5級(jí)。經(jīng)分析，一是SBS改性瀝青的骨料黏附性比普通瀝青好，二是高家營(yíng)酸性骨料表面多孔，吸水率達(dá)2.5%，熱瀝青可進(jìn)入骨料表面增加黏附力。該工程設(shè)計(jì)要求瀝青混凝土凍斷溫度低于-40℃，2015年建成后運(yùn)行良好［30］。

誠如文獻(xiàn)［26］中指出的，目前工程中判斷酸性骨料是否合格的技術(shù)指標(biāo)仍需進(jìn)行研究。該指標(biāo)要求粗骨料的黏附性等級(jí)不低于4級(jí)，水穩(wěn)定性系數(shù)不低于0.9［31］，其試驗(yàn)方法就是水煮法［15］。水穩(wěn)定系數(shù)就是馬歇爾試件水中浸泡處理后的抗壓強(qiáng)度與常規(guī)抗壓強(qiáng)度之比，前者要求在60℃水中浸泡48 h，然后移入20℃水中2 h；后者為在20℃空氣中不少于48 h。然而實(shí)踐中，常出現(xiàn)黏附性等級(jí)不滿足要求的酸性骨料，水穩(wěn)定系數(shù)卻大于0.9，滿足要求［29］。

水穩(wěn)定性試驗(yàn)實(shí)際上是一種在強(qiáng)化條件下的水損害耐久性試驗(yàn)，影響水穩(wěn)定系數(shù)的因素包括浸泡水的水溫、浸泡時(shí)間以及試件的孔隙率。另外水穩(wěn)定系數(shù)中采用的強(qiáng)度試驗(yàn)方法也會(huì)有影響。因此，在水工瀝青混凝土采用酸性骨料的未來實(shí)踐中，除了開發(fā)有效的改善酸性骨料與瀝青黏附性的摻加劑和摻加工藝，對(duì)酸性骨料瀝青混凝土的水損害耐久性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，也十分必要。

6 瀝青混凝土心墻的水力劈裂問題

水力劈裂是土質(zhì)心墻壩設(shè)計(jì)中需要考慮的重要問題之一，對(duì)此人們廣為接受的觀點(diǎn)是，當(dāng)有效小主應(yīng)力為拉應(yīng)力，且其數(shù)值大于土體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就將發(fā)生水力劈裂［32］。與土質(zhì)心墻相比，瀝青混凝土心墻的孔隙率極低，一般小于3%，加之瀝青本身為憎水材質(zhì)，其內(nèi)部一般不會(huì)形成連續(xù)分布的孔隙水壓力。此外，大壩心墻溫度一般較低，而10℃時(shí)瀝青的黏度極大，有試驗(yàn)證實(shí)，瀝青不會(huì)傳遞外水壓力?；谶@兩點(diǎn)，一般認(rèn)為瀝青混凝土心墻可不考慮水力劈裂問題［33］。但是，如果瀝青混凝土心墻由于某種原因已發(fā)生局部開裂，且壓力水進(jìn)入裂縫，則在壓力水作用下開裂的進(jìn)一步擴(kuò)展是有可能的［34］。我國(guó)一些瀝青混凝土心墻壩在建設(shè)過程中，參照土石壩水力劈裂的方法，進(jìn)行了水力劈裂試驗(yàn)研究和論證。

三峽茅坪溪瀝青混凝土心墻壩在建設(shè)過程中，曾采用厚壁空心圓柱試件在三軸儀上進(jìn)行水力劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)外水壓存在壓差的情況下，并產(chǎn)生徑向變形后才產(chǎn)生水力劈裂。另外還曾采用周邊被夾持固定的圓形平板試件進(jìn)行水力劈裂試驗(yàn)，板上施加水壓，板下填充過渡料，發(fā)現(xiàn)在1 MPa的水壓力作用下，瀝青混凝土板的剪切變形達(dá)18%時(shí)，才在周邊發(fā)生水力劈裂破壞［35］。多年后，朱晟也采用圓形平板試件進(jìn)行水力劈裂試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)瀝青混凝土心墻局部出現(xiàn)拉伸破壞裂縫時(shí)，會(huì)形成水楔作用，從而誘導(dǎo)發(fā)生水力劈裂［36］。西安理工大學(xué)也曾采用中空?qǐng)A柱體試件研究瀝青混凝土的水力劈裂，認(rèn)為心墻水力劈裂的物質(zhì)條件是心墻中裂縫或缺陷的存在和心墻材料的低透水性，而足夠大的所謂“水楔”作用是其發(fā)生的力學(xué)條件［37］。

上述水力劈裂試驗(yàn)著眼于水的荷載作用進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同瀝青混凝土試件（圓柱、圓板）在水荷載下的破壞。文獻(xiàn)［38］著眼于剪脹導(dǎo)致孔隙率增加并進(jìn)行模型試驗(yàn)，研究了3.5%孔隙率瀝青混凝土中的滲透性及水力劈裂，測(cè)得了在0.05～0.13 MPa水壓力下進(jìn)入瀝青混凝土體的水量過程線，試驗(yàn)總共歷經(jīng)130多小時(shí)，最終在施加0.06 MPa外荷載下發(fā)生斷裂。試驗(yàn)表明剪脹部位在0.13 MPa水壓力和0.06 MPa拉應(yīng)力下可能發(fā)生水力劈裂。

瀝青混凝土的水力劈裂成因比較復(fù)雜，既可由水荷載對(duì)心墻裂縫部位的水楔作用引發(fā)破壞，也可由壓力水在3%以上孔隙率瀝青混凝土中因滲透形成孔隙水壓力引發(fā)破壞，心墻自身應(yīng)力狀態(tài)也有很大影響。剪脹是造成后一種破壞的重要原因之一。目前對(duì)于水力劈裂破壞的研究還有待進(jìn)一步深入。在工程方面，對(duì)于可能出現(xiàn)后一種水力劈裂破壞的部位，采取剪脹性小的瀝青混凝土配合比，應(yīng)是一種有效的應(yīng)對(duì)水力劈裂破壞的方法。

7 結(jié)語

目前瀝青混凝土防滲技術(shù)在我國(guó)水利水電工程建設(shè)中的應(yīng)用正進(jìn)入前所未有的快速發(fā)展階段，主要有抽水蓄能電站的蓄水庫防滲面板和土石壩的防滲心墻，其中呼和浩特抽水蓄能電站上水庫在低溫抗裂方面、去學(xué)水電站心墻壩在壩高方面，已經(jīng)處于世界前列。這一防滲技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展歷程并不平坦，特別是1990年代首先以學(xué)習(xí)掌握國(guó)外先進(jìn)機(jī)械化施工技術(shù)為起點(diǎn)，并自主研究解決了瀝青混凝土面板的斜坡流淌問題和低溫抗裂問題，目前我國(guó)正在研究建立具有自身特點(diǎn)的瀝青混凝土面板老化評(píng)估修補(bǔ)技術(shù)、酸性骨料應(yīng)用技術(shù)、心墻水力劈裂應(yīng)對(duì)技術(shù)等?？梢灶A(yù)見，這些技術(shù)的研究進(jìn)步必將在未來進(jìn)一步助力瀝青混凝土防滲技術(shù)的發(fā)展。