克孜加爾大壩瀝青混凝土心墻材料選擇

張宏軍

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

克孜加爾大壩位于新疆克蘭河峽谷口上游3km處，庫(kù)容1.67億m3，屬于Ⅱ等大 (2)型綜合利用水利樞紐工程，壩高64m，壩頂長(zhǎng)度355m。壩址處河谷呈U形，河床寬120m，覆蓋層厚1～3m，下覆基巖為花崗片麻巖，兩岸山體高出河谷80～100m，基巖裸露，地形地質(zhì)條件較好，適宜建造土石壩及重力壩。峽谷口下游砂礫石料儲(chǔ)量充足，距離樞紐60km范圍內(nèi)有3處堿性灰?guī)r料場(chǎng)，當(dāng)?shù)夭牧蠞M足筑壩材料質(zhì)量與儲(chǔ)量需求。經(jīng)過(guò)多種壩型比較，設(shè)計(jì)選擇了碾壓式瀝青混凝土防滲心墻砂礫石壩。

2 瀝青的選擇

水利工程主要采用道路石油瀝青，是市場(chǎng)上供應(yīng)量最大和應(yīng)用最廣泛的瀝青。石油瀝青認(rèn)為是無(wú)毒的，對(duì)于水質(zhì)與環(huán)境基本無(wú)污染，在與水源有關(guān)的工程建筑上，這一特性是很重要的。土石壩中作為防滲體結(jié)構(gòu)的碾壓式瀝青混凝土，它的物理力學(xué)性能在很大程度上受到瀝青性能的影響，瀝青的技術(shù)指標(biāo)與道路瀝青相近?？紤]到作為水工建筑物中的瀝青混凝土防滲體要起到全面的防滲作用，因此，在耐老化、抗裂、適應(yīng)變形等方面，水工使用的石油瀝青應(yīng)比一般道路瀝青有更高的要求。水工上選用道路石油瀝青時(shí)比較關(guān)心瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延伸度，即所謂瀝青三大指標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)外各種碾壓式瀝青混凝土防滲墻所用的石油瀝青多為道路瀝青，其針入度為40～100(1/10mm)。在氣溫較高的地方，大多采用針入度較小的瀝青;在氣溫較低的地方，則采用針入度較大的瀝青。因此，石油瀝青的品種應(yīng)根據(jù)工程的類型、等級(jí)，以及氣候條件、工作條件和材料價(jià)格等因素，并遵循針入度較小、軟化點(diǎn)較低和延度較大的原則作如下選用。

(1)一般碾壓式瀝青混凝土所用的瀝青，宜選用《道路石油瀝青》 (SY 1661—77)中的100甲和60甲兩個(gè)標(biāo)號(hào)。

(2)在大型和重要的碾壓式瀝青混凝土防滲工程中，選用的瀝青應(yīng)事先進(jìn)行試驗(yàn)和論證。選擇適當(dāng)?shù)臑r青生產(chǎn)單位，產(chǎn)品實(shí)測(cè)指標(biāo)要爭(zhēng)取優(yōu)于現(xiàn)行道路瀝青標(biāo)準(zhǔn)，可采用《重交通道路石油瀝青技術(shù)要求》中的AH—90、AH—70、AH—50三個(gè)標(biāo)號(hào)。

(3)澆注式瀝青混凝土所用瀝青技術(shù)指標(biāo)可以放得更寬，對(duì)延度可不提要求，重點(diǎn)放在針入度和軟化點(diǎn)方面。

(4)當(dāng)上述瀝青產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)不能滿足工程的需要時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)可采用黏稠瀝青與氧化瀝青進(jìn)行摻配，調(diào)整瀝青的技術(shù)參數(shù)，最終確定選用的瀝青。

由于各地氣象條件、工程條件等差別較大，很難設(shè)想有某一種瀝青能夠滿足各種變化的條件，因此，在選用瀝青時(shí)要做到因地制宜，取長(zhǎng)避短，在必要時(shí)還可采用摻配瀝青，或者是摻加外加劑等有效措施。克孜加爾大壩碾壓式瀝青混凝土心墻選擇了新疆克拉瑪依生產(chǎn)的AH70石油瀝青，除了具有針入度較小、軟化點(diǎn)較低和延度較大的基本特點(diǎn)外，主要優(yōu)點(diǎn)是含蠟量較低，國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的石油瀝青含蠟量普遍偏高，容易使瀝青混凝土產(chǎn)生流淌現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)瀝青材料檢測(cè)結(jié)果與相關(guān)規(guī)范要求指標(biāo)對(duì)照見(jiàn)表1。

表1 克孜加爾大壩AH70瀝青性能檢測(cè)成果表

3 礦料的選擇

瀝青混凝土粗骨料、細(xì)骨料和填充料通常均由堿性礦料加工而成，統(tǒng)稱為礦料，是瀝青混凝土的主要組成部分。過(guò)去國(guó)內(nèi)水工瀝青混凝土骨料曾采用5mm作為粗細(xì)骨料的界限，應(yīng)用上雖無(wú)不可，但不能確切地反映細(xì)粒礦料的影響和作用，我國(guó)現(xiàn)行水工瀝青混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按照向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，已經(jīng)采用2.5mm作為粗細(xì)骨料的界限，將粒徑大于2.5mm的粒料定義為粗骨料，粒徑為0.074～2.5mm的粒料定義為細(xì)骨料，小于0.074mm的粒料為填充料。

3.1 骨料作用與特性

骨料占瀝青混凝土組成的80%，一般要求用清潔、堅(jiān)硬、耐久、均勻的巖石加工制作，并且粗骨料與瀝青的黏結(jié)力及細(xì)骨料的水穩(wěn)定性優(yōu)良。骨料與瀝青黏附性的優(yōu)劣是瀝青混凝土結(jié)構(gòu)形成的決定因素，它直接關(guān)系到瀝青混凝土的強(qiáng)度、溫度穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及老化速度等重要性能。瀝青混凝土對(duì)礦料有以下基本要求。

(1)骨料顆粒質(zhì)地堅(jiān)固，在瀝青混凝土中組成骨架結(jié)構(gòu)，使瀝青混凝土獲得必要的強(qiáng)度以承受外力的作用，形成的骨架結(jié)構(gòu)才能經(jīng)受一定的外力作用。但瀝青防滲墻不同于道路工程，既沒(méi)有車輪那樣的集中荷載，也不經(jīng)受道路上那樣的沖擊、磨損作用，因此并不要求骨料有過(guò)高的強(qiáng)度。但施工中，攤鋪機(jī)、振動(dòng)碾等機(jī)械要在其上運(yùn)行并實(shí)施作業(yè)，骨料的堅(jiān)固性應(yīng)足以承受這些荷載的作用而不致顆粒破碎。

(2)制備瀝青混合料時(shí)，骨料要進(jìn)行烘干、加熱，骨料的性質(zhì)應(yīng)能保持穩(wěn)定。雖然骨料加熱溫度一般不超過(guò)200℃，但天然巖石的組成、構(gòu)造極其復(fù)雜，應(yīng)考慮到加熱過(guò)程不致給骨料帶來(lái)的不利影響。

(3)骨料骨架結(jié)構(gòu)的特性，除骨料顆粒的質(zhì)地外，還可用骨料的密實(shí)度 (或空隙率)及內(nèi)摩擦力等指標(biāo)來(lái)表征。骨料的密實(shí)度對(duì)瀝青混凝土的性質(zhì)有著重要的影響。骨料密實(shí)度愈小，即空隙率愈大，瀝青用量也愈大，而自由瀝青的含量增多，瀝青混凝土的塑性則急劇增大，熱穩(wěn)定性將顯著降低。合理選擇級(jí)配可以增大骨料的密實(shí)度。

(4)骨料的內(nèi)摩擦力隨粒徑的增大而提高，采用棱角尖銳的碎石，特別是采用堅(jiān)實(shí)巖石破碎的人工砂，能有效地提高內(nèi)摩擦力。骨料的內(nèi)摩擦力隨瀝青用量的增加，尤其是自由瀝青的數(shù)量增大而減小。針片狀顆粒的存在可以降低骨料的密實(shí)度和骨料相互嵌擠的程度，因此粗骨料應(yīng)有合適的粒形。

(5)瀝青與礦料表面的黏附力，取決于界面上所發(fā)生的物理化學(xué)作用，也影響到瀝青混凝土的性質(zhì)。酸性巖石與瀝青主要是物理吸附作用，故黏附性較差。碳酸鹽或堿性巖石可以與瀝青中的表面活性物質(zhì)酸性膠質(zhì)或其他表面活性摻料產(chǎn)生化學(xué)吸附，故能較好地相互黏附。因此，水工瀝青混凝土的礦料，一般多由碳酸鹽或堿性巖石制成。

(6)采用多孔礦料時(shí)，由于瀝青滲入孔隙內(nèi)部，使黏附性得到顯著改善，但應(yīng)注意到礦料孔隙對(duì)瀝青選擇性吸附的影響，微孔結(jié)構(gòu)的礦料具有極大的吸附勢(shì)能，在礦料表面吸附著瀝青質(zhì)，微孔中吸收膠質(zhì)，而油分則滲入微孔的深處。選擇性吸附的結(jié)果將大大改變?yōu)r青的性質(zhì)，使其強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性等提高，塑性降低，從而表現(xiàn)出硬化的傾向。對(duì)粗孔結(jié)構(gòu)的礦料，由于吸附勢(shì)能低，瀝青主要是向粗孔內(nèi)部滲透，選擇性吸附的影響甚小，雖然要增加瀝青用量，但對(duì)其性質(zhì)沒(méi)有明顯的影響。

3.2 填料作用與特性

填料主要特點(diǎn)就是具有很大的表面積，占瀝青混凝土礦料總表面積約90%～95%。填料的作用是與瀝青共同組成膠結(jié)料，將骨料黏結(jié)成整體，并填充骨料的空隙，使原來(lái)容積狀的瀝青變?yōu)楸∧畹臑r青，隨著填料濃度的增大，填料表面形成的瀝青膜的厚度減薄，瀝青膠結(jié)料的黏度和強(qiáng)度隨之提高，從而使骨料顆粒之間的黏結(jié)也增強(qiáng)。填料具有極大的表面能，對(duì)瀝青的吸附作用比粗骨料、細(xì)骨料要大得多，如果填料本身的黏附性良好，它與瀝青就能牢固結(jié)合。因此，工程上多使用石灰?guī)r、白云巖或其他碳酸鹽巖石作為加工填料的原巖。

在加入一定量的填料條件下，瀝青混凝土將獲得最大的強(qiáng)度。當(dāng)填料用量較多時(shí)，瀝青混凝土內(nèi)部能夠形成許多細(xì)小的封閉孔隙。填料用量少時(shí)，則多形成連通的開(kāi)口孔隙。因此，填料用量影響著瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，是配合比設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。填料的顆粒愈細(xì)，表面積愈大，它對(duì)瀝青膠結(jié)料和瀝青混凝土的影響也就愈大，所以填料必須有足夠的細(xì)度。從概念上來(lái)說(shuō)，填料比水泥還應(yīng)稍細(xì)一些，至少應(yīng)和水泥的細(xì)度相同，有資料提出填料的最佳細(xì)度相應(yīng)的比表面積應(yīng)為4000～5000cm2/g。但對(duì)填料細(xì)度提出過(guò)高的要求不僅會(huì)使加工費(fèi)用顯著增加，而且過(guò)細(xì)的填料顆粒易聚集成團(tuán)而不易分散，反而有損于瀝青混凝土的耐久性。

3.3 礦料技術(shù)指標(biāo)

克孜加爾大壩采用石灰?guī)r人工破碎制備成瀝青混凝土需要的堿性礦料。細(xì)骨料采用了石灰?guī)r破碎的人工砂和天然河砂，填料采用當(dāng)?shù)厮鄰S生產(chǎn)的成品礦粉?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2～表4。

表2 石灰?guī)r粗骨料檢測(cè)結(jié)果

由表2得知，石灰?guī)r破碎的粗骨料在加熱過(guò)程中未出現(xiàn)開(kāi)裂、分解等現(xiàn)象，骨料呈堿性，與瀝青黏結(jié)力強(qiáng)，所選石灰?guī)r能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表3 天然河砂與人工砂檢測(cè)結(jié)果

由表3得知，人工砂在加熱過(guò)程中沒(méi)有開(kāi)裂、分界等現(xiàn)象，級(jí)配良好，滿足瀝青混凝土細(xì)骨料的技術(shù)指標(biāo)要求。天然河砂級(jí)配不夠均勻，粗粒含量較多，且呈酸性，水穩(wěn)定性較差。但通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)，當(dāng)天然河砂與人工砂采取對(duì)半混合使用時(shí)，水穩(wěn)定性可以滿足要求指標(biāo)。

由表4得知，填料質(zhì)量滿足規(guī)范要求，可以作為瀝青混凝土的填料。

表4 填料檢測(cè)結(jié)果

4 瀝青混凝土配合比選擇

瀝青混凝土作為土石壩防滲心墻，必須具有足夠的防滲性和變形能力。瀝青混凝土防滲性可以通過(guò)優(yōu)化瀝青混凝土配合比、提高施工質(zhì)量等措施獲得。由工程實(shí)踐得知，當(dāng)瀝青混凝土的孔隙率小于3%、滲透系數(shù)小于10－7cm/s時(shí)，心墻基本上認(rèn)為是不透水的，即便是施工期間的瀝青混凝土心墻層間有結(jié)合不良的缺陷，或在變形的情況下依然是不透水的。在選擇瀝青混凝土配合比時(shí)，瀝青混凝土的可施工操作性是至關(guān)重要的，只有配制了施工性能好、易于攤鋪和壓實(shí)的瀝青混凝土，才能達(dá)到設(shè)計(jì)的孔隙率。

4.1 礦料級(jí)配與瀝青混凝土配合比

根據(jù)克孜加爾大壩料源加工情況，選用礦料級(jí)配最大粒徑Dmax=19mm，礦料級(jí)配指數(shù)選取0.35、0.38、0.41，油石比6.3%、6.6%、6.9%、7.2%，填料用量12%、14%、16%。利用以上參數(shù)對(duì)人工砂初選了20組配合比，對(duì)混合砂初選了6組配合比，進(jìn)行瀝青混凝土配合比試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)論［1］推薦的碾壓式瀝青混凝土心墻配合比與性能指標(biāo)見(jiàn)表5、表6。

表5 碾壓式瀝青混凝土心墻使用的配合比

在選擇瀝青混凝土配合比時(shí)，不能忽視工程區(qū)的氣候因素，新疆大部分區(qū)域?qū)儆诟吆貐^(qū)，選擇配合比時(shí)要考慮在一定的低溫條件下的施工要求，宜選擇偏高一些的油石比。

水工使用的瀝青混凝土材料力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，其室內(nèi)試驗(yàn)制樣方法、試驗(yàn)加載速度以及試驗(yàn)溫度等因素，都對(duì)瀝青混凝土的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。若大壩實(shí)際瀝青混凝土心墻材料力學(xué)參數(shù)過(guò)低時(shí)，會(huì)因壩殼料的拱效應(yīng)使得心墻應(yīng)力降低，可能導(dǎo)致心墻產(chǎn)生水力劈裂破壞;相反，若大壩實(shí)際瀝青混凝土心墻材料力學(xué)參數(shù)過(guò)高時(shí)，則可能由于心墻應(yīng)力集中，使得兩側(cè)過(guò)渡料的剪切作用較強(qiáng)而出現(xiàn)剪切破壞。目前，在設(shè)計(jì)階段最直接的判斷方法是借鑒已建工程實(shí)例進(jìn)行對(duì)比，在施工階段密切跟蹤大壩施工期應(yīng)變與應(yīng)力變化，對(duì)瀝青混凝土心墻的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)反演分析，隨時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案或指導(dǎo)施工，確保大壩運(yùn)行安全。

表6 碾壓式瀝青混凝土性能試驗(yàn)指標(biāo)

續(xù)表

4.2 配合比參數(shù)對(duì)瀝青混凝土的影響分析

瀝青混凝土的強(qiáng)度取決于其黏聚力和內(nèi)摩擦力的大小，而內(nèi)摩擦力又取決于骨料的粒形、粒度、級(jí)配、顆粒的表面特性以及瀝青的用量。瀝青與礦料表面的相互作用具有重要的影響，改善它們之間的黏附作用，加強(qiáng)膠凝結(jié)構(gòu)的鍵合特性，可以有效地改善瀝青混凝土的各種技術(shù)性質(zhì)。選擇瀝青混凝土配合比時(shí)，主要的控制指標(biāo)為孔隙率，其次是劈裂位移變形值，最后是間接拉伸強(qiáng)度值。以下就不同的油石比、填料用量、級(jí)配指數(shù)和細(xì)骨料特性對(duì)瀝青混凝土性能的影響進(jìn)行分析。

(1)油石比從6.6%、6.9%、7.2%變化時(shí):瀝青混凝土的孔隙率有明顯的差異，人工砂瀝青混凝土孔隙率小于河砂瀝青混凝土，其中油石比為6.9%時(shí)，兩者孔隙率基本相同;瀝青混凝土的間接拉伸強(qiáng)度減小，人工砂瀝青混凝土間接拉伸強(qiáng)度小于混合砂瀝青混凝土間接拉伸強(qiáng)度;瀝青混凝土的劈裂位移增大，人工砂瀝青混凝土劈裂位移大于混合砂瀝青混凝土劈裂位移。本工程區(qū)多年平均氣溫4°C的偏低情況，對(duì)心墻瀝青混凝土的強(qiáng)度、變形性能及防滲性能的要求偏高為宜，選擇油石比為6.9%。

(2)級(jí)配指數(shù)一定時(shí):在填料用量增加的情況下，瀝青混凝土的間接拉伸強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)，瀝青混凝土的劈裂位移呈明顯變大的趨勢(shì)。填料用量12%、14%、瀝青含量大于6.6%以后孔隙率值較穩(wěn)定;隨著油石比變大，瀝青混凝土的間接拉伸強(qiáng)度呈逐漸減小趨勢(shì)，但減小趨勢(shì)逐漸變緩，劈裂位移隨著油石比的增大逐漸增大。當(dāng)填料用量大于14%時(shí)，瀝青混凝土的孔隙率有明顯增大;填料用量16%的瀝青混凝土的孔隙率值較大，且波動(dòng)也大，不穩(wěn)定。本工程的實(shí)際情況和對(duì)心墻瀝青混凝土的強(qiáng)度、變形性能及防滲性能的要求，選取填料用量為14%，在瀝青混凝土確保較小的孔隙率前提下，盡量使劈裂位移增大。

(3)級(jí)配指數(shù)變化時(shí):在填料一定的情況下，級(jí)配指數(shù)從0.35～0.41之間變化時(shí)，瀝青混凝土的密度和孔隙率有明顯變化，級(jí)配指數(shù)為0.38時(shí)孔隙率最小，劈裂位移達(dá)到最大值;瀝青混凝土的間接拉伸強(qiáng)度呈先減小再緩慢增大的趨勢(shì);瀝青混凝土的劈裂位移變化比較明顯。本工程選用級(jí)配指數(shù)0.38，使劈裂位移達(dá)到最大值。

(4)施工性能的影響:比較人工砂與混合砂兩種細(xì)骨料配置的瀝青混凝土的孔隙率、拉伸強(qiáng)度、劈裂位移指標(biāo)，均能滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)瀝青混凝土防滲心墻的要求;人工砂瀝青混凝土的孔隙率較小且性能穩(wěn)定，間接拉伸變形能力略小，施工中的瀝青混凝土和易性比混合砂瀝青混凝土較差一些;混合砂成本略低。因此，在人工砂與混合砂配置的瀝青混凝土均能夠滿足設(shè)計(jì)要求前提下，考慮施工因素，選定了混合砂配置的瀝青混凝土作為填筑心墻的材料。

5 結(jié)語(yǔ)

新疆普遍有石灰?guī)r礦作為水泥生產(chǎn)原料，一般均能滿足配置水工瀝青混凝土堿性礦料的性能要求，克拉瑪依生產(chǎn)的石油瀝青含蠟量較低，具備較好的針入度、軟化點(diǎn)和延度三大性能指標(biāo)。粗骨料盡量采用堿性骨料，可以使瀝青混凝土中骨料具有較高的水穩(wěn)定性，確保工程質(zhì)量與安全;細(xì)骨料可以是人工砂或混合砂，也可以在細(xì)骨料中添加一部分天然砂，添加粉煤灰或其他活性材料，可以改善瀝青混凝土的和易性和壓實(shí)性能?，F(xiàn)代研究試驗(yàn)已經(jīng)提出，在堿性礦料奇缺的地區(qū)也可以考慮應(yīng)用天然酸性骨料摻加堿性物料改善與瀝青的黏附性［2］。直接采用酸性骨料的瀝青混凝土，經(jīng)試驗(yàn)證明會(huì)在短期內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重剝蝕或破壞現(xiàn)象，當(dāng)采用消石灰等對(duì)酸性骨料處理后，骨料與瀝青的黏附力顯著增強(qiáng)，理論上長(zhǎng)期水穩(wěn)定性有保證。這一結(jié)論目前還缺乏工程先例，有待于通過(guò)實(shí)際工程進(jìn)行深入的研究工作，待充分論證后再進(jìn)行使用。

1 王文進(jìn)，王為標(biāo)，余梁蜀，等.克孜加爾大壩瀝青混凝土配合比試驗(yàn)報(bào)告［R］.西安理工大學(xué)，2009

2 岳躍真，郝巨濤，孫志恒，等.水工瀝青混凝土防滲技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007