水工建筑物防滲系統(tǒng)瀝青混凝土性能研究

席 爽

(新疆喀什葉爾羌河勘測設(shè)計院,新疆 莎車 844700)

0 引 言

1929年，美國索推理大壩首次應(yīng)用瀝青混凝土防滲材料；1937年，阿爾及利亞修筑的EL.Ghrib大壩將瀝青混凝土面板作為防滲結(jié)構(gòu)；1949年，葡萄牙修筑的Vale de Caio大壩首次將瀝青混凝土心墻作為附加防滲體[1].我國的第一座瀝青混凝土心墻防滲大壩是1973年建成的吉林白河大壩，其心墻高度為24.5 m，心墻厚度為0.15 m.瀝青混凝土是水工建筑物防滲系統(tǒng)的主要用料，尤其廣泛應(yīng)用于土石壩心墻材料.水工瀝青混凝土與公路瀝青混凝土的不同之處在于：公路材料配比中粗骨料多些，其孔隙率一般在5%～10%；水工材料位于壩體內(nèi)部，配比設(shè)計中瀝青和細(xì)骨料的用量多些，其孔隙率一般小于3%.通過分析防滲材料特點和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，得出瀝青混凝土作為土石壩心墻防滲材料有以下優(yōu)點[2-3]：

(1)水工瀝青混凝土的滲透系數(shù)一般小于10-7cm/s，具有良好的防滲漏新能；

(2)此材料可隨壩體變形，抗拉、抗壓應(yīng)變比值最大可達(dá)5%，變形性能良好；

(3)能與壩體很好的結(jié)合，大壩整體性良好；

(4)在地震波等載荷的沖擊下，有很好的抗剪強(qiáng)度，抗疲勞能力較高；

(5)粘塑性和粘結(jié)性很好，不易出現(xiàn)裂縫，在自重和壓力作用下，裂縫還有自我修復(fù)的能力.

隨著壩高的不斷增加，心墻的安全穩(wěn)定性至關(guān)重要，因此研究水工建筑物瀝青混凝土力學(xué)性能迫在眉睫.從國內(nèi)外研究進(jìn)展來看，5.0 ℃左右的瀝青混凝土三軸試驗還較少，但新疆阿克蘇地區(qū)溫度較低，因此研究低溫條件下的力學(xué)性能很有意義；雖然三軸試驗成果較多，但是對于加載速率和成型方法對力學(xué)性能影響的研究結(jié)果還不多見[3-5].本文基于三軸試驗，對瀝青混凝土心墻進(jìn)行研究，得出擊實成型、靜壓成型實驗結(jié)果，以及加載速率對瀝青混凝土力學(xué)性能的影響.

1 水工瀝青混凝土配比設(shè)計

瀝青混凝土一般是在高溫下經(jīng)密實碾壓并冷卻后形成的，其主要包括：瀝青結(jié)構(gòu)、礦質(zhì)骨架、瀝青礦粉等成分.瀝青是一種高分子碳?xì)浠衔锛捌溲苌锝M成的混合物，常溫下為黑色固體或半固體，具有良好的粘性、塑性、抗腐蝕性.礦質(zhì)骨架又包括粗骨料、細(xì)骨料、填料，通常粗骨料的粒徑大于2.5 mm，細(xì)骨料粒徑在0.075～2.5 mm之間，填料的粒徑一般小于0.075 mm[6].

水工瀝青混凝土是制備比公路瀝青混凝土更為嚴(yán)格，對礦料級配、稱重精度、拌合溫度、均勻性等均有嚴(yán)格規(guī)定.各環(huán)節(jié)的溫度控制范圍必須依據(jù)當(dāng)?shù)氐氖┕夂蜻M(jìn)行調(diào)整，并通過生產(chǎn)試驗后才能開始制備.研究表明，骨料的加熱溫度一般在160 ℃～200 ℃，瀝青的加熱溫度一般在140 ℃～180 ℃[7].為了防止瀝青混凝土材料在高溫下老化，因此必須嚴(yán)格控制拌合時間.瀝青混凝土級配是整個環(huán)節(jié)中最重要的部分，按照級配組成和結(jié)構(gòu)又可分為：密級配、間斷級配、開級配，水工瀝青混凝土級配曲線(見圖1).

圖1 水工瀝青混凝土級配曲線

研究表明，密級配的細(xì)骨料成分較多，配以適當(dāng)?shù)臑r青就能形成懸浮型混料，此種級配結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于水工瀝青混凝土防滲層.盡管連續(xù)繼配孔隙率小于3%，但是由于其粗骨料成分很少，不易形成骨架，因此不適用于防滲層材料.

對于水工瀝青混凝土的抗?jié)B透性能優(yōu)劣，一般用滲透系數(shù)進(jìn)行衡量.配比設(shè)計中，將孔隙率設(shè)置在3%以內(nèi)，就能保證抗?jié)B性能.孔隙率與礦料級配公式有關(guān)，本文實驗采取的級配公式為：

(1)

其中：Pi—通過篩孔di的百分?jǐn)?shù)，%；r—級配指數(shù)；Dmax—礦料最大粒徑，mm；di為篩孔直徑，mm.

級配公式確定之后，瀝青用量也是影響材料滲透性能，為了使瀝青混料具有良好的力學(xué)性能，通常按照最大密度孔隙率法確定其用量.工程上瀝青用量B的計算公式為：

(2)

由上文分析可知，水工瀝青的配比設(shè)計就是確定粗骨料、細(xì)骨料、填料、瀝青的比例.本次實驗選取克拉瑪依水工70號瀝青，其性能參數(shù)(見表1).

表1 克拉瑪依水工70號瀝青性能參數(shù)

實驗中級配指數(shù)用r表示，油石比用B表示，填料用量用F表示.實驗中r選取0.37、0.4、0.43三種工況；實驗中B選取6.2%、6.7%、7.2%三種工況；實驗中F選取12%、14%、16%三種工況.將這些工況組合共得出9種配比情況，對這些情況下的瀝青試件進(jìn)行劈裂實驗，實驗結(jié)果(見表2).

表2 瀝青試件劈裂實驗結(jié)果

對實驗結(jié)果進(jìn)行分析可知，油石比B對瀝青混凝土材料的影響最為重要，對于該材料，油石比取6.7%時效果最好.填料用量F為次要影響因素，取12%時效果最佳.級配指數(shù)對性能影響不大，取0.37時效果最好.

2 水工瀝青混凝土心墻三軸試驗

影響水工混凝土力學(xué)性能的參數(shù)很多，配合比、溫度、成型方法、加載速率、冷熱循環(huán)等都會對其產(chǎn)生影響.

瀝青混凝土心墻的靜三軸實驗在SY-250試驗臺上進(jìn)行，試樣尺寸為Φ101×200 mm，最大軸向載荷300 kN，最大壓力1.5 MPa，體變形測量精度0.1 mL.試樣的制備采用兩種方法，靜壓成型和擊實成型.靜壓成型采用壓力試驗臺制備試樣，試驗臺恒壓為10 MPa，制備時間為3 min.擊實成型采用馬歇爾擊實儀完成，試樣分3層進(jìn)行擊實，每層擊實120次.

試件1采用擊實成型，其試樣平均密度為2.47 g/cm3，實驗溫度控制值為4.8 ℃，圍壓為0.1 MPa、0.4 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa，軸向加載速率為0.24 mm/min.試件2采用靜壓成型，其試樣平均密度為2.45 g/cm3，實驗溫度控制值為4.8 ℃，圍壓為0.1 MPa、0.4 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa，軸向加載速率為0.24 mm/min.圖2為水工瀝青混凝土靜壓成型與擊實成型試件三軸實驗σ1-σ3，與體應(yīng)變ε1的對比關(guān)系.

圖2 兩種成型方式三軸實驗與體應(yīng)變對比

從圖2可以看出，相同條件下，靜壓成型試件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線更為陡峭，峰值更大.在低溫4.8 ℃，與低圍壓0.1 MPa下，靜壓成型試件達(dá)到應(yīng)力峰值時對應(yīng)的軸向體應(yīng)變小于擊實成型試件.由此說明，壓實機(jī)理不同對瀝青混凝土力學(xué)性能有著較大影響.

隨后研究加載速率對三軸試驗的影響，本次試驗選取擊實成型試樣，試驗溫度為4.8℃，圍壓為0.1 MPa、0.4 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa，加載速率為0.048 mm/min、0.24 mm/min 、1.2 mm/min三種.試驗結(jié)果(見圖3).

圖3 不同加載速率下的三軸試驗結(jié)果

由圖3可以看出，不同圍壓下的加載速率三軸試驗影響曲線的變化趨勢基本一致.相同圍壓下，加載速率越大，三軸應(yīng)力值越高，破壞性越強(qiáng).不同圍壓下，加載速率相同時，三軸應(yīng)力值增長較慢.此實驗說明，加載速率越慢，瀝青混凝土材料調(diào)整時間越長，試件越不容易發(fā)生體積膨脹.

3 結(jié) 論

瀝青混凝土是水工建筑物防滲系統(tǒng)的主要用料，尤其廣泛應(yīng)用于土石壩心墻材料.隨著壩高的不斷增加，心墻的安全穩(wěn)定性至關(guān)重要.水工瀝青混凝土的滲透系數(shù)一般小于10-7cm/s，具有良好的防滲漏新能，可隨壩體變形，抗拉、抗壓應(yīng)變比值最大可達(dá)5%，變形性能良好.首先對瀝青混凝土的制備要求和配比設(shè)計進(jìn)行探討.隨后基于三軸試驗，對瀝青混凝土心墻進(jìn)行研究，得出擊實成型、靜壓成型實驗結(jié)果，以及加載速率對瀝青混凝土力學(xué)性能的影響.研究表明：

(1)油石比B對瀝青混凝土材料的影響最為重要，對于克拉瑪依水工70號瀝青，油石比取6.7%、填料用量F取12%、級配指數(shù)取0.37時效果最好.

(2)壓實機(jī)理不同對瀝青混凝土力學(xué)性能有著較大影響.靜壓成型試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線更為陡峭，峰值更大.

(3)加載速率越慢，瀝青混凝土材料調(diào)整時間越長，試件越不容易發(fā)生體積膨脹.

參考文獻(xiàn)：

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