瀝青混凝土心墻材料配合比設(shè)計及性能試驗研究

侯 程,張新標,胡成陶,劉 偉,齊晟哲

(1.中水君信工程勘察設(shè)計有限公司,成都 610065;2.西華大學,成都 610039)

0 引言

瀝青混凝土心墻壩具有適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形能力強、防滲性能好、抗震效果佳、容易就地取材降低工程造價等優(yōu)點,是一種應(yīng)用廣泛的大壩[1-2]。尤其受到西藏、四川、新疆等高寒高海拔地區(qū)的偏愛[3]。

瀝青混凝土的性能通常受到骨料、瀝青、礦料配合比等因素的影響,其中礦料配合比是指瀝青混凝土中瀝青的骨料、填料,油石比等材料類型及最佳含量的比例。這種設(shè)計旨在能滿足使用要求的同時又能符合節(jié)約成本的需要[4]。目前常見的一些配合比選擇方法有由美國學者Bruce·Marshall根據(jù)土工試驗提出并逐步改進的馬歇爾試驗法[5-6],這種試驗方便直觀,因此被廣泛采納。余華英等[7]利用灰色關(guān)聯(lián)法研究了級配指數(shù)、填料含量和油石比對水工瀝青混凝土孔隙率的影響;宋日英等[8]通過不同瀝青含量的混凝土試件靜三軸試驗研究瀝青含量對瀝青混凝土的影響;魏蕓[9]利用正交實驗法設(shè)計瀝青混凝土的配合比并研究溫度對瀝青混凝土的影響。

本文通過組合不同配合比瀝青混凝土進行相關(guān)力學試驗研究,探求瀝青混凝土力學性能變化特性,驗證初選瀝青混凝土心墻的適用性,優(yōu)選出適合馬鞍山水庫瀝青混凝土心墻瀝青混凝土配合比。研究成果為工程設(shè)計和施工中瀝青混凝土材料選擇提供可靠的理論依據(jù)。

1 試驗原材料

(1)粗骨料

試驗采用兩種材料,一種是灰?guī)r料,另一種是輝長巖料?；?guī)r塊料按風化程度從感觀上大致分為4類:①類為好的石灰?guī)r塊石;②類為溶蝕石灰?guī)r;③類為風化石灰?guī)r;④類為雜料。

經(jīng)鑒定,灰?guī)r料為堿性,好的灰?guī)r料滿足規(guī)范要求,但灰?guī)r料混雜較為嚴重,有較重溶蝕、風化現(xiàn)象,破碎后細料幾乎為泥土,所以不宜用作粗骨料。因此采用輝長巖作為粗骨料。對輝長巖骨料酸堿性進行判斷,采用礦物分析法和計算法進行判斷,其中礦物分析法根據(jù)SiO2含量<45 %為超堿性,SiO2含量45 %～52 %為堿性,SiO2含量52 %～65 %為中性,SiO2含量>65 %酸性;計算法計算M=(CaO+MgO+FeO)/SiO2,當M>1時為堿性,M=0.6～1時為中性,M<0.6時為酸性。因樣品化學成分分析的差異性,綜合試驗分析結(jié)果評定輝長巖應(yīng)為中性。

選取粒徑19～2.36 mm的顆粒進行粗骨料鑒定試驗,輝長巖粗骨料的檢測結(jié)果如表1。

表1 輝長巖粗骨料質(zhì)量檢測結(jié)果

根據(jù)試驗檢測結(jié)果:輝長巖中性且質(zhì)地堅硬,并且輝長巖開裂或分解等情況在加熱過程中均未出現(xiàn)。同時建議在瀝青中加入瀝青含量0.2 %以上PA-1抗剝落劑,經(jīng)過測驗,加入抗剝落劑后黏附力有明顯提升,堅固性也滿足規(guī)范要求,因此該粗骨料可用于馬鞍山水庫瀝青混凝土心墻。

(2)細骨料

在實驗室將天然砂和輝長巖破碎料破碎、篩分出2.36～0.075 mm粒徑的人工砂作為細骨料。通過密度、水穩(wěn)定等級、硫酸鈉5次循環(huán)重量損失及泥土含量的測定,細骨料質(zhì)量測定結(jié)果見表2。

表2 細骨料質(zhì)量測定結(jié)果

經(jīng)綜合評定,輝長巖破碎后的人工砂細骨料滿足規(guī)范要求,天然砂除含泥量偏大外,其余指標滿足規(guī)范要求,建議該細骨料中含泥量合格的天然砂可用于馬鞍山水庫瀝青混凝土心墻。

(3)填料

石灰?guī)r礦粉用作填料。通過酸堿、密度試驗、含水量試驗、親水性系數(shù)試驗和填料分級篩選試驗,填料檢測結(jié)果見表3。

表3 填料質(zhì)量鑒定結(jié)果

經(jīng)綜合評定,填料石灰?guī)r礦粉的各項指標滿足規(guī)范要求,可作為馬鞍山水庫大壩心墻瀝青混凝土的填料。

(4)瀝青

針對克拉瑪依70號A級瀝青進行質(zhì)量鑒定結(jié)果見表4。

表4 克拉瑪依70號A級瀝青鑒定結(jié)果

經(jīng)綜合評定,克拉瑪依70號A級瀝青的各項技術(shù)指標滿足規(guī)范要求,可用于馬鞍山水庫大壩瀝青混凝土心墻中的瀝青原料中。

2 瀝青混凝土配合比設(shè)計

設(shè)計出合適的水工瀝青混凝土配合比需要經(jīng)過多方面試驗,確定礦料的級配指數(shù)、瀝青含量、天然砂含量等因素。根據(jù)不同的配料組合在基本性能試驗中的結(jié)果初選推薦的配合比瀝青混凝土。同時在19.6 ℃的條件下對推薦的配合比瀝青混凝土開展劈裂試驗,探究瀝青混凝土心墻的應(yīng)力應(yīng)變特點以確定適合工程項目的瀝青混凝土性能。

最大礦料粒徑選Dmax=19 mm,混凝土試件制備方法為馬歇爾擊實成型法[10],擊實試件兩面各20次。試件鋼模直徑為101.6±0.2 mm、鋼模高76.2 mm,固定試件高度63.5±0.5 mm。每種配合比在相同條件下制備3個試件用以保證實驗的低誤差性。測定不同配比參數(shù)下試樣的密度和孔隙率,通過劈裂試驗測量間接拉伸載荷和豎向位移,計算出劈裂試驗加載速度為1.0 mm/ min條件下試件間接拉伸強度和間接拉伸應(yīng)變。

2.1 級配指數(shù)的影響

控制最大礦料粒徑、填料含量與油石比等試驗常量,選擇不同的級配指數(shù)組成4種不同配合比,見表5。同樣控制條件下每種配合比瀝青混凝土制備3個試件共12個試件,進行劈裂試驗,結(jié)果見表6及圖1。

1號瀝青混凝土劈裂試驗曲線

表5 瀝青混凝土配合比參數(shù)

表6 1～4號瀝青混凝土劈裂試驗結(jié)果

試驗結(jié)果顯示,隨著級配指數(shù)的增加,瀝青混凝土間接拉伸強度變化不大,但當級配指數(shù)為0.40時強度較大且分布較為集中,并且級配指數(shù)對間接拉伸應(yīng)變影響不大,因此推薦級配指數(shù)為0.40。

2.2 填料含量的影響

根據(jù)不同級配指數(shù)瀝青混凝土配合比試驗結(jié)果,固定瀝青混凝土礦料0.4級配指數(shù)及6.5 %油石比,選擇8 %、10 %、12 %、14 %不同比例的填料含量,組成4種不同的瀝青混凝土配合比,見表7。相同條件下不同配合比的瀝青混凝土分別制備3個試件進行劈裂試驗,試驗結(jié)果見表8及圖2。

5號瀝青混凝土劈裂試驗曲線

表7 瀝青混凝土配合比參數(shù)

表8 5、6、3、7號瀝青混凝土劈裂試驗結(jié)果

試驗結(jié)果顯示,試驗常量為級配指數(shù)與油石比時,填料含量越大,間接拉伸應(yīng)變越大,但當填料含量為12 %時,間接拉伸強度最大,因此推薦填料含量為12 %。

2.3 油石比的影響

由瀝青混凝土配合比不同填料含量試驗結(jié)果,分別選擇6.2 %、6.5 %、6.8 %、7.1 %油石比組成4種瀝青混凝土配合比,具體參數(shù)見表9,劈裂試驗結(jié)果見表10及圖3。

8號瀝青混凝土劈裂試驗曲線

表9 瀝青混凝土配合比參數(shù)

表10 8、3、9、10號瀝青混凝土劈裂試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可見,控制級配指數(shù)與填料含量不變,油石比越大而間接拉伸強度逐漸減小,但是間接拉伸應(yīng)變逐漸增大。

2.4 天然砂的影響

根據(jù)以上試驗結(jié)果,控制級配指數(shù)0.40、填料含量12 %,油石比6.8 %因素不變。取0 %、30 %、50 %的天然砂分別組成3種不同的配合比瀝青混凝土,具體參數(shù)見表11,混凝土理論密度及孔隙率見表12,劈裂試驗結(jié)果見表13及圖4。

9號瀝青混凝土劈裂試驗曲線

表11 瀝青混凝土配合比參數(shù)

表12 瀝青混凝土理論密度及孔隙率結(jié)果

表13 3種配合比瀝青混凝土劈裂試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果顯示,在細骨料中摻加天然砂間接拉伸強度略有增大,天然砂占細骨料百分比對間接拉伸應(yīng)變的影響不大。

2.5 優(yōu)選的瀝青混凝土配合比

配合比材料與級配參數(shù)見表14,礦料級配見表15。

表14 9、12號配合比瀝青混凝土參數(shù)

表15 9、12號配合比礦料級配參數(shù)

綜合考慮變形、試件強度、施工難易度、耐久性與經(jīng)濟合理性因素,參考瀝青混凝土配合比的各項試驗結(jié)果,結(jié)合馬鞍山水庫實際工程情況,優(yōu)選9號和12號配合比瀝青混凝土做進一步性能試驗,根據(jù)試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)填料含量的變化對瀝青混凝土性能影響相比其他因素更大。

3 瀝青混凝土性能試驗分析

對9號、12號配合比混凝土進行物理力學性能試驗結(jié)果見表16～表18,研究結(jié)果表明9號、12號配合比瀝青混凝土的各項物理力學參數(shù)均滿足大壩瀝青混凝土心墻規(guī)范標準。

表16 推薦的9、12號瀝青混凝土配合比力學性能

表17 瀝青混凝土非線性E-B模型參數(shù)

表18 瀝青混凝土非線性E-μ模型參數(shù)

推薦9號、12號配合比瀝青混凝土需進行現(xiàn)場攤鋪試驗驗證,瀝青混凝土性能滿足規(guī)范和設(shè)計要求,方可用于大壩心墻施工。

4 結(jié)論

通過不同配合比試驗得出適用于馬鞍山水庫大壩瀝青混凝土心墻的最佳配合比,對比分析初選配合比的瀝青混凝土進行性能試驗結(jié)果:

(1)級配指數(shù)對瀝青混凝土的間接拉伸強度影響不大,但級配指數(shù)為0.40時瀝青混凝土強度略大且分布較為集中,并且級配指數(shù)對間接拉伸應(yīng)變影響不大。

(2)隨著填料含量增加間接拉伸應(yīng)變也在逐漸增大,但當填料含量為12 %時,瀝青混凝土的間接拉伸強度最大,同時發(fā)現(xiàn)填料含量的變化對瀝青混凝土的性能影響最大。

(3)隨著油石比的增大而間接拉伸強度逐漸減小,油石比的增大而間接拉伸應(yīng)變逐漸增大。

(4)在細骨料中摻加天然砂間接拉伸強度略有增大,天然砂占細骨料百分比對間接拉伸應(yīng)變的影響不大,說明設(shè)計方案中針對細骨料采取天然砂和人工砂混合的方案是可行的,同時也可以降低瀝青混凝土經(jīng)濟成本。

總歸來說,馬鞍山水庫大壩采取瀝青混凝土心墻方案防滲是可行的,且利用天然砂和人工砂混合細骨料可以節(jié)約成本,對類似工程具有一定的參考價值。