潘柯帆，趙凱歌，龔朝貴，楊 奎，董建剛，李凱奇

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.中國葛洲壩集團(tuán)第一工程有限公司，湖北 宜昌 443000)

澆筑式的瀝青混凝土具有裂縫能夠自愈，適應(yīng)冬季施工條件，以及施工澆筑期短，方便管理等優(yōu)點，在土石壩心墻澆筑上得到了廣泛地運用[1]，但是澆筑材料的物理性能則會影響土石壩心墻的澆筑效果。宋日英等通過不同瀝青含量的試件分別在5℃和10℃下的三軸試驗來分析瀝青含量對瀝青混凝土材料的黏聚力、最大偏應(yīng)力以及內(nèi)摩擦角的影響[2]，余梁蜀等根據(jù)瀝青混凝土的性能研究其防滲體不同配比的設(shè)計方法[3],王相峰等分析了不同壩高下，不同瀝青含量和溫度對澆筑混凝土心墻壩工作性能的影響[4]。國內(nèi)外眾多專家大多只考慮到瀝青含量對澆筑材料的影響。本文通過在冬季低溫環(huán)境下，相同瀝青含量，不同級配下的瀝青混凝土試驗來研究其最優(yōu)施工配合比對于心墻壩澆筑的影響。

1 試驗方案及材料

1.1 試驗方案

者岳水庫位于貴州省冊亨縣弼佑鄉(xiāng)者岳村境內(nèi)，位于秧壩河一級支流弼佑河者岳溝上，工程規(guī)模為小(1)型，工程等別為Ⅳ等。為了研究瀝青混凝土心墻壩澆筑材料的水穩(wěn)定性以及滲透性，本次試驗嚴(yán)格參照《水工瀝青混凝土施工規(guī)范》(SL 514—2013)、《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5362—2018)以及相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，開展瀝青混凝土物理性能試驗[5]。

1.2 試驗材料

瀝青用料為中石油克拉瑪依石化公司水工70(SG-70)號瀝青， 該試驗采用的粗骨料潔凈，質(zhì)地堅硬，粒徑分別為2.36～4.75 mm、4.75～9.50 mm、9.50～19.0 mm，其中2.36～4.75 mm 骨料是由試驗中的細(xì)骨料(粒徑0～4.75 mm)中篩分出來的骨料。細(xì)骨料(粒徑0～4.75 mm)在室內(nèi)試驗中將其篩分為粒徑0～2.36 mm、2.36～4.75 mm兩級。填料為密度2.69 g/cm3，含水率為0.1%，親水系數(shù)為0.56的礦粉。根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，參與試驗研究的各類材料均滿足技術(shù)要求。

2 瀝青混凝土室內(nèi)配合比試驗

2.1 配合比參數(shù)技術(shù)要求

本次試驗采用的瀝青混凝土配合比根據(jù)《貴州省冊亨縣者岳水庫工程施工技術(shù)要求》中采用的瀝青混凝土建議配合比(見表1)，再結(jié)合《水工瀝青混凝土施工規(guī)范》(SL 514—2013)中的技術(shù)要求，選取不同骨料級配指數(shù)、不同礦粉用量以及固定的瀝青含量組成各種不同配合比，通過孔隙率試驗選擇出滿足工程要求的較優(yōu)2～3個瀝青混凝土配合比用于現(xiàn)場試驗[6]。

表1 瀝青混凝土配合比的材料和級配參數(shù)

2.2 礦料級配

礦料級配指的是將粗骨料、細(xì)骨料以及填充料按合適的比例配合，使其具有最小的空隙率和最大的摩擦力的合成級配。在本次配合比設(shè)計中，采用最大密度曲線理論進(jìn)行礦料級配的計算。最大密度曲線指的是固體顆粒按粒度大小有規(guī)則地組合排列，粗細(xì)搭配，可以得到密度最大，空隙最小的混合料。并提出礦料的混合級配曲線愈接近于拋物線，則密度愈大。最大密度曲線理論提出應(yīng)用于實際工程中的礦料級配計算公式如下[3]：

(1)

式中：Pi為篩孔尺寸為di時的通過率，%；P0.075為0.075 mm篩孔的通過率，相對于填料用量，%；n為礦料級配指數(shù)；di為篩孔尺寸，mm；D為礦料最大粒徑，mm。

礦料級配計算式中礦料最大粒徑D參數(shù)已經(jīng)確定為(D=19.0 mm)，只要選定了礦料級配指數(shù)n和填充料用量P0.075(下文簡稱填充料用量為P)，就能計算出各級礦料的用量。因此這次瀝青混凝土配合比設(shè)計的內(nèi)容就是選擇合理的三個配合比參數(shù)，即礦料級配指數(shù)n、填充料用量P以及瀝青含量。

根據(jù)《水工瀝青混凝土施工規(guī)范》(SL 514—2013)，選擇0.45、0.42、0.39三種級配指數(shù)，每種級配指數(shù)分別進(jìn)行12%、11%、10%三種填充料用量試驗，級配指數(shù)和填充料用量組合見表2，其最大密度曲線理論級配見表3。

經(jīng)過室內(nèi)的配合比試驗，可以發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過人工摻配后的礦料級配跟理論上的最大密度曲線級配還是存在一些誤差，其中以13.0～16.0 mm顆粒比較少，還是無法完全和理論上的最大密度曲線級配重合，這是由于在此次試驗中的礦料在13.0～16.0 mm級別的顆粒較少導(dǎo)致的，所以在之后的現(xiàn)場施工當(dāng)中可以適當(dāng)?shù)貙ΦV料進(jìn)行再次細(xì)分。

表2 級配指數(shù)和填充料用量組合

2.3 瀝青混凝土密度、孔隙率試驗

采用不同級配指數(shù)和不同填充料用量組合、固定6.5%的瀝青含量分別制備試件，按照《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5362—2018)要求，試件制備采用馬歇爾擊實成型法，兩面各擊35次[7]。試件鋼模直徑為101.6 mm，試件厚度控制為63.5±0.5 mm。為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，每種配比在相同條件下制備3個試件，進(jìn)行瀝青混合料外觀評述、測定不同配比參數(shù)條件下試件的密度和孔隙率。試驗中，瀝青混凝土密度試驗采取排水置換法(其適用于孔隙率小于3%的試件)；瀝青混凝土密度、孔隙率效果見圖1。

試驗結(jié)果表明在標(biāo)準(zhǔn)試驗溫度下，經(jīng)馬歇爾擊實儀正、反兩面擊實次數(shù)為35次后的瀝青混凝土馬歇爾試件，分成9組的瀝青混凝土試件的配合比密度均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。從圖1可知，7號試件的孔隙率最低，為最優(yōu)。

表3 最大密度曲線理論級配 %

圖1 瀝青混凝土試件孔隙率散點圖

3 瀝青混凝土性能試驗

3.1 初選瀝青混凝土配合比

通過瀝青混凝土密度、孔隙率試驗分析，配合比在瀝青含量為6.5%、不同級配指數(shù)，填料用量12%時，瀝青混凝土孔隙率最小。因此，瀝青混凝土配合比初選三組(級配指數(shù)0.45、填料用量12%、瀝青含量6.5%,級配指數(shù)0.42、填料用量12%、瀝青含量6.5%,級配指數(shù)0.39、填料用量12%、瀝青含量6.5%)為進(jìn)行瀝青混凝土滲透試驗、水穩(wěn)定性試驗的配合比，初選瀝青混凝土配合比見表4。

表4 初選瀝青混凝土配合比

3.2 瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗

水穩(wěn)定性試驗的試驗方案：首先將同組的6個試件分成兩組，第一組試件放在(20±1)℃空氣中不少于48 h，第二組試件先浸入溫度為(60±1)℃的水中48 h，然后移入溫度為(20±1)℃的水中2 h，再進(jìn)行抗壓強度試驗；兩組試件抗壓強度的平均值之比為水穩(wěn)定系數(shù)。試驗中試件尺寸為φ100 mm×100 mm的圓柱體試件，加載速度為1 mm/min，瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗結(jié)果見表5～表7。

表5 1號配合比瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗成果

表6 4號配合比瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗成果

表7 7號配合比瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗成果

從試驗成果可知，所選的1號、4號、7號配合比瀝青混凝土的水穩(wěn)定系數(shù)符合設(shè)計不小于0.9的要求。其中7號級配為級配指數(shù)0.42的瀝青混凝土的水穩(wěn)定性較為優(yōu)良，說明在填料用量以及瀝青用量相同的情況下，試件水穩(wěn)定性跟級配是否合理有著很大的關(guān)系。

3.3 瀝青混凝土滲透試驗

瀝青混凝土滲透按照《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5362—2018)要求成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，在溫度為20℃的條件下進(jìn)行變水頭滲透試驗。初選的1號、4號、7號三組配合比進(jìn)行滲透試驗檢測成果見表8。

從表8試驗成果可知，所選的1號、4號、7號配合比瀝青混凝土的滲透系數(shù)符合設(shè)計小于等于1×10-8cm/s的要求。其中以4號配合比的瀝青混凝土試件的滲透性為最優(yōu)。

表8 瀝青混凝土滲透試驗成果

4 結(jié) 論

(1)本次試驗采用的原材料在經(jīng)過各項指標(biāo)的檢測之后，能夠達(dá)到相關(guān)水工規(guī)范的要求。

(2)經(jīng)人工摻配后的合成礦料級配與最大密度曲線理論級配存在一定差異，13.0～16.0 mm顆粒偏少，還是無法完全和理論上的最大密度曲線級配重合，在實際的施工澆筑時，可以將9.50～19.0 mm的骨料進(jìn)行再次分級，摻配調(diào)整后使用最為合理的瀝青混凝土配料單。

(3)在綜合分析瀝青混凝土澆筑材料在冬季低溫條件下的物理性能試驗成果后，1號、4號、7號配合比的瀝青混凝土滲透系數(shù)、水穩(wěn)定系數(shù)均滿足相關(guān)的設(shè)計技術(shù)要求。在孔隙率方面，7號試件效果較好，從水穩(wěn)定性方面7號效果較好，在滲透性方面，4號配合比的瀝青混凝土試件最優(yōu)。這說明在填料用量以及瀝青用量相同的情況下，試件水穩(wěn)定性和滲透性跟級配是否合理有著很大的關(guān)系。