李澤鵬，何建新

（新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

1 研究背景

在心墻瀝青混凝土的組成材料中，細骨料一般多采用人工砂。人工砂是將石塊破碎、粉磨后得到的，使用人工砂的心墻瀝青混凝土的強度和穩(wěn)定性在滿足設計要求方面有較大的保障，因此很多心墻瀝青混凝土配合比設計把人工砂作為細骨料擺在首選位置[1]。然而人工砂大多需用堿性礦料破碎制成，在破碎過程中存在堿性礦料儲備不足、破碎后人工砂獲得量少且石粉含量高等特點，導致工程成本增加的同時還會影響到工程進度[2-3]。天然砂是巖石經(jīng)自然條件作用而形成的粒徑小于4.75 mm的顆粒，按生成環(huán)境分為河砂、海砂、山砂。新疆天然砂具有分布范圍廣、開采方便且成本低等特點，若能就地取材全部使用天然砂作為心墻瀝青混凝土的細骨料，則可方便施工并降低工程造價，具有較大的經(jīng)濟意義和社會效益[4-7]。但目前對于細骨料全部使用天然砂在心墻瀝青混凝土中的應用研究還很少，主要探究使用不同摻量的天然砂與人工砂混摻對瀝青混凝土相關性能的影響[8-10]。

本文結(jié)合新疆某在建碾壓式瀝青混凝土心墻壩工程，在相同配合比下，制備天然砂與人工砂兩種不同細骨料的瀝青混凝土試件，通過室內(nèi)相關試驗對比分析細骨料全部使用天然砂和人工砂的瀝青混凝土試件的性能，探究了兩種細骨料對心墻瀝青混凝土性能的影響，為該工程細骨料的選擇提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。同時，也可為類似工程提供參考。

2 原材料性能及瀝青混凝土配合比

2.1 原材料性能試驗所用的原材料包括瀝青、骨料和填料。

瀝青為克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的70號（A）級道路石油瀝青，技術(shù)性能見表1。

粗骨料由距工程區(qū)約120公里的堿性骨料場提供，經(jīng)實驗室篩分后分為2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm和9.5～19 mm三個粒級，9.5～19 mm顆粒級配曲線如圖1所示。粗骨料質(zhì)地堅硬、新鮮，加熱過程中未出現(xiàn)開裂、分解等不良現(xiàn)象，技術(shù)性能見表2。

細骨料考慮人工砂和天然砂兩種，人工砂同粗骨料亦選自堿性骨料場，天然砂為工程區(qū)砂石料廠提供。為保證人工砂與天然砂級配相同，將人工砂分級篩分為0.075～0.15 mm、0.15～0.3 mm、0.3 ～ 0.6 mm、0.6 ～ 1.18 mm和1.18 ～ 2.36 mm五個粒級后，參照圖2天然砂的級配曲線進行摻配。兩種細骨料的技術(shù)性能見表3。

填料是由破碎后的堿性骨料經(jīng)實驗室磨粉后篩分所得到的，技術(shù)性能見表4。

瀝青、粗細骨料和填料的各項指標均滿足《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》[11]（DL/T5362-2006）中的要求。

表1 瀝青的技術(shù)性能

表2 粗骨料的技術(shù)性能

表3 細骨料的技術(shù)性能

表4 填料的技術(shù)性能

2.2 瀝青混凝土配合比本工程心墻瀝青混凝土配合比經(jīng)過優(yōu)選后，設計參數(shù)為：級配指數(shù)0.39、瀝青用量6.8%、填料用量13%?；A配合比如表5所示。

表5 瀝青混凝土設計優(yōu)選配合比

圖1 9.5～19mm顆粒級配曲線

圖2 細骨料顆粒級配曲線

3 試驗方法簡介

根據(jù)上述采用的配合比，室內(nèi)試驗方法均參照《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》[11]（DL/T5362—2006）進行。

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗按照馬歇爾試件成型的方法將兩種細骨料各制備6個試件（高63.5 mm，直徑101.6 mm）并分成兩組，每組3個試件，分別測定試件的密度和孔隙率。各取一組試件置于（40±1）℃和（60±1）℃的恒溫水槽中，恒溫40 min后將試件直接置于試驗機上采用（50±5）mm/min的加載速率進行試驗。當荷載達到最大值時試驗結(jié)束，分別記錄壓力值和位移值，取三個試件的試驗平均值作為試驗結(jié)果。當3個試件測定值中最大值或最小值其中一個與中間值之差超過中間值的15%時，取中間值；當測定值的最大值和最小值與中間值之差均超過中間值的15%時，應重做試驗。

3.2 瀝青混凝土單軸壓縮試驗根據(jù)上述采用的配合比，將兩種細骨料各制備3個單軸壓縮試件（高100 mm，直徑100 mm），分別測定試件的密度和孔隙率。將試件在10.0℃水槽中恒溫4 h后放置于10 t自動控溫萬能材料試驗機（UTM-5105）上，采用1.0 mm/min的加載速率進行試驗。取值方法與馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗相同。

3.3 瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗將兩種細骨料各制備6個水穩(wěn)定性試件（高100 mm，直徑100 mm）并分成兩組，每組3個試件，分別測定試件的密度和孔隙率。將第一組試件置于20℃的空氣中恒溫48 h后，直接進行壓縮試驗。另一組試件置于60℃的水中浸泡48 h后，再在20℃的水中恒溫2 h，然后進行壓縮試驗。瀝青混凝土的水穩(wěn)定性系數(shù)為：在60℃的水中浸泡48小時試件的抗壓強度與另一組試件在20℃的空氣中恒溫48小時直接進行壓縮試驗的試件的抗壓強度之比。取值方法與馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗相同。

3.4 瀝青混凝土小梁彎曲試驗將兩種細骨料各制備3個小梁彎曲試件（250 mm×40 mm×35 mm），分別測定試件的密度。將試件置于10℃恒溫箱中恒溫3 h后，放置在瀝青混凝土綜合試驗機上進行試驗，以1%/min應變速率加載，利用位移及荷重傳感器采集試驗數(shù)據(jù)。取值方法與馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗相同。

3.5 瀝青混凝土拉伸試驗將兩種細骨料各制備3個拉伸試件（220 mm×40 mm×40 mm），分別測定試件的密度。將制備好的試件置于10℃恒溫箱中恒溫4 h后進行拉伸試驗，試驗溫度條件與恒溫箱溫度相同，變形速度按1%/min的應變速率加載，通過傳感器用計算機采集試驗過程中試件的力和變形，由試件面積和長度計算出試件的抗拉強度和拉應變。取值方法與馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗相同。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗結(jié)果見表6。

瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗是瀝青混凝土配合比設計及瀝青混凝土施工質(zhì)量控制中最重要的試驗項目，反映了瀝青的抵抗承載能力和變形能力。從表中數(shù)據(jù)可以得出：在40℃和60℃時全部使用人工砂制備的瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度較天然砂分別高3.3%和7.9%，而流值則分別低6.4%和17.5%，且在60℃時，其二者的馬歇爾穩(wěn)定度均較40℃時有明顯下降，而流值均有明顯上升。試驗結(jié)果表明，在兩種試驗溫度下細骨料全部使用人工砂的馬歇爾穩(wěn)定度表現(xiàn)較好，而使用天然砂則會降低瀝青混凝土的穩(wěn)定度并提高流值。

由于瀝青屬于酸性材料，而人工砂為堿性骨料破碎制成，與瀝青接觸后會在骨料界面發(fā)生化學反應，形成化學吸附，生成的化學產(chǎn)物有利于二者的結(jié)合，在瀝青混凝土拌和及成型時會形成較多的結(jié)構(gòu)瀝青；而天然砂表面圓滑且含酸性礦物較多，與瀝青發(fā)生作用時化學吸附較少，物理吸附較多，因此在拌合及成型時骨料的周圍會形成較多的自由瀝青，當結(jié)構(gòu)瀝青含量少、自由瀝青含量多的情況下會使骨料在荷載作用下更易于滑動位移，從而降低穩(wěn)定度，提升流值[12-13]。

表6 馬歇爾穩(wěn)定度及流值試驗結(jié)果

4.2 瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗結(jié)果見表7。

表7 瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

從表中數(shù)據(jù)可以得出，全部使用天然砂的瀝青混凝土水穩(wěn)定系數(shù)較人工砂低2.1%，但水穩(wěn)定系數(shù)變化不明顯。試驗結(jié)果表明，兩種細骨料制備的瀝青混凝土水穩(wěn)定性差別不大。

究其原因，主要是與骨料和瀝青的黏附性以及瀝青膠漿膜抗水剝離的能力有關。當試件浸水后，水分會滲入瀝青與骨料的結(jié)合面上，使瀝青與骨料的黏附性以及瀝青自身的黏結(jié)力逐漸喪失，從而使得瀝青膠漿膜從骨料表面脫落或剝離[14-18]。顯然，黏附性與抗水剝離能力有密切聯(lián)系。由于天然砂大多呈酸性，相較于人工砂而言其表面圓滑、比表面積小且黏附性差，導致試件遭遇水損害后會有更多瀝青膠漿膜被剝離，因此與人工砂相比細骨料全部使用天然砂的瀝青混凝土水穩(wěn)定系會較低；其次，由于本次試驗采用的工程區(qū)的天然砂水穩(wěn)定等級較高，為9級，而人工砂的水穩(wěn)定等級為10級，兩者水穩(wěn)定等級都大于6級，在現(xiàn)有水穩(wěn)定性試驗方法的基礎上，兩種瀝青混凝土的水穩(wěn)定性未能體現(xiàn)出較大差異，均能滿足規(guī)范要求。

4.3 瀝青混凝土相關力學性能及變形性能試驗瀝青混凝土相關力學性能及變形性能試驗結(jié)果見表8。

表8 兩種細骨料配置的瀝青混凝土相關力學性能試驗結(jié)果對比表

從表中數(shù)據(jù)可以得出，細骨料全部使用人工砂制備的瀝青混凝土抗壓強度、抗彎強度、抗拉強度較天然砂分別高21.3%、2.7%、56.8%，對應的應變則分別低15.2%、2.1%、10.9%。試驗結(jié)果表明，細骨料全部使用人工砂制備的瀝青混凝土力學強度均高于天然砂，而使用天然砂可有效提升心墻瀝青混凝土適應變形的能力。

由于人工砂為堿性骨料破碎制成，其表面粗糙、棱角分明、比表面積較大，能夠增強與瀝青的黏附能力，可形成較多的結(jié)構(gòu)瀝青，進而與礦料表面黏結(jié)更為緊密。在外力作用下，人工砂可與骨料之間形成良好的嵌擠作用，使骨料間緊密的咬合在一起，且由于結(jié)構(gòu)瀝青對骨料的較強黏結(jié)作用，從而進一步加強了骨料間的咬合程度，這一綜合作用的外在宏觀表現(xiàn)為其突出的力學性能；對于天然砂而言，由于其表面圓滑、棱角性差，在外力作用下天然砂可起到良好的滾珠作用，能夠使骨料之間的摩擦阻力減小，進而加劇骨料間的相對滑動。同時因其與瀝青黏附性較低、化學吸附較弱，使其與瀝青發(fā)生作用時形成的自由瀝青含量增多，能夠改善瀝青混凝土拌和物和易性的同時也會導致流動性增大，因此主要由瀝青與粗骨料的黏結(jié)性承擔的力學性能較差，而對應的變形性能則表現(xiàn)較好。

5 結(jié)論

（1）在相同配合比下，細骨料全部使用人工砂制備的瀝青混凝土力學強度均高于天然砂；表面光滑的天然砂與瀝青作用后形成了較多的自由瀝青，可有效改善瀝青混凝土拌和物和易性，提升心墻瀝青混凝土適應變形的能力。由于本工程天然砂水穩(wěn)定等級較高，因此兩種瀝青混凝土的水穩(wěn)定性未能體現(xiàn)出較大差異。

（2）在相同配合比下，兩種細骨料制備的心墻瀝青混凝土雖各有優(yōu)劣，但均能滿足《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規(guī)范》（SL501—2010）的要求。

（3）由于工程區(qū)天然砂儲量豐富，可就地取材方便施工，并能節(jié)省工程造價，而堿性骨料場距工程區(qū)運輸距離遠且人工砂獲取率低。因此，選擇天然砂作為該工程心墻瀝青混凝土的細骨料是合適的。