趙承清 張國(guó)輝 楊振東 張?zhí)? 陳志軍

摘 要：孔隙率為心墻瀝青混凝土重要技術(shù)控制指標(biāo)，其影響因素研究對(duì)瀝青混凝土質(zhì)量控制具有重要意義。在擊實(shí)次數(shù)相同情況下，采用控制變量的方法，系統(tǒng)研究4種級(jí)配指數(shù)、4種瀝青含量、4種填料含量條件下標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件孔隙率的變化規(guī)律。結(jié)果表明，瀝青混凝土孔隙率隨級(jí)配指數(shù)的增大而減小；隨瀝青含量的增大，呈先增大后減小趨勢(shì)，瀝青含量轉(zhuǎn)折點(diǎn)為6.8%；隨填料含量的增大，呈先減小后增大趨勢(shì)，填料含量轉(zhuǎn)折點(diǎn)為12%?；疑P(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，級(jí)配指數(shù)對(duì)孔隙率的影響最大，填料含量次之，瀝青含量最弱，且級(jí)配指數(shù)和填料含量對(duì)孔隙率的影響較大。研究結(jié)果可為目標(biāo)孔隙率下心墻瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：心墻瀝青混凝土；孔隙率；級(jí)配指數(shù)；填料含量；瀝青含量

中圖分類號(hào)：TU535

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

碾壓式瀝青混凝土心墻因其擁有較好的防滲性、良好的抗震性能、較強(qiáng)的壩體變形適應(yīng)性以及受外部環(huán)境影響小、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)［1-2］，且與黏土心墻、混凝土面板等相比具有良好的性價(jià)比，目前已經(jīng)廣泛地用于各水利工程的防滲結(jié)構(gòu)之中?？紫堵适切膲r青混凝土設(shè)計(jì)的基本指標(biāo)，孔隙率的大小直接影響到心墻的防滲性能、水穩(wěn)定性和抗滑性能等。影響瀝青混凝土孔隙率因素眾多，如壓實(shí)度、溫度、礦料級(jí)配、填料含量、瀝青含量等。張?zhí)m峰等［3］將30%填料加入混凝土中，發(fā)現(xiàn)混凝土孔隙率、平均孔徑、臨界孔徑、最幾可孔徑均最小，說明填料的摻入可以顯著改善混凝土孔結(jié)構(gòu)和孔徑分布。楊海華等［4］研究發(fā)現(xiàn)隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，試件孔隙率呈下降趨勢(shì)。楊耀輝等［5］研究發(fā)現(xiàn)在擊實(shí)溫度相同時(shí)， 擊實(shí)次數(shù)是影響試件孔隙率大小的關(guān)鍵因素。王中良等［6］研究發(fā)現(xiàn)不同溫度條件下所取芯樣的密度和孔隙率均有差異。楊樂天等［7］在馬歇爾試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)隨著終碾溫度的降低，瀝青混凝土的孔隙率增加明顯。童斯達(dá)等［8］采用體積法研究了導(dǎo)向工藝對(duì)瀝青混凝土孔隙率的影響。袁其華等［9］研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)瀝青混合料試件的孔隙率增大變化影響較為顯著。開鑫等［10］研究發(fā)現(xiàn)在擊實(shí)功相同的條件下，結(jié)合面溫度高于90 ℃的上層瀝青混凝土試件，隨著溫度的升高，試件的孔隙率在不斷增大。沙保衛(wèi)等［11］研究發(fā)現(xiàn)隨著攤鋪機(jī)激振頻率的增加，瀝青混凝土的孔隙率逐漸減小，但當(dāng)激振頻率超過80 Hz時(shí)，孔隙率有所增加。李文祥等［12］通過實(shí)際工程研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)攤鋪25 cm和30 cm時(shí)，沉降量隨碾壓遍數(shù)增加而增加，孔隙率隨碾壓遍數(shù)增加而減小。張東長(zhǎng)等［13］研究了動(dòng)荷載作用下城市道路瀝青混凝土的孔隙率變化規(guī)律。辛景峰等［14］分析了不同級(jí)配下，骨料級(jí)配指數(shù)、瀝青含量、填料含量、瀝青密度等指標(biāo)對(duì)瀝青混凝土的孔隙率的影響程度。葉永等［15］基于正交試驗(yàn)研究了影響瀝青混凝土防滲性因素中級(jí)配指數(shù)、填料含量、瀝青含量的最優(yōu)配合組合。李琦琦等［16］研究發(fā)現(xiàn)水泥作填料的瀝青混凝土長(zhǎng)期水穩(wěn)定性受孔隙率影響較大，3%孔隙率與1%相比， 試件長(zhǎng)期水穩(wěn)定系數(shù)更高。閆小虎等［17］研究發(fā)現(xiàn)在固定瀝青含量及填料用量，級(jí)配指數(shù)在0.4～0.5之間變化時(shí)，瀝青混凝土的孔隙率隨級(jí)配指數(shù)的增大而增大。黃香等［18］研究發(fā)現(xiàn)瀝青含量在6.0%～7.2%之間時(shí)，孔隙率均隨瀝青含量的增長(zhǎng)呈波浪型的變化。而針對(duì)級(jí)配指數(shù)（是一個(gè)礦料級(jí)配特征參數(shù)，反映了骨料中粗、細(xì)骨料的占比情況）、瀝青含量（瀝青質(zhì)量與瀝青混合料總質(zhì)量的比值）、填料含量對(duì)瀝青混凝土的孔隙率的交互影響規(guī)律研究甚少。

綜上，目前研究者較多關(guān)注瀝青混凝土孔隙率的單一因素影響規(guī)律研究，對(duì)瀝青含量、填料含量、級(jí)配指數(shù)三因素對(duì)瀝青混凝土孔隙率的綜合影響研究尚不系統(tǒng)。本文采用控制變量的方法，即通過固定瀝青含量、填料含量、級(jí)配指數(shù)三者中的任意兩個(gè)因素，調(diào)節(jié)另一個(gè)因素的方法來進(jìn)行試驗(yàn)。基于試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步采用灰色系統(tǒng)理論中的灰色關(guān)聯(lián)度分析，開展瀝青混凝土孔隙率影響因素的敏感性研究，從而為心墻瀝青混凝土孔隙率的控制提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)控制因素為級(jí)配指數(shù)、填料含量、瀝青含量，根據(jù)規(guī)范《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》［19］，碾壓式心墻瀝青混凝土級(jí)配指數(shù)選取范圍為0.35～0.44，填料含量選取范圍為10%～14%，瀝青含量選取范圍為6.0%～7.5%?；谝?guī)范推薦的級(jí)配指數(shù)、填料含量、瀝青含量范圍，設(shè)置4種不同級(jí)配指數(shù)、4種不同填料含量、4種不同瀝青含量，級(jí)配指數(shù)、填料含量、瀝青含量設(shè)置見表1。試驗(yàn)設(shè)置12個(gè)試驗(yàn)組，每組制備3個(gè)試件，總計(jì)36塊試件。試件尺寸為標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，尺寸為63.5±1.3 mm。按照預(yù)設(shè)配合比制備瀝青混合料，將攪拌好的瀝青混合料倒入預(yù)熱好的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試模，試件鋼模直徑為 101.6±0.2 mm、高為 76.2 mm，試件制備采用擊實(shí)成型法，利用馬歇爾擊實(shí)儀，兩面各擊 35 次，在室溫中放置24 h后脫模［20］進(jìn)行密度等相關(guān)測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用石灰?guī)r料和人工砂細(xì)骨料，經(jīng)篩分為 19～16、16～13.2、13.2～9.5、9.5～4.75、4.75～2.36 mm 和<2.36 mm粒徑6級(jí)礦料。瀝青采用克拉瑪依（A級(jí)）瀝青，其針入度PI（25 ℃，0.1 mm）為74、延度（10 ℃，5 cm/min）大于100 cm、軟化點(diǎn)為49.0 ℃；粗骨料為堿性的石灰?guī)r骨料，其密度為2.771 g/cm3、吸水率為0.77%、與瀝青黏附力為5級(jí)、堅(jiān)固性為0.95%、壓碎值為9.46%；細(xì)骨料質(zhì)地新鮮、堅(jiān)硬，經(jīng)加熱后其性質(zhì)無變化，其密度為2.709 g/cm3、水穩(wěn)定等級(jí)為9級(jí)、碳酸鈉5次循環(huán)重量損失為1.18%、吸水率為0.99%；填料為經(jīng)研磨機(jī)研磨得到的石灰?guī)r粉末，其表觀密度2.729 g/cm3、吸水率0.10%，親水系數(shù)為0.76、細(xì)度要求0.6 mm篩孔總通過率為 100.00%，0.15 mm 篩孔總通過率為 99.90%，0.075 mm 篩孔總通過率為 98.10%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

瀝青混凝土的孔隙率是指瀝青混凝土經(jīng)壓實(shí)后其內(nèi)部礦料及瀝青除外（包括礦料內(nèi)部的空隙）的體積占試樣總體積的百分?jǐn)?shù)。本試驗(yàn)測(cè)定密度的方法采取的是排水置換法，即通過分別測(cè)量試件在空氣中與水中的質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算出試件的密度。其密度計(jì)算如式（1）所示，精確至0.01 g/cm3，孔隙率計(jì)算如式（2）所示。

ρa(bǔ)=mρwm－m1 （1）

式中：ρa(bǔ)為試件的密度，g/cm3；m為試件的質(zhì)量，g；m1為試件在蒸餾水中的質(zhì)量，g；ρw為水的密度，g/cm3。

P=（1－ρa(bǔ)ρ）×100%（2）

式中：P為瀝青混凝土孔隙率，%；ρ為瀝青混凝土試件理論最大密度，g/cm3。

為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，取一組3個(gè)試件的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)3個(gè)試件測(cè)值中最大值或最小值之一與中間值之差超過中間值的15%時(shí)，取中間值；當(dāng)3個(gè)試件測(cè)值中最大值和最小值與中間值之差都超過中間值的15%時(shí)，則舍棄，重新進(jìn)行試驗(yàn)［20］。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 級(jí)配指數(shù)對(duì)孔隙率的影響

控制填料含量為12.00%，瀝青含量為6.50%，測(cè)量級(jí)配指數(shù)為0.38、0.40、0.42、0.44下的瀝青混凝土孔隙率，如圖1所示。

由圖1可知，孔隙率隨著級(jí)配指數(shù)的增加而減小。在填料含量為12.00%和瀝青含量為6.50%的情況下，級(jí)配指數(shù)從0.38增加到0.44的過程中，級(jí)配指數(shù)增加10.52%，孔隙率下降了29.33%。級(jí)配指數(shù)增大，級(jí)配曲線下移，礦料中細(xì)粒數(shù)量相對(duì)減少，使得礦料連續(xù)性相對(duì)降低，空隙有所增加。使得由填料與瀝青組成的瀝青膠漿更加容易進(jìn)入到礦料空隙中，從而使壓實(shí)成型的瀝青混合料的密度增加，孔隙率減小。

2.2.2 填料含量對(duì)孔隙率的影響

控制級(jí)配指數(shù)為0.40、瀝青含量為6.50%，測(cè)量填料含量為11.00%、12.00%、13.00%、14.00%下的孔隙率，如圖2所示。

由圖2可知，孔隙率隨著填料含量的增加，呈先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)填料含量小于12.00%時(shí)，孔隙率隨填料含量增加而降低，填料含量從11.00%增加到12.00%時(shí)，孔隙率下降了7.55%。填料含量的增加提高了瀝青膠漿的黏度，使顆粒間的空隙填充得更充分，孔隙率降低。當(dāng)填料含量大于12.00%時(shí)，孔隙率隨填料含量增加而增加，在填料含量從12.00%增加到14.00%時(shí)，孔隙率增加了22.37%。填料用量過多，瀝青與礦料黏附性降低，從而使得瀝青混合料的孔隙率升高。

2.2.3 瀝青含量對(duì)孔隙率的影響

控制級(jí)配指數(shù)為0.40、填料含量為12.00%，測(cè)量瀝青含量為6.00%、6.50%、6.80%、7.20%下的孔隙率，如圖3所示。

由圖3可知，孔隙率隨著瀝青含量的增加，先增大后減小。當(dāng)瀝青含量小于6.80%時(shí)，孔隙率隨瀝青含量的增加而增大。譬如，瀝青含量從6.00%增加到6.80%時(shí)，孔隙率增加了29.18%。而當(dāng)瀝青含量高于6.80%時(shí)，孔隙率隨瀝青含量的增大而降低。譬如，瀝青含量從6.80%繼續(xù)增加到7.20%時(shí)，孔隙率減小了9.10%。瀝青混凝土中的瀝青包括結(jié)構(gòu)瀝青與自由瀝青，結(jié)構(gòu)瀝青的作用主要是與礦料黏結(jié)，是構(gòu)成瀝青混凝土的主要組成部分，而自由瀝青在瀝青混凝土形成過程中具有一定的流動(dòng)性，亦能夠填補(bǔ)瀝青混凝土中的孔隙。當(dāng)瀝青含量從6.00%增加到6.80%的過程中，瀝青混凝土中主要存在于結(jié)構(gòu)瀝青，此時(shí)，孔隙率的大小更多取決于礦料級(jí)配和填料用量。隨著瀝青含量從6.80%到7.20%的繼續(xù)增加，使得瀝青混凝土中自由瀝青增多，從而填補(bǔ)了瀝青混凝土中的孔隙，使得孔隙率有所下降。

2.3 瀝青混凝土孔隙率影響敏感性分析

采用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法研究瀝青混凝土孔隙率關(guān)于級(jí)配指數(shù)、填料含量、瀝青含量的敏感性。本文灰色關(guān)聯(lián)分析中，將孔隙率作為系統(tǒng)的系統(tǒng)特征，記為X0，將級(jí)配指數(shù)、填料含量、瀝青含量作為系統(tǒng)的相關(guān)因素，分別記為X1、X2、X3，通過計(jì)算關(guān)聯(lián)度，評(píng)價(jià)出對(duì)影響孔隙率的優(yōu)劣性。

關(guān)聯(lián)度計(jì)算步驟：

（1）定義序列X0=［x0（1），x0（2），x0（3），…，x0（n）］為系統(tǒng)特征序列。

X1=［x1（1），x1（2），x1（3），…，x1（n）］

X2=［x2（1），x2（2），x2（3），…，x2（n）］

Xm=［xm（1），xm（2），xm（3），…，xm（n）］

X1，X2，…，Xm為相關(guān)因素序列。

（2）計(jì)算步驟如下：

第1步 求各序列的初值像。令

X′i=Xixi（1）=［x′i（1），x′i（2），，x′i（3），…，x′i（n）］，

i=0，1，2，…，m

第2步 求差序列。記

Δi（k）=x′0（k）－x′i（k）

Δi=（Δi（1），Δi（2），Δi（3），…，Δi（n））

i=0，1，2，3，…，m

第3步 求兩極最大差與最小差。記

M=maximaxkΔi（k），m=miniminkΔi（k）

第4步 求關(guān)聯(lián)系數(shù)。

γ0i（k）=m+ξMΔi（k）+ξM，ξ∈（0，1）

k=1，2，…，n;i=1，2，…，m

第5步 計(jì)算關(guān)聯(lián)度。

γ0i=1n∑nk=1γ0i（k），i=1，2，…，m

式中，ξ為分辨系數(shù)，一般取0.5。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

由表3灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果可以看出，與孔隙率的灰色關(guān)聯(lián)度中級(jí)配指數(shù)最大，填料含量次之，瀝青含量最小，說明級(jí)配指數(shù)對(duì)孔隙率的影響最大，填料含量次之，瀝青含量最弱。因此，在實(shí)際工程中室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)或現(xiàn)場(chǎng)施工中對(duì)孔隙率的控制，應(yīng)優(yōu)先考慮級(jí)配指數(shù)，再考慮填料含量，最后考慮瀝青含量。

3 結(jié)論

1）心墻瀝青混凝土孔隙率隨著級(jí)配指數(shù)的增加而減小?？紫堵孰S填料含量增加呈現(xiàn)先降低后增加趨勢(shì)，其填料含量轉(zhuǎn)折點(diǎn)為12%。孔隙率隨瀝青含量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，其瀝青含量轉(zhuǎn)折點(diǎn)為6.8%。本文研究成果可為心墻瀝青混凝土孔隙率控制提供參考。

2）級(jí)配指數(shù)、填料含量、瀝青含量均對(duì)瀝青混凝土孔隙率存在顯著影響。其中，級(jí)配指數(shù)的敏感性最為顯著，填料含量次之，瀝青含量最弱。碾壓心墻瀝青混凝土孔隙率控制，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先控制級(jí)配指數(shù)，其次為填料含量，最后為瀝青含量。

3）瀝青混凝土孔隙率變化的同時(shí)，其力學(xué)特性亦隨之變化，下一步將開展級(jí)配指數(shù)、填料含量、瀝青含量對(duì)瀝青混凝土孔隙率及力學(xué)特性的綜合影響規(guī)律研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]李炎隆， 唐旺， 溫立峰，等. 瀝青混凝土心墻堆石壩地震變形評(píng)價(jià)方法及其可靠度分析［J］. 水利學(xué)報(bào)，? 2020， 51（5）： 580-588.

［2］ 周春. 基于表面理論碾壓式瀝青混凝土配合比參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究［D］. 西安： 西安理工大學(xué)， 2019.

［3］ 張?zhí)m峰， 王恒昌， 藍(lán)亞明， 等. 瀝青攪拌站廢粉對(duì)混凝土力學(xué)與耐久性能的影響研究［J］. 混凝土與水泥制品， 2021（10）： 81-85.

［4］ 楊海華， 劉亮， 游光明. 不同孔隙率下瀝青混凝土的水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究［J］. 水力發(fā)電， 2017， 43（6）： 115-119.

［5］ 楊耀輝， 宋劍鵬， 何建新，等. 瀝青混凝土水穩(wěn)定性影響因素分析［J］. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016， 39（6）： 495-499.

［6］ 王中良， 唐婉秋， 謝自然， 等. 不同取芯溫度對(duì)心墻瀝青混凝土性能影響分析［J］. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)， 2020（9）： 80-84.

［7］ 楊樂天， 何建新， 開鑫. 終碾溫度對(duì)瀝青混凝土壓實(shí)性的影響研究［J］. 粉煤灰綜合利用， 2019（1）： 10-12， 27.

［8］ 童斯達(dá)， 鐘林， 李剛. 導(dǎo)向工藝對(duì)水工瀝青混凝土孔隙率及性能的影響［J］. 水電能源科學(xué)， 2017， 35（9）： 84-86.

［9］ 袁其華， 師國(guó)瑋， 王雅寧. 鹽凍循環(huán)對(duì)瀝青混合料性能的影響分析［J］. 住宅與房地產(chǎn)， 2019（36）： 86， 120.

［10］開鑫， 劉亮， 楊海華. 高溫氣候下瀝青混凝土心墻連續(xù)碾壓施工結(jié)合面溫控試驗(yàn)研究［J］. 水資源與水工程學(xué)報(bào)， 2020， 31（1）： 194-199.

［11］沙保衛(wèi)， 汪正興， 王輪祥， 等. 聚合物改性瀝青混凝土施工溫度研究［J］. 水利技術(shù)監(jiān)督， 2021（2）： 15-17.

［12］李文祥， 張維. 卡洛特水電站瀝青混凝土心墻碾壓試驗(yàn)研究［J］. 人民長(zhǎng)江， 2020， 51（S2）： 189-192.

［13］張東長(zhǎng)， 李亞. 動(dòng)載作用下瀝青混凝土孔隙率變化的數(shù)值模擬［J］. 徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2017， 32（1）： 73-76.

［14］辛景峰， 余梁蜀， 任少輝. 水工瀝青混凝土孔隙率影響因素的灰關(guān)聯(lián)分析［J］. 節(jié)水灌溉， 2007（8）： 121-123.

［15］葉永， 王鳳， 蔡宜洲. 基于正交試驗(yàn)的瀝青混凝土防滲性影響因素評(píng)價(jià)［J］. 人民長(zhǎng)江， 2014， 45（13）： 69-71.

［16］李琦琦， 何建新， 張正宇. 孔隙率和填料對(duì)瀝青混凝土的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性分析［J］. 水電能源科學(xué)， 2018， 36（12）： 101-104.

［17］閆小虎， 姚新華， 王曉軍， 等. 土石壩瀝青混凝土心墻材料配合比試驗(yàn)研究［J］. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)， 2017， 34（6）： 143-148.

［18］黃香， 鄭旭明， 劉東曉， 等. 阿拉溝水庫瀝青混凝土配合比試驗(yàn)研究［J］. 中國(guó)高新科技， 2020（14）： 43-47.

［19］SL501—2010 土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京： 中國(guó)水利水電出版社， 2017.

［20］DL/T 5362—2018 水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程［S］.? 北京： 中國(guó)電力出版社， 2019.

（責(zé)任編輯：曾 晶）

Experimental Study on Influencing Factors of Porosity of

Hydraulic Core Wall Asphalt Concrete

ZHAO Chengqing1， ZHANG Guohui*2， YANG Zhendong2， ZHANG Taiping1， CHEN Zhijun1

（1.CITIC Construction Co. Ltd.， Beijing 100027， China; 2.Faculty of Electric Power Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）

Abstract：

Porosity is an essential technical control index of core wall asphalt concrete， and the study of its influencing factors is of great significance to the quality control of asphalt concrete. Under the same number of compactions， using the method of control variables， the porosity variation of the standard Marshall specimen under the conditions of four gradation indexes， four asphalt contents， and four filler contents was systematic. The results show that the porosity of asphalt concrete decreases with the increase of the gradation index. With the rise of asphalt content， the porosity increases and decreases， and the turning point of asphalt content is 6.8%. With the growth of filler content， the porosity first decreases and then increases， and the turning point of filler content is 12%. The grey correlation analysis results illustrate that the gradient index has the most significant influence on the porosity， followed by the filler content， and the bitumen content is the weakest; additionally， the gradation index and filler content have a significant influence on porosity. These results can provide a reference for the design of asphalt concrete proportion for core walls with target porosity.

Key words：

core wall asphalt concrete; porosity; gradation index; filler content; asphalt content

收稿日期：2022-05-04

基金項(xiàng)目：云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃青年項(xiàng)目（2019FD052）;云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃面上項(xiàng)目（202201AT070104）

作者簡(jiǎn)介：趙承清（1970—），男，高級(jí)工程師，研究方向：混凝土材料耐久性研究，E-mail：zhaocq6@citic.com.