田 艷

（中國水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710016）

0 引言

瀝青混凝土是由礦料與瀝青結(jié)合料拌和而成的多相復(fù)合材料,因其具有優(yōu)良的防滲性能、適應(yīng)變形能力和裂縫自愈能力而廣泛應(yīng)用于心墻壩中[1]。

瀝青混凝土配合比選擇是從力學(xué)、防滲及耐久性等方面分析材料的性能與配合比設(shè)計參數(shù)的關(guān)系,從而確定油石比、級配指數(shù)以及填料用量[2]。國內(nèi)外最早使用的配合比設(shè)計方法是馬歇爾試驗(yàn)[3],但是隨著科學(xué)研究的進(jìn)步和深入,西安理工大學(xué)[4]通過分析大量工程試驗(yàn)資料發(fā)現(xiàn),馬歇爾試驗(yàn)溫度高達(dá)60℃與心墻長期所處環(huán)境溫度相差較大,其加載速度也相對較快,且瀝青含量與其變形成正比。張應(yīng)波等[5-6]以間接拉伸強(qiáng)度為目標(biāo)進(jìn)行瀝青混凝土配合比選擇,瀝青混凝土心墻在壩體中主要受彎拉作用,該試驗(yàn)方法符合瀝青混凝土心墻在壩體中的受力特點(diǎn)。余梁蜀等[7]通過對墊層的剪切抗?jié)B配合比進(jìn)行了性能驗(yàn)證,結(jié)果表明防滲效果非常好。潘登科[8]通過小梁彎曲試驗(yàn)來選擇瀝青混凝土配合比,研究了抗彎性能在不同加載速率下和不同溫度下的變化特征,提出了該方法可以高效的選擇瀝青混凝土配合比因?yàn)槠浞闲膲Φ氖芰μ攸c(diǎn)。余梁蜀等[9-10]研究了配合比各因素對瀝青混凝土強(qiáng)度、變形能力及防滲性的影響規(guī)律,并采用單一因素分析獲取了最優(yōu)配合比。

在瀝青混凝土心墻壩的施工過程中,環(huán)境因素對工程質(zhì)量的影響不容忽視,尤其在高寒高海拔復(fù)雜的氣候條件下混凝土配合比性能會出現(xiàn)失效現(xiàn)象,本文以為托帕水庫工程為背景,進(jìn)行水工瀝青混凝土配合比設(shè)計,豐富高寒地區(qū)水工瀝青混凝土配合比設(shè)計理論。

1 試驗(yàn)方案與步驟

托帕水庫工程壩址位于新疆恰克瑪克河上,托帕水庫工程由攔河壩、溢洪洞、泄洪沖沙洞和灌溉放水洞等組成。攔河壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩。瀝青混凝土心墻壩壩頂高程2397.5 m,壩頂寬度為8.0 m：最大壩高61.5 m,大壩長431.42 m。

1.1 原材料

粗骨料：為粒徑大于2.36 mm 的破碎粗骨料；細(xì)骨料：為粒徑0.075 mm~2.36 mm 的人工砂；填料：采用粗骨料加工的堿性礦粉；瀝青：采用道路90#A 瀝青。

1.2 配合比方案設(shè)計

依據(jù)《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》（SL 501-2010）[11]中給出配合比參數(shù)范圍,本文擬選用級配指數(shù)為0.33、0.39、0.45,填料含量為9%、11%、13%、15%,油石比為6.5、6.8、7.1、7.4,進(jìn)行水工瀝青混凝土配合比設(shè)計見表1。

表1 瀝青混凝土配合比參數(shù)表

本文試驗(yàn)最大骨料粒徑選用Dmax=19 mm,試驗(yàn)溫度為9.1℃。依據(jù)《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5362-2006）[12]要求,每組試驗(yàn)設(shè)置三個平行試樣見圖1?？紤]瀝青混凝土配合比參數(shù)的不同,分別對試件的理論密度、孔隙率和間接拉伸強(qiáng)度及其對應(yīng)的應(yīng)變進(jìn)行測試。劈裂試驗(yàn)加載速度為1.0 mm/min,試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖1 馬歇爾試件

表2 瀝青混凝土理論密度、孔隙率結(jié)果表

2 材料參數(shù)對瀝青混凝土力學(xué)性能的影響

2.1 級配指數(shù)對瀝青混凝土性能的影響

結(jié)合編號為1、2、3 的配合比試驗(yàn)結(jié)果見表2。當(dāng)油石比為6.8%、填料含量為13%時,三組瀝青混凝土孔隙率分別為1.4%、1.0%、1.0%,平均最大間接拉伸強(qiáng)度為0.37 MPa、0.37 MPa、0.34 MPa,平均間接拉伸應(yīng)變分別為1.59%、1.43%、1.17%,由此得出,且級配指數(shù)為0.39 時,配合比較優(yōu)。

2.2 填料含量對瀝青混凝土性能的影響

結(jié)合編號為2、4、5、6 的配合比試驗(yàn)結(jié)果見表2。當(dāng)級配指數(shù)為0.39、油石比為6.8%時,9%、11%、13%、15%填料含量下瀝青混凝土孔隙率分別為1.7%、1.6%、1.0%、1.2%,間接拉伸強(qiáng)度分別為0.34 MPa、0.31 MPa、0.36 MPa、0.24 MPa,間接拉伸應(yīng)變分別為1.43%、1.51%、1.43%、1.87%。由此可知,當(dāng)填料含量為13%時,瀝青混凝土間接拉伸強(qiáng)度最優(yōu)。

2.3 油石比對瀝青混凝土性能的影響

結(jié)合編號為7、2、8、9 的配合比試驗(yàn)結(jié)果見表2。當(dāng)級配指數(shù)為0.39、填料含量為13%時,6.5%、6.8%、7.1%、7.4%四組油石比下瀝青混凝土孔隙率為1.3%、1.0%、0.8%、0.4%,間接拉伸強(qiáng)度分別為0.29 MPa、0.37 MPa、0.36 MPa、0.35 MPa,間接拉伸應(yīng)變分別為1.37%、1.43%、1.30%、1.36%?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著油石比的增大,瀝青混凝土孔隙率逐漸減小,且油石比為6.8%時,瀝青混凝土間接拉伸強(qiáng)度最優(yōu)。

由上述試驗(yàn)結(jié)果和工程需求方面考慮,編號2 配合比為托帕水庫心墻瀝青混凝土推薦配合比。其材料和級配參數(shù)見表3,礦料級配見表4 和圖2。

圖2 2 號瀝青混凝土礦料級配曲線

表3 推薦配合比參數(shù)表

表4 推薦配合比的礦料級配表

3 推薦配合比瀝青混凝土性能試驗(yàn)

在配合比初選的基礎(chǔ)上,對推薦的2 號瀝青混凝土配合比開展驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 小梁彎曲試驗(yàn)

對瀝青混凝土板切割成小梁彎曲試件（35 mm×40 mm×250 mm）,設(shè)置10℃的試驗(yàn)溫度,變形速率設(shè)定為1.67 mm/min。

推薦配合比瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 推薦配合比瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由上述結(jié)果可知,2 號配合比瀝青混凝土試件的孔隙率為1.0%,強(qiáng)度為2.10 MPa,強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.140%。

3.2 單軸壓縮試驗(yàn)

將選取配合比瀝青混凝土制備成φ100 mm×100 mm 尺寸試件,在測試溫度為10℃,變形速度為1.0 mm/min 條件下進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。推薦配合比瀝青混凝土抗壓試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 推薦配合比瀝青混凝土試件抗壓試驗(yàn)結(jié)果表

由上述結(jié)果可知,2 號配合比瀝青混凝土具有較大的壓縮強(qiáng)度和壓縮應(yīng)變。

3.3 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)

水穩(wěn)定性能試驗(yàn)是將同一批尺寸為φ100 mm×100 mm的試件分2 組,1 組試件在60±1℃的水中浸泡48 小時后,再在20±1℃的水中恒溫2 小時,然后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)；另1 組在20±1℃空氣中恒溫不少于48 小時進(jìn)行抗壓試驗(yàn),2 組抗壓強(qiáng)度之比為水穩(wěn)定系數(shù)。試驗(yàn)中變形速度為1.0 mm/min。推薦配合比瀝青混凝土水穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 瀝青混凝土試件水穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果表

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知,推薦的配合比水穩(wěn)定系數(shù)為0.91,滿足>0.9 的設(shè)計要求。

3.4 三軸試驗(yàn)

推薦配合比瀝青混凝土靜三軸試驗(yàn)結(jié)果見表8,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制不同圍壓下的偏應(yīng)力（σ1-σ3）與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線及軸向應(yīng)變（ε1）與體積應(yīng)變（εν）關(guān)系曲線。推薦配合比瀝青混凝土靜三軸試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 推薦配合比瀝青混凝土靜三軸試驗(yàn)結(jié)果表

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制不同圍壓下的應(yīng)力圓,作諸圓包絡(luò)線,從而求得推薦配合比瀝青混凝土的剪切強(qiáng)度參數(shù)C 和φ值。試驗(yàn)得到的所選配合比瀝青混凝土靜三軸非線性E-B 模型和E-模型參數(shù)分別見表9、表10。

表9 瀝青混凝土非線性E-B 模型參數(shù)表

表10 瀝青混凝土非線性E-模型參數(shù)表

瀝青心墻混凝土的目標(biāo)配合比設(shè)計所得的瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)的性能試驗(yàn)結(jié)果均符合《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》（SL 501-2010）[11]。

4 結(jié)論

（1）瀝青心墻混凝土最優(yōu)配合比為油石比：6.8%,級配指數(shù)：0.39,填料含量：13%。

（2）瀝青心墻混凝土的目標(biāo)配合比設(shè)計所得的瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)的性能試驗(yàn)結(jié)果均符合《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》要求。