侯 程,張新標(biāo),胡成陶,劉 偉,齊晟哲

(1.中水君信工程勘察設(shè)計(jì)有限公司,成都 610065;2.西華大學(xué),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(qiáng)、防滲性能好、抗震效果佳、容易就地取材降低工程造價(jià)等優(yōu)點(diǎn),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(ài)[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(lèi)型及最佳含量的比例。這種設(shè)計(jì)旨在能滿(mǎn)足使用要求的同時(shí)又能符合節(jié)約成本的需要[4]。目前常見(jiàn)的一些配合比選擇方法有由美國(guó)學(xué)者Bruce·Marshall根據(jù)土工試驗(yàn)提出并逐步改進(jìn)的馬歇爾試驗(yàn)法[5-6],這種試驗(yàn)方便直觀(guān),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(jí)配指數(shù)、填料含量和油石比對(duì)水工瀝青混凝土孔隙率的影響;宋日英等[8]通過(guò)不同瀝青含量的混凝土試件靜三軸試驗(yàn)研究瀝青含量對(duì)瀝青混凝土的影響;魏蕓[9]利用正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)瀝青混凝土的配合比并研究溫度對(duì)瀝青混凝土的影響。

本文通過(guò)組合不同配合比瀝青混凝土進(jìn)行相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)研究,探求瀝青混凝土力學(xué)性能變化特性,驗(yàn)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(kù)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(jì)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(yàn)原材料

(1)粗骨料

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

經(jīng)鑒定,灰?guī)r料為堿性,好的灰?guī)r料滿(mǎn)足規(guī)范要求,但灰?guī)r料混雜較為嚴(yán)重,有較重溶蝕、風(fēng)化現(xiàn)象,破碎后細(xì)料幾乎為泥土,所以不宜用作粗骨料。因此采用輝長(zhǎng)巖作為粗骨料。對(duì)輝長(zhǎng)巖骨料酸堿性進(jìn)行判斷,采用礦物分析法和計(jì)算法進(jìn)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(jì)算法計(jì)算M=(CaO+MgO+FeO)/SiO2,當(dāng)M>1時(shí)為堿性,M=0.6～1時(shí)為中性,M<0.6時(shí)為酸性。因樣品化學(xué)成分分析的差異性,綜合試驗(yàn)分析結(jié)果評(píng)定輝長(zhǎng)巖應(yīng)為中性。

選取粒徑19～2.36 mm的顆粒進(jìn)行粗骨料鑒定試驗(yàn),輝長(zhǎng)巖粗骨料的檢測(cè)結(jié)果如表1。

表1 輝長(zhǎng)巖粗骨料質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果:輝長(zhǎng)巖中性且質(zhì)地堅(jiān)硬,并且輝長(zhǎng)巖開(kāi)裂或分解等情況在加熱過(guò)程中均未出現(xiàn)。同時(shí)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(guò)測(cè)驗(yàn),加入抗剝落劑后黏附力有明顯提升,堅(jiān)固性也滿(mǎn)足規(guī)范要求,因此該粗骨料可用于馬鞍山水庫(kù)瀝青混凝土心墻。

(2)細(xì)骨料

在實(shí)驗(yàn)室將天然砂和輝長(zhǎng)巖破碎料破碎、篩分出2.36～0.075 mm粒徑的人工砂作為細(xì)骨料。通過(guò)密度、水穩(wěn)定等級(jí)、硫酸鈉5次循環(huán)重量損失及泥土含量的測(cè)定,細(xì)骨料質(zhì)量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 細(xì)骨料質(zhì)量測(cè)定結(jié)果

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

(3)填料

石灰?guī)r礦粉用作填料。通過(guò)酸堿、密度試驗(yàn)、含水量試驗(yàn)、親水性系數(shù)試驗(yàn)和填料分級(jí)篩選試驗(yàn),填料檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 填料質(zhì)量鑒定結(jié)果

經(jīng)綜合評(píng)定,填料石灰?guī)r礦粉的各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求,可作為馬鞍山水庫(kù)大壩心墻瀝青混凝土的填料。

(4)瀝青

針對(duì)克拉瑪依70號(hào)A級(jí)瀝青進(jìn)行質(zhì)量鑒定結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 克拉瑪依70號(hào)A級(jí)瀝青鑒定結(jié)果

經(jīng)綜合評(píng)定,克拉瑪依70號(hào)A級(jí)瀝青的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求,可用于馬鞍山水庫(kù)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(jì)

設(shè)計(jì)出合適的水工瀝青混凝土配合比需要經(jīng)過(guò)多方面試驗(yàn),確定礦料的級(jí)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(yàn)中的結(jié)果初選推薦的配合比瀝青混凝土。同時(shí)在19.6 ℃的條件下對(duì)推薦的配合比瀝青混凝土開(kāi)展劈裂試驗(yàn),探究瀝青混凝土心墻的應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)以確定適合工程項(xiàng)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(shí)成型法[10],擊實(shí)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(gè)試件用以保證實(shí)驗(yàn)的低誤差性。測(cè)定不同配比參數(shù)下試樣的密度和孔隙率,通過(guò)劈裂試驗(yàn)測(cè)量間接拉伸載荷和豎向位移,計(jì)算出劈裂試驗(yàn)加載速度為1.0 mm/ min條件下試件間接拉伸強(qiáng)度和間接拉伸應(yīng)變。

2.1 級(jí)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(yàn)常量,選擇不同的級(jí)配指數(shù)組成4種不同配合比,見(jiàn)表5。同樣控制條件下每種配合比瀝青混凝土制備3個(gè)試件共12個(gè)試件,進(jìn)行劈裂試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表6及圖1。

1號(hào)瀝青混凝土劈裂試驗(yàn)曲線(xiàn)

表5 瀝青混凝土配合比參數(shù)

表6 1～4號(hào)瀝青混凝土劈裂試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著級(jí)配指數(shù)的增加,瀝青混凝土間接拉伸強(qiáng)度變化不大,但當(dāng)級(jí)配指數(shù)為0.40時(shí)強(qiáng)度較大且分布較為集中,并且級(jí)配指數(shù)對(duì)間接拉伸應(yīng)變影響不大,因此推薦級(jí)配指數(shù)為0.40。

2.2 填料含量的影響

根據(jù)不同級(jí)配指數(shù)瀝青混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果,固定瀝青混凝土礦料0.4級(jí)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(jiàn)表7。相同條件下不同配合比的瀝青混凝土分別制備3個(gè)試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8及圖2。

5號(hào)瀝青混凝土劈裂試驗(yàn)曲線(xiàn)

表7 瀝青混凝土配合比參數(shù)

表8 5、6、3、7號(hào)瀝青混凝土劈裂試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示,試驗(yàn)常量為級(jí)配指數(shù)與油石比時(shí),填料含量越大,間接拉伸應(yīng)變?cè)酱?但當(dāng)填料含量為12 %時(shí),間接拉伸強(qiáng)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(yàn)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(jiàn)表9,劈裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10及圖3。

8號(hào)瀝青混凝土劈裂試驗(yàn)曲線(xiàn)

表9 瀝青混凝土配合比參數(shù)

表10 8、3、9、10號(hào)瀝青混凝土劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),控制級(jí)配指數(shù)與填料含量不變,油石比越大而間接拉伸強(qiáng)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(yàn)結(jié)果,控制級(jí)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(jiàn)表11,混凝土理論密度及孔隙率見(jiàn)表12,劈裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13及圖4。

9號(hào)瀝青混凝土劈裂試驗(yàn)曲線(xiàn)

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(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示,在細(xì)骨料中摻加天然砂間接拉伸強(qiáng)度略有增大,天然砂占細(xì)骨料百分比對(duì)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(jí)配參數(shù)見(jiàn)表14,礦料級(jí)配見(jiàn)表15。

表14 9、12號(hào)配合比瀝青混凝土參數(shù)

表15 9、12號(hào)配合比礦料級(jí)配參數(shù)

綜合考慮變形、試件強(qiáng)度、施工難易度、耐久性與經(jīng)濟(jì)合理性因素,參考瀝青混凝土配合比的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合馬鞍山水庫(kù)實(shí)際工程情況,優(yōu)選9號(hào)和12號(hào)配合比瀝青混凝土做進(jìn)一步性能試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)填料含量的變化對(duì)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(yàn)分析

對(duì)9號(hào)、12號(hào)配合比混凝土進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表16～表18,研究結(jié)果表明9號(hào)、12號(hào)配合比瀝青混凝土的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)均滿(mǎn)足大壩瀝青混凝土心墻規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

表16 推薦的9、12號(hào)瀝青混凝土配合比力學(xué)性能

表17 瀝青混凝土非線(xiàn)性E-B模型參數(shù)

表18 瀝青混凝土非線(xiàn)性E-μ模型參數(shù)

推薦9號(hào)、12號(hào)配合比瀝青混凝土需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)攤鋪試驗(yàn)驗(yàn)證,瀝青混凝土性能滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求,方可用于大壩心墻施工。

4 結(jié)論

通過(guò)不同配合比試驗(yàn)得出適用于馬鞍山水庫(kù)大壩瀝青混凝土心墻的最佳配合比,對(duì)比分析初選配合比的瀝青混凝土進(jìn)行性能試驗(yàn)結(jié)果:

(1)級(jí)配指數(shù)對(duì)瀝青混凝土的間接拉伸強(qiáng)度影響不大,但級(jí)配指數(shù)為0.40時(shí)瀝青混凝土強(qiáng)度略大且分布較為集中,并且級(jí)配指數(shù)對(duì)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(dāng)填料含量為12 %時(shí),瀝青混凝土的間接拉伸強(qiáng)度最大,同時(shí)發(fā)現(xiàn)填料含量的變化對(duì)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(qiáng)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(xì)骨料中摻加天然砂間接拉伸強(qiáng)度略有增大,天然砂占細(xì)骨料百分比對(duì)間接拉伸應(yīng)變的影響不大,說(shuō)明設(shè)計(jì)方案中針對(duì)細(xì)骨料采取天然砂和人工砂混合的方案是可行的,同時(shí)也可以降低瀝青混凝土經(jīng)濟(jì)成本。

總歸來(lái)說(shuō),馬鞍山水庫(kù)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(xì)骨料可以節(jié)約成本,對(duì)類(lèi)似工程具有一定的參考價(jià)值。