王麗峰

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

瀝青混凝土心墻土石壩具有良好的抗?jié)B性、抗震性及較強的適應變形能力，現(xiàn)已被越來越多的工程技術人員所接受，成為主要的壩型之一，特別在西北地區(qū)應用廣泛[1，2]。瀝青混凝土作為擋水材料，其性能顯得尤為重要，而性能的優(yōu)劣關鍵在于配合比的好壞。瀝青混凝土是由瀝青、填料、粗細骨料組成，骨料在瀝青混凝土中既起到骨架的作用，又與瀝青粘結(jié)形成密實結(jié)構(gòu)體。心墻瀝青混凝土通常要求使用堿性骨料，因為瀝青本身屬于酸性，在熱拌合過程中與堿性骨料發(fā)生化學反應，增強骨料與瀝青的粘結(jié)力[3]。酸性骨料與瀝青的粘結(jié)力較差，在長期浸水作用下，瀝青與酸性骨料界面處的瀝青膜很容易被水置換，使得瀝青與骨料剝離，降低心墻瀝青混凝土的耐久性。在一些壩址區(qū)，滿足一定合理運距的范圍內(nèi)不一定有堿性骨料，特別像新疆地區(qū)，大多數(shù)的河流發(fā)源于高山冰川地帶，在水流的作用下，將卵石、礫石帶入河道，使得天然砂礫石極為豐富，非常容易開采[4，5]。天然砂礫石大部分為酸性或中性巖石，雖然已有天然砂礫石用于心墻瀝青混凝土中的工程實踐，但對酸性骨料在心墻混凝土中的應用研究還比較缺乏，本文從酸性骨料與瀝青粘附性的角度出發(fā)，分析酸性骨料在心墻瀝青混凝土中的適用性。

1 原材料選擇

1.1 骨料酸堿性

此次試驗所用骨料主要由4 種巖石組成，各巖石含量：1 號巖石占8.20%，2 號巖石占31.70%，3 號巖石占18.10%，4 號巖石占42.00%，巖相鑒定分析結(jié)果見表1。由表1 可知，若按各種巖石在砂礫石骨料中所占質(zhì)量百分比為權重綜合加權計算骨料的SiO2含量，即60.80×8.20%+68.90×31.70%+71.30×18.10%+67.60×42.00%=68.10% ＞65.00%，故可認為該骨料系酸性骨料。

表1 巖相鑒定

1.2 骨料粘附性

瀝青和骨料粘附性的本質(zhì)是兩種材料的界面親和力，這種界面親和力是指表面張力、范德華力、機械附著力及化學反應引力。眾所周知，水對瀝青-骨料粘附力有著潛在的危害，水分吸附在骨料表面，由于水的極性很強，骨料表面的瀝青能被水置換。對于石英類材料，硅的含量很高，表面帶有弱的負電荷，能與水分子的氫離子以氫鍵的方式結(jié)合，由于它與瀝青的結(jié)合主要依靠相對較弱的范德華力，此種結(jié)合力比水分子與硅的極性吸引力小得多，水更容易穿透瀝青達到骨料表面將骨料與瀝青分開，當需要采用酸性或中性巖石時，必須有充分的試驗論證。

本文采用水煮法對此次試驗擬選用的4 種巖石進行粘附性等級評定。水煮法是將表面完全被瀝青包裹的骨料顆粒在沸水中浸煮3 min 后取出，通過觀察骨料顆粒表面瀝青膜的剝落程度判定骨料與瀝青的粘附性等級。此試驗將水煮時間延長至9 min，觀察骨料表面瀝青的剝落情況，試驗結(jié)果如圖1 所示。

圖1 骨料與瀝青水煮法試驗結(jié)果

為了進一步改善酸性骨料與瀝青的粘附性，在瀝青中加入3.00%的普通硅酸鹽水泥制成瀝青膠漿，進行粘附性試驗，試驗結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以明顯地看出，加入水泥后，瀝青膜的剝落面積明顯減少，說明在瀝青中加入水泥可以有效地改善酸性骨料與瀝青的粘附性。

圖2 骨料與瀝青膠漿水煮法試驗結(jié)果

1.3 原材料性能

此次試驗選用庫車AH-90 號瀝青，普通硅酸鹽水泥為填料，粗、細骨料為上述酸性骨料，各材料性能結(jié)果見表2—5。試驗所用的各種原材料均滿足SL 501—2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規(guī)范》中規(guī)定的技術要求[6]。

表2 瀝青性能結(jié)果

表3 水泥性能結(jié)果

表4 細骨料性能結(jié)果

表5 粗骨料性能結(jié)果

2 配合比設計及結(jié)果分析

瀝青混凝土配合比設計與試驗旨在確定礦料標準級配，確定各級礦料、填料和瀝青用量。良好的礦料級配應該是使礦料的孔隙率最小，結(jié)構(gòu)瀝青能充分裹覆骨料的表面，以保證礦料顆粒之間處于最緊密的狀態(tài)，并為礦料與瀝青之間交互作用創(chuàng)造良好條件，依此配制的瀝青混凝土能最大限度地發(fā)揮其結(jié)構(gòu)強度的效能。在SL 501—2010 和SL 514—2013《水工瀝青混凝土施工規(guī)范》[7]兩個標準中都推薦水工瀝青混凝土的礦料級配設計可采用丁樸榮教授提出的公式計算獲得。此次試驗初擬級配指數(shù)為0.35，0.38，0.41，填料用量分別為11.00%，13.00%，15.00%，瀝青用量分別為6.10%，6.40%，6.70%，7.00%。選用L9（34）+3 正交表安排試驗方案，以孔隙率、馬歇爾穩(wěn)定度和流值、劈裂抗拉強度為考核指標，選出最優(yōu)配合比參數(shù)，試驗結(jié)果見表6。

表6 瀝青混凝土基本性能試驗結(jié)果

2.1 瀝青用量對瀝青混凝土性能影響

瀝青用量又稱油石比，是指瀝青材料質(zhì)量與礦料總質(zhì)量的比率，確定最適宜的瀝青用量，使瀝青既能充分包裹礦料顆粒，又不會導致有過多的自由瀝青，使瀝青混凝土既有足夠的強度，又有一定的柔性。瀝青用量與4 種考核指標關系見圖3，由圖3 試驗結(jié)果可知，對于孔隙率來講，隨著瀝青用量的增加，孔隙率逐漸減小，當瀝青用量從6.40%增加到6.70%時，孔隙率減小明顯；劈裂抗拉強度變化幅度不大，且隨著瀝青用量的增加，劈裂抗拉強度逐漸減??；隨著瀝青用量的增加馬歇爾穩(wěn)定度逐漸減??；馬歇爾流值隨著瀝青用量的增加先增大后減小再增大，且在瀝青用量達到6.70%后，流值增加明顯。綜合各個考核指標來看，瀝青用量為6.70%時，瀝青混凝土的性能較優(yōu)。

圖3 瀝青用量與考核指標關系

2.2 級配指數(shù)對瀝青混凝土性能影響

級配指數(shù)可以確定礦料的顆粒級配，其值的大小表示礦料中粗、細骨料含量的比例，數(shù)值越小，礦料中細顆粒的含量越多。級配指數(shù)與4 種考核指標關系見圖4，由圖4 試驗結(jié)果可知，對于孔隙率來講，隨著級配指數(shù)的增加，孔隙率先增大后減小，級配指數(shù)為0.38 時，孔隙率最大，且滿足規(guī)范要求；劈裂抗拉強度隨著級配指數(shù)的增加呈下降趨勢；對于馬歇爾穩(wěn)定度來講，隨著級配指數(shù)的增加逐漸減小，當級配指數(shù)為0.38 后，穩(wěn)定度減小緩慢；馬歇爾流值隨著級配指數(shù)的增加呈減小趨勢。綜合各個考核指標來看，級配指數(shù)為0.35時，瀝青混凝土的性能較優(yōu)。

圖4 級配指數(shù)與考核指標關系

2.3 填料用量對瀝青混凝土性能影響

填料用量是指填料質(zhì)量占礦料總質(zhì)量的百分率，填料不僅可以在礦料中起到填充密實作用，而且對瀝青混凝土的力學性能、流變性能及感溫性等產(chǎn)生重要的影響。填料與瀝青形成瀝青膠漿，不僅具有物理吸附作用，還很好地填充了粗、細骨料之間的縫隙，從而提高瀝青混凝土的抗?jié)B性[8]。填料用量與4 種考核指標關系見圖5，由圖5 試驗結(jié)果可知，當填料用量為11.00%，13.00%，15.00%時，孔隙率相當，滿足規(guī)范要求；隨著填料用量的減小，劈裂抗拉強度先增大后減小；隨著填料用量的減小，馬歇爾穩(wěn)定度先減小后增大；隨著填料用量的減小，馬歇爾流值先增大后減小。綜合各個考核指標來看，填料用量為11.00%時，瀝青混凝土的性能較優(yōu)。

圖5 填料用與考核指標關系

綜上所述，通過各個考核指標的比選，在此試驗范圍內(nèi)，瀝青混凝土配合比參數(shù)：瀝青用量為6.70%，級配指數(shù)為0.35，填料用量為11.00%。

2.4 配合比參數(shù)復核

選用上述配合比參數(shù)制備瀝青混凝土試件，并進行馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂抗拉、壓縮、拉伸、小梁彎曲、水穩(wěn)定性試驗，校核配合比參數(shù)的可行性，試驗結(jié)果見表7。由表7 可知，瀝青混凝土的性能良好，各項指標均滿足規(guī)范要求，說明水泥作為填料改善酸性骨料粘附性的條件下，酸性礫石可以用做瀝青混凝土的骨料使用。

表7 瀝青混凝土性能試驗結(jié)果

3 結(jié)語

本文通過提高酸性骨料與瀝青的粘結(jié)力，并采用正交試驗的方法優(yōu)選出酸性骨料的瀝青混凝土配合比參數(shù)。在使用酸性骨料時，建議摻加抗剝落劑來提高骨料的粘附性，且抗剝落劑的種類及摻量應通過試驗確定。后續(xù)將對酸性骨料在心墻瀝青混凝土中的適用性進行全面研究，為酸性骨料在工程中的應用提供理論支撐。