米蘭河工程心墻瀝青混凝土配合比試驗(yàn)研究

張　勇

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

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米蘭河工程心墻瀝青混凝土配合比試驗(yàn)研究

張勇

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

摘要：為了得到米蘭河工程心墻瀝青混凝土的最優(yōu)配合比，首先通過(guò)采用簡(jiǎn)單易行的孔隙率試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)來(lái)研究配合比參數(shù)(級(jí)配指數(shù)、填料含量、油石比)對(duì)瀝青混凝土性能的影響，在試驗(yàn)和分析的基礎(chǔ)上，得到了兩個(gè)瀝青混凝土初選配合比；然后結(jié)合米蘭河工程的實(shí)際情況，對(duì)由初選配合比制成的瀝青混凝土試件進(jìn)行各種性能試驗(yàn)，最后經(jīng)過(guò)綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，得到滿足米蘭河工程需要的瀝青混凝土的最優(yōu)配合比。選擇瀝青混凝土配合比的方法，不僅能夠簡(jiǎn)化配合比選擇試驗(yàn)，而且可以節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用，同時(shí)完全能夠滿足工程需要；這種方法今后可為其他工程選擇瀝青混凝土配合比提供借鑒。

關(guān)鍵詞：水工防滲材料；試驗(yàn)研究；瀝青混凝土；配合比參數(shù)

米蘭河山口樞紐工程主要由攔河壩、導(dǎo)流兼泄洪排沙洞、溢洪道、發(fā)電引水洞及電站廠房等組成。水庫(kù)正常蓄水位1 445.00 m，總庫(kù)容4128×104m3；水庫(kù)給工業(yè)供水設(shè)計(jì)年供水量為3100×104m3；電站裝機(jī)2.4 MW。大壩為瀝青混凝土心墻壩，最大壩高83 m。

水工瀝青混凝土作為防滲材料，具有良好的防滲性能和適應(yīng)變形能力[1]。隨著我國(guó)水利事業(yè)的發(fā)展建設(shè)，瀝青混凝土壩的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越明顯，這種壩型的建設(shè)越來(lái)越普及[2-3]。在水工瀝青混凝土領(lǐng)域中配合比設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的研究課題，由于影響瀝青混凝土性能的因素較多，且各因素之間的關(guān)系較為復(fù)雜，單憑經(jīng)驗(yàn)無(wú)法達(dá)到預(yù)期要求，就必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究，得到最優(yōu)的配合比[4-8]。本文結(jié)合米蘭河工程的實(shí)際情況，通過(guò)試驗(yàn)研究，選擇適合于米蘭河工程的瀝青混凝土配合比。

1　試驗(yàn)用原材料的選擇

根據(jù)米蘭河樞紐工程的實(shí)際勘測(cè)情況，以往的研究經(jīng)驗(yàn)和《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》[9](DL/T5363-2006)及《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》[10](DL/T 5411-2009)對(duì)瀝青混凝土原材料的要求，本研究擬選用工程所在地附近的礦料和克拉瑪依70號(hào)瀝青。原材料的性能檢驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)瀝青：試驗(yàn)用瀝青選用克拉瑪依70號(hào)，其性能為針入度73.0(0.1 mm)，軟化點(diǎn)48.0℃，延度(15℃條件下)150 cm。

(2)粗骨料：粗骨料采用石灰?guī)r，破碎篩分后粒徑為2.35 mm～19 mm，其性能為密度2.744 g/cm3，吸水率0.531%，壓碎率11.2%，與瀝青的粘結(jié)力5級(jí)，耐久性(5次硫酸鈉溶液循環(huán)質(zhì)量損失)1.985%。粗骨料樣品材料新鮮、質(zhì)地堅(jiān)硬，在加熱過(guò)程中未出現(xiàn)開(kāi)裂、分解等現(xiàn)象。骨料堿度模數(shù)M>1，為堿性。

(3)細(xì)骨料：細(xì)骨料(粒徑2.36 mm～0.075 mm)有人工砂和河砂兩種，人工砂由石灰?guī)r加工而成，質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

(4)填料：試驗(yàn)采用石灰?guī)r粉作為填料，其性能為密度2.0895 g/cm3，含水率0.04%，親水系數(shù)0.813。

表1　細(xì)骨料檢測(cè)結(jié)果

以上所用原材料，除河砂含泥量大外，其余均滿足《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》[9](DL/T5363-2006)中對(duì)瀝青混凝土原材料性能的要求。鑒于瀝青混凝土工程中使用河砂可改善瀝青混凝土施工性能，因此決定細(xì)骨料采用人工砂和河砂(河砂要求使用前先對(duì)其篩洗，滿足含泥量要求)各占50%。

2　試驗(yàn)用配合比的選擇及初選配合比試驗(yàn)

影響瀝青混凝土性能的因素主要有[11-13]：

(1)原材料的性能，包括瀝青、粗骨料、細(xì)骨料和填料；(2)礦料(粗骨料、細(xì)骨料和填料)級(jí)配；(3)填料濃度；(4)油石比，即瀝青混合料中瀝青質(zhì)量與瀝青混合料中礦料質(zhì)量的比值。

瀝青混凝土配合比的初步選擇工作是根據(jù)不同材料、不同級(jí)配指數(shù)、不同填料濃度和油石比組成各種不同配合比，經(jīng)過(guò)孔隙率、劈裂強(qiáng)度和劈裂位移等性能試驗(yàn)(孔隙率指標(biāo)能夠反映瀝青混凝土的防滲性能，而劈裂試驗(yàn)即間接拉伸試驗(yàn)?zāi)軌蛳鄬?duì)反映瀝青混凝土的強(qiáng)度和變形性能)選擇出強(qiáng)度和變形性能等綜合指標(biāo)好的配合比。

2.1礦料級(jí)配的選擇

礦料級(jí)配的選擇采用最大密級(jí)配理論確定，骨料級(jí)配滿足下列公式[14]：

(1)

式中：Pi為篩孔di的通過(guò)率(%)；F為粒徑小于0.075 mm的填料用量(%)；Dmax為礦料最大粒徑(mm)；di為某一篩孔尺寸(mm)；d0.075為填料最大粒徑，0.075 mm；r為級(jí)配指數(shù)。

本次試驗(yàn)根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)，選擇礦料最大粒徑Dmax=19 mm。礦料級(jí)配指數(shù)r從0.35到0.41變化。粗骨料由方孔篩分為19 mm～16 mm、16 mm～13.2 mm、13.2 mm～9.5 mm、9.5 mm～4.75 mm、4.75 mm～2.36 mm 5級(jí)，細(xì)骨料篩分為<2.36 mm 1級(jí)。

2.2油石比的選擇

油石比對(duì)瀝青混凝土的性能影響很大。根據(jù)許多工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于心墻瀝青混凝土，油石比一般在6.0%～7.5%之間。結(jié)合米蘭河樞紐工程的當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁丶霸牧蠈?shí)際情況，初選油石比為：6.2%、6.5%、6.8%、7.1%。

2.3填料用量的選擇

填料用量采用填料濃度(填料濃度指填料用量與油石比的比值)指標(biāo)，根據(jù)米蘭河樞紐工程的實(shí)際情況，初選配合比試驗(yàn)填料濃度為：1.6、1.8、2.0、2.2。

2.4試驗(yàn)用配合比

本次試驗(yàn)在細(xì)骨料采用50%人工砂、50%河砂的情況下采用不同的油石比、不同填料濃度、不同的骨料級(jí)配指數(shù)，共組成24種配合比，具體配合比見(jiàn)表2。

2.5初選配合比試驗(yàn)

將表2中的24個(gè)配合比的瀝青混凝土制成標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，進(jìn)行孔隙率測(cè)試和劈裂試驗(yàn)[15-16]。劈裂試驗(yàn)溫度為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?1.5℃，加荷變形速度1 mm/min，劈裂試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1，在圓柱體試件的直徑方向上放入上下兩根標(biāo)準(zhǔn)墊條，施加相對(duì)的線性荷載，使之沿試件直徑向破壞，測(cè)得試件的劈裂強(qiáng)度和軸向位移，試件破壞時(shí)的軸向位移由試驗(yàn)裝置上的位移傳感器測(cè)出，劈裂強(qiáng)度取峰值荷載計(jì)算，計(jì)算公式如下：

RT=0.006287PT/h

(2)

其中：RT為劈裂強(qiáng)度(MPa)；PT為試驗(yàn)荷載最大值(N)；h為試件高度(mm)。

孔隙率試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1劈裂試驗(yàn)裝置

表2　瀝青混凝土配合比選擇及劈裂試驗(yàn)成果表

3　初選配合比的確定

為了得到初選配合比，對(duì)表2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1油石比對(duì)瀝青混凝土性能的影響

取粗骨料最大粒徑為19 mm；級(jí)配指數(shù)0.39；填料濃度取1.8和2.0。在以上條件下研究油石比對(duì)瀝青混凝土性能的影響。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，級(jí)配指數(shù)和填料濃度一定的情況下，油石比從6.2%變化到7.1%，瀝青混凝土的孔隙率有逐漸變小的趨勢(shì)，且油石比6.2%以上均能滿足室內(nèi)成型試件孔隙率e<2%的防滲要求；油石比的變化對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響很明顯，隨著油石比增大呈減小趨勢(shì)；劈裂位移隨著油石比增大呈增大趨勢(shì)。這主要是因?yàn)?，在瀝青混合料中，瀝青裹敷填料形成填充材料，充填瀝青混合料中的空隙，當(dāng)油石比大時(shí)，瀝青含量大，此時(shí)瀝青可以充分裹敷填料來(lái)充填瀝青混合料中的空隙，因此瀝青混凝土試件的孔隙率小，但隨著瀝青含量的增大，瀝青混凝土試件變軟，所以強(qiáng)度降低，變形增大。

3.2填料濃度對(duì)瀝青混凝土性能的影響

取粗骨料最大粒徑為19 mm；級(jí)配指數(shù)0.39；油石比6.2%、6.5%、6.8%、7.1%。在以上條件下研究填料濃度對(duì)瀝青混凝土性能的影響。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，級(jí)配指數(shù)一定時(shí)，除油石比為6.2%、填料濃度為1.6的瀝青混凝土配合比的孔隙率較大外，其余配合比的孔隙率隨填料濃度的變化不大；這是因?yàn)閷?duì)于油石比為6.2%時(shí)，瀝青含量較少，瀝青和礦粉形成的填充料不能充分充填瀝青混合料中的空隙，因此孔隙率較大，而當(dāng)油石比在6.5%、6.8%、7.1%區(qū)間內(nèi)，瀝青和礦粉能夠形成的足夠的填充料來(lái)充填瀝青混合料中的空隙，因此孔隙率較小。劈裂強(qiáng)度隨填料濃度的增大成減小的趨勢(shì)，但隨填料濃度的增大減小趨勢(shì)變緩；填料濃度越大劈裂位移越大。這是因?yàn)殡S著填料濃度的增加，瀝青混合料中的粗骨料減少，填料增多，使瀝青混凝土試件強(qiáng)度降低，變形增大。

3.3級(jí)配指數(shù)對(duì)瀝青混凝土性能的影響

取粗骨料最大粒徑為19 mm；分別在填料濃度1.8、油石比6.5%和填料濃度2.0、油石比6.8%的條件下研究級(jí)配指數(shù)對(duì)瀝青混凝土性能的影響。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，級(jí)配指數(shù)從0.35變化到0.41瀝青混凝土的密度和孔隙率在級(jí)配指數(shù)為0.37時(shí)比較?。粚?duì)于油石比為6.5%、填料濃度為1.8配合比的瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度隨級(jí)配指數(shù)的增大而呈減小的趨勢(shì)；對(duì)于油石比為6.8%、填料濃度為2.0配合比的瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度隨級(jí)配指數(shù)的變化有波動(dòng)，規(guī)律不明顯；級(jí)配指數(shù)從0.35變化到0.41，當(dāng)級(jí)配指數(shù)為0.39時(shí)，劈裂位移較大。

瀝青混凝土中粗細(xì)骨料形成的空隙，是由瀝青和填料形成的填充料來(lái)充填的，當(dāng)骨料間的空隙正好被填充料填滿，此時(shí)是最理想的狀況，也就是最佳的配合比，此時(shí)的配合比參數(shù)就是最優(yōu)的配合比參數(shù)，如果填充料過(guò)少，則骨料間的空隙不能被完全填滿，導(dǎo)致孔隙率過(guò)大，防滲性能變差，如果填充料過(guò)多，則瀝青混凝土的強(qiáng)度將降低。級(jí)配指數(shù)的大小影響瀝青混凝土的粗細(xì)骨料含量，決定粗細(xì)骨料形成的空隙的多少，油石比的大小是決定瀝青含量的多少，填料濃度的大小決定填料的多少，三者之間存在著最佳的比率關(guān)系。

依據(jù)以上的分析，綜合考慮到對(duì)瀝青混凝土的強(qiáng)度、變形性能及防滲性的要求，初選瀝青混凝土配合比為油石比6.5%、填料濃度1.8和油石比6.8%、填料濃度2.0，級(jí)配指數(shù)0.37，見(jiàn)表3。

表3　初選配合比及試驗(yàn)結(jié)果

4　瀝青混凝土性能試驗(yàn)

將表3的配合比作為進(jìn)行瀝青混凝土防滲性能及各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)的配合比，檢驗(yàn)其是否滿足水工瀝青混凝土心墻的性能要求。瀝青混凝土的性能要求技術(shù)指標(biāo)依據(jù)為《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》[10](DL/T5411-2009)。

瀝青混凝土性能試驗(yàn)按照《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[15](DL/T5362—2006)進(jìn)行，對(duì)所選配合比的瀝青混凝土進(jìn)行了水穩(wěn)定性試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度：當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁?1.5℃)、拉伸試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度：當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁?1.5℃)、小梁彎曲試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度：當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁?1.5℃)、滲透試驗(yàn)和靜三軸試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度：當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁?1.5℃)，第三軸試驗(yàn)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩種配合比的瀝青混凝土的綜合性能均較好，都可以作為心墻瀝青混凝土的配合比使用。3號(hào)配合比的瀝青混凝土三軸試驗(yàn)的摩擦角φ稍小一點(diǎn)，其他指標(biāo)均滿足要求。綜合比較兩種配合比瀝青混凝土各項(xiàng)性能試驗(yàn)結(jié)果中變形性能和強(qiáng)度可以看出，以50%人工砂和50%河砂作為細(xì)骨料的4號(hào)配合比的瀝青混凝土的力學(xué)性能稍優(yōu)于3號(hào)配合比的瀝青混凝土，故根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、地形及地質(zhì)等一些實(shí)際條件，最好首選4號(hào)配合比(見(jiàn)表3)作為現(xiàn)場(chǎng)試鋪用配合比。

5　結(jié)　論

通過(guò)試驗(yàn)和分析可以得到以下結(jié)論：

(1)由于瀝青混凝土的拉伸試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、靜三軸試驗(yàn)等比較復(fù)雜，在進(jìn)行瀝青混凝土配合比初選時(shí)可以采用相對(duì)簡(jiǎn)單的劈裂試驗(yàn)和孔隙率試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)劈裂試驗(yàn)和孔隙率試驗(yàn)得到的初選配合比，再進(jìn)行瀝青混凝土的各種性能試驗(yàn)，不但可以得到最優(yōu)的瀝青混凝土配合比，而且能夠簡(jiǎn)化配合比選擇試驗(yàn)，節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用。

(2)試驗(yàn)所選米蘭河工程瀝青混凝土心墻原材料的性能滿足瀝青混凝土心墻對(duì)原材料的要求，可以作為本工程瀝青混凝土心墻的原材料。

(3)由試驗(yàn)結(jié)果可以看到，4號(hào)配合比瀝青混凝土的綜合性能稍優(yōu)于3號(hào)配合比的瀝青混凝土，應(yīng)首選4號(hào)配合比(見(jiàn)表3)作為現(xiàn)場(chǎng)試鋪用配合比，3號(hào)配合比作為備選配合比，具體配合比見(jiàn)表6。

(4)在施工現(xiàn)場(chǎng)，還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況(礦料的生產(chǎn)、瀝青的性質(zhì)等)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)攤鋪試驗(yàn)，最終確定施工配合比。

表4　靜三軸試驗(yàn)計(jì)算參數(shù)

表5　瀝青混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

表6　推薦的兩種配合比

注：X—代表篩孔尺寸(mm)；X1～X11分別為19、16、13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075。

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ExperimentalStudyonMixtureRatioofAsphaltConcreteCoreWallinMilanRiverProject

ZHANG Yong

(XinjiangInvestigation,DesignandResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Urumq,Xinjiang830000,China)

Abstract：In order to get the optimal mixture ratio for the asphalt concrete core wall of Milan river engineering project,simple porosity tests and split tests were conducted to study the influence of the mixture parameters (graded index,filler content,bitumen aggregate ratio)on the performance of asphalt concrete in the paper.Based on the experimental study and analysis,two primary mixture ratios of the asphalt concrete were obtained.In the actual situation of Milan River project,the asphalt concrete test pieces were made according to the primary ratios to undergo various performance tests.And then the optimal mixture ratio which met the engineering requirement of Milan River project was determined through the analysis of the test results.This method can not only simplify the selection of mixture ratio test,but also save time and cost of the experiments,which can provide some reference for other engineering projects for the choice of the asphalt concrete mixture ratio.

Keywords：hydraulic impervious material;experimental study;asphalt concrete;mixture ratio

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.042

中圖分類號(hào)：TU528.42

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2014)06—0209—05

作者簡(jiǎn)介：張勇(1968—)，男，新疆烏魯木齊人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事水電工程設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2014-09-21修稿日期：2014-10-19