五一水庫天然礫石骨料在瀝青混凝土心墻中的適用性研究

王文政，唐新軍，何建新，張 濤，朱西超

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052)

新疆迪那河五一水庫擋水壩為碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩，原設(shè)計(jì)心墻瀝青混凝土骨料為堿性骨料，但壩址區(qū)附近無堿性巖石料源，若采用堿性巖石骨料，則需從距離工地180 km以外的庫爾勒市采購運(yùn)輸，這不僅會(huì)給施工造成不便，也會(huì)大大增加工程造價(jià)。然而，五一水庫壩址區(qū)附近分布有大量的天然礫石骨料，開采方便。如能就地取材，使用天然礫石作為瀝青混凝土心墻的骨料，可以方便施工、降低工程造價(jià)［1－3］。為探討該工程天然礫石是否適合作為瀝青混凝土心墻的骨料，本文通過對(duì)五一水庫天然礫石骨料的礦物組成及其酸堿性進(jìn)行測定和分析，評(píng)價(jià)其酸堿性;通過進(jìn)行天然礫石骨料與瀝青的黏附性試驗(yàn)，探討改進(jìn)黏附性的措施;通過進(jìn)行天然礫石骨料瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)和優(yōu)選及相關(guān)瀝青混凝土性能試驗(yàn)［4－7］，評(píng)價(jià)天然礫石骨料在瀝青混凝土心墻中的適用性。

1 天然礫石骨料的巖石種類及其化學(xué)成分分析

對(duì)五一水庫天然礫石骨料的巖石種類及成分進(jìn)行分析、鑒別后表明，該工程天然礫石骨料主要巖石種類為凝灰?guī)r、斑狀安山巖和花崗巖，三種巖石所占骨料總量的比例分別為75%、17%、8%，見表1，其化學(xué)成分及含量如表2。根據(jù)凝灰?guī)r、安山巖、花崗巖三類巖石的化學(xué)成分，按《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》［8］(DL/T5363－2006)中規(guī)定的骨料堿度模數(shù)計(jì)算公式及酸堿性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，得到的結(jié)果是:凝灰?guī)r堿度模數(shù)為M=0.63，屬于中性巖石，安山巖堿度模數(shù)為M=0.09，屬于酸性巖石，花崗巖堿度模數(shù)為M=0.22，屬于酸性巖石，見表3。即五一水庫天然礫石骨料75%呈中性，25%呈酸性。

表1 骨料中各巖石所占比例 單位:%

表2 骨料中各類巖石化學(xué)成分及含量 單位:%

表3 堿度模數(shù)計(jì)算結(jié)果

2 天然礫石與瀝青的黏附性試驗(yàn)

本文依據(jù)《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》［9］(DT/L 5362－2006)中規(guī)定的水煮法進(jìn)行黏附性試驗(yàn)，為更清楚的觀察不同巖石骨料與瀝青黏附性的差別，在試驗(yàn)中將水煮時(shí)間延長到15 min，分別進(jìn)行凝灰?guī)r、安山巖、花崗巖三種骨料顆粒與純?yōu)r青的黏附性試驗(yàn)，觀察并記錄骨料瀝青膜剝落面積隨時(shí)間的變化情況。

五一水庫凝灰?guī)r、安山巖、花崗巖三種天然礫石骨料顆粒以及作為對(duì)比的白云巖堿性骨料顆粒與瀝青的黏附性試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，在浸煮時(shí)間3 min時(shí)，各種巖性的天然礫石與白云巖骨料顆粒上的瀝青膜剝落面積都很接近，均小于10%(滿足試驗(yàn)規(guī)程中骨料黏結(jié)力≥4級(jí)的要求);當(dāng)延長浸煮時(shí)間至15 min時(shí)，顯現(xiàn)出三種天然礫石骨料瀝青膜剝落面積均明顯大于白云巖骨料，說明在延長浸煮時(shí)間的情況下，天然礫石骨料顆粒與純?yōu)r青的黏附性要明顯弱于白云巖骨料。

為探討在瀝青中摻入水泥對(duì)改善天然礫石骨料黏附性所產(chǎn)生的效果，本文在瀝青中加入占瀝青質(zhì)量2%的42.5普通硅酸鹽水泥制成瀝青膠漿［10－13］，分別進(jìn)行凝灰?guī)r、安山巖、花崗巖三種骨料顆粒與瀝青膠漿的黏附性試驗(yàn)，并與白云巖堿性骨料顆粒與瀝青的黏附性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖1 不同巖石骨料上瀝青膜剝落面積隨浸煮時(shí)間的變化

圖2 不同巖石骨料上添加水泥瀝青膠漿膜剝落面積隨浸煮時(shí)間的變化

從圖2可以看出，在浸煮時(shí)間≤9 min時(shí)，三種天然礫石顆粒上的瀝青膠漿剝落面積均小于10%(滿足試驗(yàn)規(guī)程中骨料黏結(jié)力≥4級(jí)的要求)，且小于白云巖顆粒的剝落面積;當(dāng)延長浸煮時(shí)間至15 min時(shí)，天然礫石骨料與水泥瀝青膠漿的黏附性仍然要好于白云巖與瀝青的黏附性。這說明在瀝青中加入水泥對(duì)于五一水庫天然礫石骨料與瀝青的黏附性具有明顯的改善效果，且改善之后天然礫石與瀝青膠漿的黏附性甚至略好于白云巖與瀝青的黏附性。

3 天然礫石骨料瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)選

采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法進(jìn)行天然礫石骨料瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)，選定粗骨料最大粒徑為19 mm，擬定級(jí)配指數(shù)、填料用量、瀝青用量為三個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平值，以馬歇爾穩(wěn)定度、流值、試件的密度、孔隙率為考核指標(biāo)，優(yōu)選出最優(yōu)配合比。根據(jù)前述黏附性試驗(yàn)結(jié)果，該工程采用水泥作為填料兼做改善骨料黏附性的措施。

根據(jù)《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］(SL501－2010)中的相關(guān)要求，參考新疆地區(qū)氣候特點(diǎn)和新疆已建瀝青混凝土心墻壩工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該工程心墻瀝青混凝土提出的控制指標(biāo)為;孔隙率小于2%，馬歇爾穩(wěn)定度≥5.0 kN，流值為4 mm～10 mm。試驗(yàn)溫度取40℃。初選配合比設(shè)計(jì)中三個(gè)參數(shù)，級(jí)配指數(shù)取 0.36、0.39、0.42，填料用量取11%、13%、15%，瀝青用量取 6.4%、6.7%、7.0%。根據(jù)L9(34)均勻正交表設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)配合比，如表4所示。根據(jù)表4中9組初選配合比制作瀝青混凝土試件并進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從表5數(shù)據(jù)可以看出，9組配合比的瀝青混凝土均可達(dá)到相關(guān)指標(biāo)要求。

為適當(dāng)減小流值、進(jìn)一步增加瀝青混凝土的穩(wěn)定度，改善其力學(xué)性能，本文補(bǔ)充進(jìn)行了第10組配合比試驗(yàn)，參數(shù)的取值為:最大粒徑19 mm，級(jí)配指數(shù)n=0.36、填料用量 F=11%、瀝青用量 B=6.4%，對(duì)該配合比試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表4 瀝青混凝土試驗(yàn)配合比

表5 瀝青混凝土試驗(yàn)用配合比及試驗(yàn)結(jié)果

表6 補(bǔ)充配合比馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表6可看出，該配合比瀝青混凝土試件的穩(wěn)定度為9.43 kN，較前9組大，流值較小，且密度、孔隙率均滿足要求。因此，將第10組配合比作為本工程心墻瀝青混凝土的推薦配合比。

4 天然礫石骨料瀝青混凝土相關(guān)性能試驗(yàn)

以上述選定的第10組配合比(級(jí)配指數(shù)為0.36、瀝青用量為6.4%、填料用量為 11%)，制作瀝青混凝土試件，進(jìn)行天然礫石骨料瀝青混凝土的壓縮試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)，并與堿性白云巖骨料瀝青混凝土相關(guān)性能進(jìn)行對(duì)比［15－16］，結(jié)果見表7。從表7 中數(shù)據(jù)可以看出，天然礫石骨料瀝青混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，且與堿性白云巖骨料瀝青混凝土的性能指標(biāo)相接近。這說明使用水泥作為填料(兼做提高瀝青與骨料黏附力的措施)在優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)的條件下，天然礫石可以作為五一水庫心墻瀝青混凝土的骨料使用。

表7 礫石骨料瀝青混凝土與白云巖骨料瀝青混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

(1)五一水庫天然礫石的主要巖石種類為凝灰?guī)r、斑狀安山巖和花崗巖，其中75%呈中性，25%呈酸性，為非堿性骨料。該天然礫石骨料與純?yōu)r青的黏附力弱于堿性白云巖骨料，但在瀝青中摻入水泥之后，天然礫石骨料與瀝青膠漿的黏附力得到明顯提高，其與瀝青膠漿的黏附性可以與白云巖媲美。

(2)經(jīng)過系統(tǒng)的配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)選，對(duì)五一水庫天然礫石骨料瀝青混凝土提出的最優(yōu)配合比參數(shù)為級(jí)配指數(shù)0.36、瀝青用量6.4%、填料用量11%，在該配合比情況下，天然礫石骨料瀝青混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合規(guī)范要求，且可近似達(dá)到堿性白云巖骨料瀝青混凝土的性能。

(3)使用水泥作為填料(兼做提高瀝青與骨料黏附力的措施)在優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)的條件下，天然礫石可以作為五一水庫心墻瀝青混凝土的骨料使用。

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