土石壩瀝青混凝土心墻材料配合比試驗(yàn)研究

閆小虎，姚新華，王曉軍，楊華全

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 a.材料與結(jié)構(gòu)研究所；b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心， 武漢 430010；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098； 3.新疆奴爾水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 和田 848000)

土石壩瀝青混凝土心墻材料配合比試驗(yàn)研究

閆小虎1a,1b,2，姚新華3，王曉軍1a,1b，楊華全1a,1b

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 a.材料與結(jié)構(gòu)研究所；b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心， 武漢 430010；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098； 3.新疆奴爾水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 和田 848000)

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為:水工瀝青混凝土防滲結(jié)構(gòu)中，堿性骨料可以與瀝青中的表面活性物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)吸附，有很好的黏附性;酸性骨料與瀝青主要是物理吸附作用，與瀝青的黏附性和耐久性無法保證,在長(zhǎng)期浸水作用下，瀝青膜易被水逐漸置換而從骨料表面剝離，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。奴爾水利樞紐工程壩址區(qū)內(nèi)有豐富的酸性天然砂礫石料，距壩址較近，便于開采，但其附近沒有堿性骨料料場(chǎng)。依托奴爾水利樞紐工程，采用人工灰?guī)r骨料及天然砂礫料2種骨料，進(jìn)行了室內(nèi)瀝青混凝土配合比性能試驗(yàn)研究，提出了級(jí)配指數(shù)r=0.40、填料F=12%、人工灰?guī)r骨料瀝青含量B=6.9%和天然砂礫石骨料瀝青含量B=6.0%優(yōu)選配合比，供設(shè)計(jì)參考。

土石壩；瀝青混凝土心墻壩；混凝土配合比；奴爾水利樞紐；天然砂礫石料

1 瀝青混凝土心墻壩特點(diǎn)

在西部大發(fā)展戰(zhàn)略的支持下，一批大型水利水電工程在云南、貴州、四川、西藏、新疆等地區(qū)開工建設(shè)。新疆大多數(shù)河流均發(fā)源于高山冰川區(qū)，在水力推動(dòng)下，常有冰川泥石流將卵石、礫石等冰積物帶入河道，使得新疆具有廣闊的山澗河灘、戈壁，天然砂礫石料資源極為豐富，分布范圍廣、儲(chǔ)量大、容易開采[1-2]。因此，運(yùn)用當(dāng)?shù)刂尾牧?，修建瀝青混凝土心墻壩具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

瀝青混凝土應(yīng)用于土石壩中比較晚，世界上最早建成的瀝青混凝土心墻壩是1949年葡萄牙的瓦勒多蓋奧(Vale De Caio)壩[3]。由于瀝青混凝土心墻處于壩體的壩殼料和過渡料之間，有很好的穩(wěn)定性，受外界自然條件的影響小，不易老化，耐久性好，能夠適應(yīng)壩基和壩體的變形，通?；A(chǔ)處理工作量也較小，而且心墻施工工藝簡(jiǎn)單，近年來瀝青混凝土心墻壩發(fā)展迅速。

瀝青混凝土心墻壩具有優(yōu)越的抗?jié)B性能、抗變形能力、抗震性能、環(huán)境適應(yīng)性和安全性等優(yōu)勢(shì)，正在被越來越多的工程技術(shù)人員所接受，已逐步成為土石壩筑壩技術(shù)應(yīng)用的主要壩型之一[4-7]。國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)在1992年第84號(hào)公報(bào)中曾指出：瀝青混凝土心墻土石壩是“未來最高壩適宜的壩型”。在International Journal on Water Power & Dams 2014年年報(bào)上注冊(cè)的瀝青混凝土心墻土石壩有156座，國(guó)外有81座，國(guó)內(nèi)有75座。建壩較多的國(guó)家有中國(guó)、德國(guó)和挪威。

2 瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)原材料

奴爾水利樞紐工程位于奴爾河中下游河段，屬新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)策勒縣境內(nèi)的奴爾河控制性工程，是以灌溉、防洪為主，兼顧水力發(fā)電的綜合性水利工程。大壩防滲體為瀝青混凝土心墻，最大壩高80.00 m。壩體總填筑量728萬 m3，瀝青混凝土心墻總填筑量3.38萬m3，混凝土防滲墻面積1.31萬 m2。

本項(xiàng)目試驗(yàn)用瀝青為克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的70號(hào)水工瀝青，其品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 70號(hào)瀝青品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

注：針入度檢驗(yàn)條件為25 ℃,100 g,5 s； 軟化點(diǎn)檢驗(yàn)方法為環(huán)球法； 延度檢驗(yàn)條件為15 ℃,5 cm/min； 密度檢驗(yàn)條件為25 ℃

試驗(yàn)用礦粉填料是由灰?guī)r料場(chǎng)開采的灰?guī)r骨料沖洗干凈后，在球磨機(jī)中碾磨而成，填料品質(zhì)的檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 灰?guī)r填料品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)用粗、細(xì)骨料2種：一種是由灰?guī)r料場(chǎng)開采的灰?guī)r骨料沖洗干凈后，經(jīng)破碎并篩分成；另一種是奴爾水利樞紐工程壩址位置開采的天然砂礫石料，經(jīng)篩分而成。細(xì)骨料品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見表3；人工粗骨料和天然粗骨料品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見表4；化學(xué)成分分析結(jié)果見表5。

表3 細(xì)骨料品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

表4 粗骨料品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

表5 粗骨料的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果表明：根據(jù)堿度模數(shù)M的計(jì)算公式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[9]。經(jīng)計(jì)算，工程擬用灰?guī)r骨料的堿度模數(shù)M=6.59，即為堿性骨料；天然骨料的原料巖石種類眾多，形成的原因也比較復(fù)雜，還可能含有某些不穩(wěn)定的化學(xué)物質(zhì)或者有害成分，工程擬用天然砂礫石骨料的堿度模數(shù)M=0.21，即為酸性骨料。試驗(yàn)用瀝青、填料、粗細(xì)骨料品質(zhì)均滿足《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》 (SL 501—2010)[8]的技術(shù)要求。

2.2 礦料級(jí)配指數(shù)及填料用量

填料一般指顆粒粒徑>0.075 mm的細(xì)粉，也稱礦粉。根據(jù)丁樸榮教授富勒(Fuller)公式有

(1)

式中：Pi為孔徑di篩的總通過率(%)；P0.075為填料用量(%) ；r為級(jí)配指數(shù) ；di為某一篩孔尺寸(mm)；Dmax為礦料最大粒徑(mm)。

結(jié)合國(guó)內(nèi)已建、在建工程的經(jīng)驗(yàn)，本次試驗(yàn)骨料最大粒徑Dmax選定為19 mm；礦料級(jí)配指數(shù)r選取0.40和0.45；填料用量F分別選取11%，12%，13%。根據(jù)骨料的篩分試驗(yàn)結(jié)果，通過計(jì)算法，計(jì)算出瀝青混凝土室內(nèi)試驗(yàn)的礦料級(jí)配如表6所示。

表6 瀝青混凝土室內(nèi)試驗(yàn)礦料級(jí)配

3 瀝青混凝土試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 初選比選試驗(yàn)

瀝青混凝土比選試驗(yàn)配合比及基本性能試驗(yàn)結(jié)果見表7。

3.2 瀝青含量對(duì)瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度、流值的影響

圖1和圖2分別為級(jí)配指數(shù)0.40,0.45瀝青混凝土瀝青含量與馬歇爾穩(wěn)定度關(guān)系圖；圖3和圖4分別為級(jí)配指數(shù)0.40,0.45瀝青混凝土瀝青含量與馬歇爾流值關(guān)系圖。

表7 灰?guī)r骨料瀝青混凝土基本性能試驗(yàn)結(jié)果

圖1 人工骨料瀝青含量與馬歇爾穩(wěn)定度關(guān)系 Fig.1 Relationship between asphalt content and Marshallstability in artificial aggregate

圖2 天然骨料瀝青含量與馬歇爾穩(wěn)定度關(guān)系Fig.2 Relationship between asphalt content and Marshallstability in natural aggregate

圖3 人工骨料瀝青含量與馬歇爾流值的關(guān)系Fig.3 Relationship between asphalt content and Marshallflow value in artificial aggregate

圖4 天然骨料瀝青含量與馬歇爾流值的關(guān)系Fig.4 Relationship between asphalt content and Marshallflow value in natural aggregate

從表7及圖1—圖4試驗(yàn)結(jié)果可知：

(1) 瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度值隨著瀝青含量的增加呈降低的趨勢(shì)；而流值隨著瀝青含量的增加而增大。

(2) 人工骨料瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度值的變化范圍在5.02～6.59 kN之間；天然骨料瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度值的變化范圍在3.52～5.32 kN之間。人工骨料瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度值明顯高于天然骨料瀝青混凝土，其原因主要是骨料品種不同。人工破碎骨料表面粗糙，棱角分明，呈方形或類方形；天然骨料表面光滑，呈圓形或橢圓形，當(dāng)瀝青含量適當(dāng)時(shí)，瀝青薄膜包裹在骨料表面，瀝青與人工骨料的物理粘附力較大，在瀝青混凝土承受外界壓力時(shí)，人工骨料之間的摩擦力也大于天然骨料，因此人工骨料瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度值高于天然骨料瀝青混凝土。

(3) 人工骨料瀝青混凝土流值的變化范圍在33.4～65.2(0.1 mm)之間；天然骨料瀝青混凝土馬歇爾流值的變化范圍在35.5～84.3(0.1 mm)之間，符合水工瀝青混凝土的一般規(guī)律。

(4) 天然骨料瀝青混凝土與人工骨瀝青混凝土相比，在壓實(shí)度相同，瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度、流值大致相近情況下，瀝青含量比人工骨料瀝青混凝土降低14%左右。其原因主要是天然骨料表面光滑，比表面積小，包裹骨料表面的瀝青膜用量較少。

3.3 填料用量對(duì)瀝青混凝土性能的影響

填料是指瀝青混凝土中起填充作用的粒徑<0.075 mm的礦質(zhì)粉末。填料用量是指瀝青混凝土中填料質(zhì)量與礦料(粗骨料、細(xì)骨料和填料)質(zhì)量的比值，以百分?jǐn)?shù)計(jì)。填料與瀝青在瀝青混凝土中組成均勻的瀝青膠結(jié)料，不僅具有物理吸附(分子吸附)，而且填料顆粒對(duì)于包裹在表面的瀝青分子具有一定的化學(xué)吸附作用[9]。通過瀝青與填料之間的交互作用，從而提高瀝青混凝土的強(qiáng)度，根據(jù)膠漿理論，足夠多的瀝青膠結(jié)料可以很好地填充細(xì)骨料及粗骨料的孔隙，從而提高瀝青混凝土的滲透性能。圖5、圖6及圖7為采用人工灰?guī)r骨料、天然砂礫石骨料瀝青混凝土填料用量與馬歇爾穩(wěn)定度、流值和孔隙率的關(guān)系圖(級(jí)配指數(shù)均為0.40)。

圖5 填料用量與馬歇爾穩(wěn)定度的關(guān)系Fig.5 Relationship between filler content andMarshall stability

圖6 填料用量與馬歇爾流值的關(guān)系Fig.6 Relationship between filler content andMarshall flow value

圖7 填料用量與孔隙率的關(guān)系Fig.7 Relationship between filler content and porosity

從表7及圖5—圖7可知：瀝青含量為5.6%～7.2%和土填料用量在11%～13%變化時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 對(duì)人工灰?guī)r骨料，瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度隨著填料用量的增加呈下降趨勢(shì)；對(duì)比天然砂礫石骨料，馬歇爾穩(wěn)定度值相對(duì)較小隨著填料用量的增加先增大后減小。而對(duì)人工灰?guī)r骨料及天然砂礫石料，隨著填料用量增加瀝青混凝土流值均增大。

(2) 填料用量對(duì)瀝青混凝土孔隙率影響較大。對(duì)于人工骨料瀝青混凝土，隨著填料用量的增大，孔隙率呈降低趨勢(shì)，瀝青含量越低，這種變化更為明顯，當(dāng)瀝青含量≥6.9%時(shí)，人工骨料瀝青混凝土孔隙率均<2%；對(duì)于天然骨料瀝青混凝土，隨著填料用量的增大，孔隙率呈先降低再上升趨勢(shì)，當(dāng)填料用量在12%時(shí)，其孔隙率最小。

3.4 級(jí)配指數(shù)對(duì)瀝青混凝土性能的影響

級(jí)配指數(shù)r實(shí)際上是表示骨料中粗細(xì)骨料比例的一個(gè)特征綱量，r值越大，粗骨料所占比例越高。圖8—圖10分別為填料摻量12%瀝青混凝土級(jí)配指數(shù)與馬歇爾穩(wěn)定度、流值及孔隙率關(guān)系圖。

圖8 級(jí)配指數(shù)與馬歇爾穩(wěn)定度的關(guān)系Fig.8 Relationship between gradation index andMarshall stability

圖9 級(jí)配指數(shù)與流值的關(guān)系Fig.9 Relationship between gradation index andMarshall flow value

圖10 級(jí)配指數(shù)與孔隙率的關(guān)系Fig.10 Relationship between gradation indexand porosity

從表7及圖8—圖10可知：

(1) 填料用量和瀝青含量在一定范圍內(nèi)變化，級(jí)配指數(shù)選取0.40，0.45時(shí)，對(duì)瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度值影響較小，而瀝青含量的變化對(duì)瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度值的影響較大，隨著瀝青含量的增加，瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度呈明顯下降趨勢(shì)。天然砂礫料瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度比人工骨料小。

(2) 瀝青混凝土流值在填料用量F≤12%時(shí)，隨著級(jí)配指數(shù)的增加，流值呈增加趨勢(shì)；當(dāng)填料用量>12%，隨著級(jí)配指數(shù)的增加，流值呈降低趨勢(shì)。人工骨料瀝青混凝土的這種特性表現(xiàn)的比天然砂礫石料更為明顯。天然砂礫料瀝青混凝土流值明顯比人工骨料大，是因?yàn)樘烊簧暗[石表面比較光滑，骨料之間咬合力小，受荷作用后容易滑動(dòng)。

(3) 固定級(jí)配指數(shù)，隨著瀝青含量增加，瀝青混凝土孔隙率減小。隨著級(jí)配指數(shù)的增加，大顆粒粗骨料增多，采用人工骨料瀝青混凝土孔隙率變化不大，采用天然砂礫石骨料孔隙呈增加趨勢(shì)。

4 結(jié) 語

(1) 克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的70號(hào)瀝青主要性能如延度、針入度及軟化點(diǎn)可滿足SL 501—2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》中水工SG70標(biāo)號(hào)瀝青的技術(shù)要求，可用于瀝青混凝土心墻工程。

(2) 固定填料用量與骨料級(jí)配指數(shù)不變的情況下，瀝青混凝土的孔隙率隨著瀝青含量增大而減小，馬歇爾穩(wěn)定度隨瀝青含量的增大而減小，流值隨瀝青含量的增大而增大；固定瀝青含量及填料用量，級(jí)配指數(shù)在0.4～0.5之間變化時(shí)，瀝青混凝土的孔隙率隨級(jí)配指數(shù)的增大而增大；馬歇爾穩(wěn)定度及流值變化規(guī)律不明顯。天然骨料瀝青混凝土與人工骨瀝青混凝土相比，在壓實(shí)度相同，瀝青混凝土孔隙率大致相同的情況下，天然骨料瀝青混凝土瀝青含量比人工骨料瀝青混凝土降低14%左右。

(3) 根據(jù)配合比設(shè)計(jì)比選階段瀝青混凝土孔隙率、馬歇爾穩(wěn)定度及流值的試驗(yàn)結(jié)果，參考類似工程，從施工、安全及經(jīng)濟(jì)的角度綜合考慮，當(dāng)采用級(jí)配指數(shù)r=0.40，填料F=12%，人工灰?guī)r骨料瀝青含量B=6.9%，天然砂礫石骨料瀝青含量B=6.0%時(shí)，瀝青混凝土的性能較優(yōu)。

[1] 王文政, 唐新軍, 何建新,等. 五一水庫(kù)天然礫石骨料在瀝青混凝土心墻中的適用性研究[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào), 2014，(5):172-175.

[2] 王文政. 天然礫石骨料在瀝青混凝土心墻中的適用性研究[D]. 烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué), 2014．

[3] 鄧銘江,李湘權(quán). 定居興牧水源工程及技術(shù)支撐[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社, 2015．

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[9] 賀傳卿, 楊桂權(quán), 王顯旭. 不同填料對(duì)水工碾壓式瀝青混凝土性能的影響[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014，(6):496-499.

(編輯：姜小蘭)

Experimental Research on Mix Proportion ofAsphaltic Concrete Core Material in Earth-rock Dams

YAN Xiao-hu1,2,3，YAO Xin-hua4， WANG Xiao-jun1,2，YANG Hua-quan1,2

(1.Department of Materials and Structure，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.Research Center of Water Engineering Safety and Disease Control Engineering Technology under Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China; 3.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 4.Construction Administration of Xinjiang Nuer Water Control Project，Hetian 848000，China)

In impervious structures such as hydraulic asphaltic concrete, alkaline aggregate is generally considered to be of good adhesion resulted from the chemisorption between alkaline aggregate and surface active materials of asphalt; while acidic aggregate could lead to structural damage as asphalt film is easily replaced by water and detached from aggregate under long-term water immersion because the physical adsorption could not guarantee the adhesion and durability of asphalt. By using artificial limestone and natural gravel aggregates, laboratory tests were conducted to research the mix proportion of hydraulic asphalt concrete for Nuer water control project in Xinjiang, which has rich natural acidic gravel aggregate near the dam site but no alkaline aggregate nearby. Optimization of mix proportion is proposed as follows: gradation indexr=0.40, filler contentF=12%, asphalt contentB=6.9% for concrete with artificial limestone aggregates, andB=6.0% for concrete with natural gravel aggregates.

earth-rock dam; dam with asphaltic concrete core; concrete mix proportion; Nuer water control project；natural gravel aggregate

2016-03-25；

2016-04-21

閆小虎(1984-)，男，安徽阜陽人，工程師，博士研究生，主要從事水工建筑材料方面的研究，(電話)15927265766(電子信箱)610475209@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160276

2017,34(6):143-148

TV431

A

1001-5485(2017)06-0143-06