水利水電工程瀝青混凝土骨料原巖的適宜性分析

李 林，鄧爭榮，杜勝華，潘 坤，李辰舟，吳樹良

(長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

瀝青混凝土是應(yīng)用極其廣泛的建筑材料之一，是將瀝青和粗、細(xì)骨料、填料等，在嚴(yán)格控制條件下拌制，經(jīng)壓實或澆筑密實后的瀝青混合料[1]。水電水利工程中，瀝青混凝土有時被用作土石壩面板和心墻建筑材料，發(fā)揮利用其抗?jié)B性能好、適應(yīng)變形能力強(qiáng)等優(yōu)點。骨料與瀝青黏附性的優(yōu)劣，是瀝青混凝土結(jié)構(gòu)形成的決定要素，它直接關(guān)系到瀝青混凝土的強(qiáng)度、溫度穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及老化速度等一些重要性能。骨料按酸堿性可分為酸性骨料、中性骨料和堿性骨料。

骨料與瀝青的相互作用包括物理吸附作用和化學(xué)吸附作用，其中化學(xué)吸附作用是黏附力高低的主要決定因素。堿性骨料和表面活性物質(zhì)呈酸性的石油瀝青之間產(chǎn)生物理吸附作用及主要的化學(xué)吸附作用，形成的化合物不溶于水，結(jié)合力強(qiáng)，抗水剝離能力好；而酸性骨料與石油瀝青之間不會形成化學(xué)吸附化合物，結(jié)合力弱，抗水剝離能力差[2]。因此，堿性骨料通常是瀝青混凝土骨料考慮的第一選擇。

水利水電工程瀝青混凝土材料需解決的其中關(guān)鍵技術(shù)問題之一，是骨料選擇問題，優(yōu)先考慮的是選擇堿性骨料，但實際工程應(yīng)用中，有時工程場址附近無堿性骨料料源或運距較遠(yuǎn)，需考慮選擇中性或酸性骨料替代，但需視情況采取增強(qiáng)骨料與瀝青黏附性的措施并經(jīng)試驗研究論證。適宜用作堿性骨料的原巖應(yīng)首先符合混凝土骨料原巖質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)要求，再次符合堿性指標(biāo)要求。結(jié)合骨料原巖質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)和堿性指標(biāo)要求，對常用骨料原巖作為瀝青混凝土骨料原巖的適宜性簡要分析及評價。

1 瀝青混凝土骨料原巖技術(shù)要求

1.1 骨料原巖質(zhì)量

用作瀝青混凝土骨料的原巖應(yīng)首先符合混凝土骨料原巖質(zhì)量技術(shù)要求，我國現(xiàn)行水利和水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程[3- 5]對混凝土骨料原巖質(zhì)量技術(shù)要求提出了規(guī)定，見表1。原巖質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)是否符合要求應(yīng)經(jīng)過試驗檢測確定各指標(biāo)及評判，特別是堿活性試驗，數(shù)量需足夠。

1.2 骨料原巖酸堿性

我國現(xiàn)行DL/T 5411—2009、SL 501—2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》[6- 7]、SL 514—2013《水工瀝青混凝土施工規(guī)范》[8]、DL/T 5363—2016《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》[9]及有關(guān)研究[10- 13]對瀝青混凝土骨料的酸堿性技術(shù)要求，提出采用堿性骨料為宜，評判骨料原巖是否是堿性的3個定量指標(biāo)分別是SiO2含量、堿度模數(shù)和堿值，前兩者通過巖石化學(xué)成分試驗確定及評判，后者通過堿值試驗確定及評判。前兩者對骨料原巖酸堿性的判定結(jié)果有時會出現(xiàn)矛盾，但從可靠性來說，堿度模數(shù)判定結(jié)果要優(yōu)于SiO2含量判定結(jié)果。SiO2含量可用于對原巖酸堿性的初步判定，適用于巖漿巖或由巖漿巖變質(zhì)形成的變質(zhì)巖。堿值試驗測定結(jié)果更為可靠、準(zhǔn)確，適用于所有骨料原巖[14]。

表1 混凝土骨料原巖質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

1.2.1SiO2含量

原巖化學(xué)成分中SiO2含量，<45%時為超堿性巖石；45%～52%時為堿性巖石；52%～65%時為中性巖石；>65%時為酸性巖石。

1.2.2 堿度模數(shù)(M)

原巖化學(xué)成分中含量CaO(Q1)、MgO(Q2)、FeO(Q3)與SiO2(Q4)的比值：

M=(Q1+Q2+Q3)/Q4

(1)

M>1時，原巖為堿性巖石；M=0.6～1時，原巖為中性巖石；M<0.6時，原巖為酸性巖石。

1.2.3 堿值(C)

以純碳酸鈣作為基準(zhǔn)，原巖石料與基準(zhǔn)狀態(tài)下消耗的氫離子濃度的比值：

C=(N0-N1)/(N0-N2)

(2)

式中，N0—硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的氫離子濃度；N1—石料與硫酸反應(yīng)后上層清液的氫離子濃度；N2—純碳酸鈣與硫酸反應(yīng)后上層清液的氫離子濃度。

堿值越高，石料的堿性越強(qiáng)，石料和瀝青的黏附性越好。一般認(rèn)為，C>0.8時，為黏附性良好；C=0.7～0.8時，為黏附性合格；C<0.7時，為黏附性較差。

2 常用骨料原巖作為瀝青混凝土骨料原巖的適宜性

可以作為混凝土骨料原巖的代表性巖石見表2。作者根據(jù)國內(nèi)外多個水利水電工程混凝土骨料的原巖堿活性試驗、化學(xué)成分檢測計算堿度模數(shù)和文獻(xiàn)[1]、[2]、[14]堿值試驗結(jié)果資料，統(tǒng)計匯總列于表3。由上述可知，常用混凝土骨料原巖作為瀝青混凝土骨料原巖，酸堿性的判定可通過堿度模數(shù)和堿值綜合判定，并宜以堿值測定結(jié)果為最終確定依據(jù)，從適宜性來說，堿性巖石適宜性好；中性巖石適宜性一般；酸性巖石適宜性差。其中，常用混凝土骨料原巖堿性巖石中以碳酸鹽巖類為最優(yōu)。

表2 常用混凝土骨料原巖代表性巖石

實際水利水電工程應(yīng)用中，不是每個工程場址范圍內(nèi)及附近有堿性骨料料源分布，當(dāng)工程場址附近無堿性骨料料源或運距較遠(yuǎn)時，可考慮就近選擇中性或酸性骨料料源替代。瀝青混凝土骨料采用酸性骨料，在我國、挪威已有20a和多于30a的應(yīng)用實例。公路瀝青混凝土路面工程采用酸性骨料，并采取增強(qiáng)骨料與瀝青黏附性措施的工程已相當(dāng)普遍。但水利水電工程瀝青混凝土選擇采用中性或酸性巖石骨料時，從骨料與瀝青的黏附性考慮，需視情況采取增強(qiáng)骨料與瀝青黏附性的措施并經(jīng)試驗研究論證，如在瀝青中加入抗剝離劑等。

3 工程應(yīng)用實例

以西藏拉洛水利樞紐工程為例，本工程壩型采用瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大壩高61.5m。瀝青混凝土骨料料源選擇玄武巖料場和砂屑灰?guī)r料場比較，其中玄武巖料場至壩址運距約15km，未開采過，需挖除剝離層(平均厚度約8m)，有簡易公路相通；砂屑灰?guī)r料場至壩址運距約72km，當(dāng)?shù)厮鄰S采用該料場，已成規(guī)模開采，有現(xiàn)成公路與場內(nèi)外交通相連。

實例工程2種料源原巖質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果及評價見表4；原巖化學(xué)成分試驗及堿度模數(shù)結(jié)果見表5。此外，其原巖破碎加工成粗骨料黏附性檢測結(jié)果：玄武巖為4～5級，砂屑灰?guī)r為5級，均符合≥4級技術(shù)要求。

2種料源原巖經(jīng)破碎加工進(jìn)行了水工瀝青混凝土骨料試驗，結(jié)果表明，均可適宜用作瀝青混凝土骨料原巖，但比較而言，砂屑灰?guī)r較玄武巖適宜性更優(yōu)。該工程鑒于瀝青混凝土用量不大，從料源開采條件及經(jīng)濟(jì)性比較，其骨料考慮從砂屑灰?guī)r料場購買。

表3 常用混凝土骨料原巖代表性巖石酸堿性及堿值評價

注：堿活性結(jié)果是指所統(tǒng)計工程試驗結(jié)果，列舉巖石一般情況下不具有堿活性，但有可能具有堿活性，是否具有堿活性須經(jīng)堿活性試驗確定。

表4 瀝青混凝土骨料原巖質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果及評價

表5 瀝青混凝土骨料原巖化學(xué)成分試驗及堿度模數(shù)結(jié)果

4 結(jié)論

水利水電工程中，瀝青混凝土骨料原巖應(yīng)首先符合混凝土骨料原巖質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)要求，其酸堿性的判定宜以堿值測定結(jié)果為最終確定依據(jù)。作為瀝青混凝土骨料的原巖，堿性巖石適宜性好，以碳酸鹽巖類為最優(yōu)；中性巖石適宜性一般；酸性巖石適宜性差。瀝青混凝土采用中性或酸性巖石骨料時，需視情況采取增強(qiáng)骨料與瀝青黏附性的措施并經(jīng)試驗研究論證。