基于水穩(wěn)定性綜合分析的瀝青混凝土配合比試驗研究

陳曉佳

(塔城地區(qū)水利水電勘察設(shè)計院,新疆 塔城 834700)

隨著水利工程建設(shè)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，碾壓瀝青混凝土壩成為水利工程中的重要壩型。在碾壓式瀝青混凝土大壩設(shè)計及施工中，其基本要求是良好的防滲、抗變形、抗裂以及耐久性[1]。其中，水穩(wěn)定性是耐久性研究的重要環(huán)節(jié)。瀝青混凝土的使用過程中，會受到水和外力的綜合作用，造成骨料和瀝青的剝離現(xiàn)象，從而造成瀝青混凝土結(jié)構(gòu)整體性結(jié)構(gòu)破壞[2]。水穩(wěn)定性破壞是瀝青混凝土大壩最為常見的破壞現(xiàn)象，這種破壞的原因比較復(fù)雜，材料性質(zhì)、黏附程度、孔隙率以及拌合條件均會對水穩(wěn)定性造成顯著影響[3]。因此，瀝青混凝土的水穩(wěn)定性研究成為廣大學(xué)者關(guān)注的重要研究領(lǐng)域。在這方面，國外研究開始較早，在20世紀(jì)初，Hveen就通過研究認(rèn)為瀝青與骨料的黏結(jié)性是瀝青混凝土水穩(wěn)定性的重要影響因素，在水的作用下，瀝青和骨料的黏附以及瀝青本身的內(nèi)聚力會不斷減弱[4]。在國內(nèi)，關(guān)于瀝青混凝土的黏附性問題，主要是同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)和長安大學(xué)研究較多，并取得了一系列重要的研究成果。劉紅瑛[5]通過灰關(guān)聯(lián)熵分析研究了影響瀝青混合料水穩(wěn)定性的主要因素為瀝青的酸值和瀝青的黏度，以及石料的堿值和石料的比表面積。何建新等[6]則研究了水泥填料對心墻混凝土長期水穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為用水泥替代部分石灰石粉作填料可有效改善心墻瀝青混凝土的長期水穩(wěn)定性。當(dāng)然，在具體的工程實(shí)踐中，由于地域空間等諸多因素的限制，工程材料，特別是粗骨料的選取空間極為有限。因此，通過合理選擇配比與控制施工質(zhì)量來提高瀝青混凝土的水穩(wěn)定性就顯得尤為重要。本文利用正交實(shí)驗的方法，研究瀝青混凝土配合比參數(shù)對孔隙率、應(yīng)變和強(qiáng)度指標(biāo)的影響，并根據(jù)試驗結(jié)果獲得最佳配合比，為瀝青混凝土配合比設(shè)計和應(yīng)用提供有益借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用基質(zhì)瀝青為遼河石化90號A級瀝青，按照《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》對其進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示其各項技術(shù)指標(biāo)均符合要求，可以作為后續(xù)的溫拌瀝青混凝土試驗的基質(zhì)瀝青。

試驗用瀝青混凝土粗骨料和細(xì)骨料為研究對象工程的骨料。性能鑒定試驗結(jié)果顯示，選用的粗骨料為石灰?guī)r巖質(zhì)，堿性，質(zhì)地堅硬，在加熱至最高拌合溫度過程中沒有出現(xiàn)開裂和分解現(xiàn)象，同時與瀝青之間具有良好的黏附力，堅固性好，滿足《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》對粗骨料的技術(shù)要求。

試驗用填料為研究對象工程用石灰?guī)r礦粉，對其進(jìn)行的密度、含水率、親水系數(shù)以及級配篩分試驗結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范要求，可以用于本次試驗研究。

1.2 試驗方案

在水工瀝青混凝土配合比設(shè)計中，級配指數(shù)、填料用量以及油石比是最重要的影響因素[7]。因此，研究中利用正交實(shí)驗的方法來研究上述三個配合比參數(shù)對瀝青混凝土性能的影響。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論和工程經(jīng)驗，選取級配指數(shù)、填料用量以及油石比三個因素的不同水平，設(shè)計正交實(shí)驗如表1所示[8]。

表1 正交實(shí)驗設(shè)計表

1.3 試驗過程

按照設(shè)計的正交實(shí)驗方案，每種方案制作6個試件，共9組，54個試件。試件制作的模具為內(nèi)徑100 mm，高100 mm的圓柱形鋼模。試驗過程中將模具清理干凈，放在烘箱內(nèi)加熱后，在其內(nèi)側(cè)涂刷一層脫模劑，然后將按照試驗設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)制備的瀝青混合料倒入模具，并插搗密實(shí)。試件按層高50 mm分上下兩層單面擊實(shí)，再自然冷卻至常溫后脫模。脫模后的試件在常溫下靜置24 h，然后將每組方案的6個試件分成兩組，分別在空氣條件和水浴條件下進(jìn)行孔隙率、應(yīng)變和抗壓強(qiáng)度試驗，將3個試件的試驗數(shù)據(jù)的均值作為每種試驗方案的最終試驗結(jié)果。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

對正交實(shí)驗設(shè)計中的9組54個試件，分兩組分別在空氣條件和水浴條件下進(jìn)行水穩(wěn)定試驗，結(jié)果如表2所示。由表中的試驗數(shù)據(jù)可知，無論空氣條件下還是水浴條件下，試件的抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變的變化大致呈相反的趨勢，也就是試件的抗壓強(qiáng)度大時應(yīng)變較小，而抗壓強(qiáng)度小時應(yīng)變較大。此外，無論是空氣條件還是水浴條件，在方案1下，試件的抗壓強(qiáng)度最大，同時應(yīng)變最小。

表2 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

2.2 水穩(wěn)定性系數(shù)分析

綜合空氣條件和水浴條件下的試驗結(jié)果，利用式(1)進(jìn)行水穩(wěn)定性系數(shù)計算，計算結(jié)果如表3所示。

(1)

式中：kw為瀝青混凝土水穩(wěn)定性系數(shù)；R2為水浴條件下試件的抗壓強(qiáng)度，MPa；R1為空氣條件下試件抗壓強(qiáng)度均值，MPa。

由計算結(jié)果可知，所有9組試驗的試件水穩(wěn)定性系數(shù)均大于1，因此都滿足規(guī)范的要求。同時，水穩(wěn)定性系數(shù)越大，表明試件浸水后抗壓強(qiáng)度值增加的幅度越大。

表3 試驗水穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果

方差法可以估計多因素試驗過程中各因素之間的交互作用的主次顯著性，從而給出結(jié)論的置信度。對上表中的試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。由計算結(jié)果可知，級配系數(shù)對水穩(wěn)定性系數(shù)的影響最為顯著，而其余兩個因素對水穩(wěn)定性系數(shù)的影響并不顯著。

表4 水穩(wěn)定性系數(shù)方差分析結(jié)果

2.3 水穩(wěn)定性因素綜合分析

瀝青混凝土屬于柔性混凝土，具有良好的防滲作用。鑒于應(yīng)變對瀝青混凝土的防滲性能具有重要影響。因此在水穩(wěn)定性研究中應(yīng)該充分考慮應(yīng)變的影響。傳統(tǒng)的水穩(wěn)定性評價指標(biāo)為水穩(wěn)定性系數(shù)，本質(zhì)上是應(yīng)力系數(shù)，沒有將應(yīng)變指標(biāo)考慮進(jìn)去。本節(jié)通過考慮應(yīng)變的影響，提出水穩(wěn)定綜合系數(shù)的概念，計算公式如式(2)。

Z=w1X+w2Y

(2)

式中：Z為瀝青混凝土水穩(wěn)定綜合系數(shù)；X為瀝青混凝土應(yīng)變系數(shù)，為水浴與空氣條件下應(yīng)變值之比；Y為應(yīng)力系數(shù)，也就是水穩(wěn)定系數(shù)；w1、w2分別為應(yīng)變系數(shù)和應(yīng)力系數(shù)權(quán)重。

按照變異系數(shù)法確定應(yīng)變系數(shù)權(quán)重和應(yīng)力系數(shù)的權(quán)重值，分別為0.585和0.415。結(jié)合原始數(shù)據(jù)，對水穩(wěn)定綜合系數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果如表5所示。由表中的結(jié)果可知，從應(yīng)變系數(shù)，也就是原始的水穩(wěn)定系數(shù)值來看，方案9的綜合評分最高，但是該方案主要是由于應(yīng)變系數(shù)值較高，因此拉高了綜合指標(biāo)值。從兩種評價指標(biāo)的具體數(shù)值來看，方案4的比較穩(wěn)定，無論是水穩(wěn)定系數(shù)(應(yīng)變系數(shù))還是水穩(wěn)定綜合系數(shù)，均呈現(xiàn)出上升趨勢且位于峰值范圍之內(nèi)，因此水穩(wěn)定性最好。綜合以上分析，認(rèn)為方案4，也就是級配指數(shù)0.38、填料用料12%、油石比6.8%的配合比參數(shù)設(shè)計為最佳方案。

表5 水穩(wěn)定綜合系數(shù)計算結(jié)果

3 結(jié) 論

本次研究通過正交實(shí)驗方法研究了級配指數(shù)、填料用量以及油石比等三個主要的配合比參數(shù)對瀝青混凝土水穩(wěn)定性的影響，并獲得如下主要結(jié)論：

(1)無論空氣條件下還是水浴條件下，試件的抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變的變化大致呈相反的趨勢，與相關(guān)研究成果一致。

(2)所有試驗的試件水穩(wěn)定性系數(shù)均大于1，都滿足規(guī)范的要求，對水穩(wěn)定系數(shù)影響最大的參數(shù)是級配指數(shù)。

(3)在考慮應(yīng)變影響的基礎(chǔ)上提出水穩(wěn)定綜合系數(shù)，根據(jù)計算結(jié)果，綜合系數(shù)和水穩(wěn)定系數(shù)的變化趨勢總體相近；綜合考慮兩種計算成果，確定方案4，即級配指數(shù)0.38、填料用料12%、油石比6.8%的配合比參數(shù)設(shè)計為最佳方案。