某心墻瀝青混凝土細(xì)骨料采用天然砂與人工砂選擇分析

李澤鵬，何建新

（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）

1 研究背景

在心墻瀝青混凝土的組成材料中，細(xì)骨料一般多采用人工砂。人工砂是將石塊破碎、粉磨后得到的，使用人工砂的心墻瀝青混凝土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性在滿足設(shè)計(jì)要求方面有較大的保障，因此很多心墻瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)把人工砂作為細(xì)骨料擺在首選位置[1]。然而人工砂大多需用堿性礦料破碎制成，在破碎過程中存在堿性礦料儲(chǔ)備不足、破碎后人工砂獲得量少且石粉含量高等特點(diǎn)，導(dǎo)致工程成本增加的同時(shí)還會(huì)影響到工程進(jìn)度[2-3]。天然砂是巖石經(jīng)自然條件作用而形成的粒徑小于4.75 mm的顆粒，按生成環(huán)境分為河砂、海砂、山砂。新疆天然砂具有分布范圍廣、開采方便且成本低等特點(diǎn)，若能就地取材全部使用天然砂作為心墻瀝青混凝土的細(xì)骨料，則可方便施工并降低工程造價(jià)，具有較大的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)效益[4-7]。但目前對于細(xì)骨料全部使用天然砂在心墻瀝青混凝土中的應(yīng)用研究還很少，主要探究使用不同摻量的天然砂與人工砂混摻對瀝青混凝土相關(guān)性能的影響[8-10]。

本文結(jié)合新疆某在建碾壓式瀝青混凝土心墻壩工程，在相同配合比下，制備天然砂與人工砂兩種不同細(xì)骨料的瀝青混凝土試件，通過室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)對比分析細(xì)骨料全部使用天然砂和人工砂的瀝青混凝土試件的性能，探究了兩種細(xì)骨料對心墻瀝青混凝土性能的影響，為該工程細(xì)骨料的選擇提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。同時(shí)，也可為類似工程提供參考。

2 原材料性能及瀝青混凝土配合比

2.1 原材料性能試驗(yàn)所用的原材料包括瀝青、骨料和填料。

瀝青為克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的70號（A）級道路石油瀝青，技術(shù)性能見表1。

粗骨料由距工程區(qū)約120公里的堿性骨料場提供，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室篩分后分為2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm和9.5～19 mm三個(gè)粒級，9.5～19 mm顆粒級配曲線如圖1所示。粗骨料質(zhì)地堅(jiān)硬、新鮮，加熱過程中未出現(xiàn)開裂、分解等不良現(xiàn)象，技術(shù)性能見表2。

細(xì)骨料考慮人工砂和天然砂兩種，人工砂同粗骨料亦選自堿性骨料場，天然砂為工程區(qū)砂石料廠提供。為保證人工砂與天然砂級配相同，將人工砂分級篩分為0.075～0.15 mm、0.15～0.3 mm、0.3 ～ 0.6 mm、0.6 ～ 1.18 mm和1.18 ～ 2.36 mm五個(gè)粒級后，參照圖2天然砂的級配曲線進(jìn)行摻配。兩種細(xì)骨料的技術(shù)性能見表3。

填料是由破碎后的堿性骨料經(jīng)實(shí)驗(yàn)室磨粉后篩分所得到的，技術(shù)性能見表4。

瀝青、粗細(xì)骨料和填料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[11]（DL/T5362-2006）中的要求。

表1 瀝青的技術(shù)性能

表2 粗骨料的技術(shù)性能

表3 細(xì)骨料的技術(shù)性能

表4 填料的技術(shù)性能

2.2 瀝青混凝土配合比本工程心墻瀝青混凝土配合比經(jīng)過優(yōu)選后，設(shè)計(jì)參數(shù)為：級配指數(shù)0.39、瀝青用量6.8%、填料用量13%。基礎(chǔ)配合比如表5所示。

表5 瀝青混凝土設(shè)計(jì)優(yōu)選配合比

圖1 9.5～19mm顆粒級配曲線

圖2 細(xì)骨料顆粒級配曲線

3 試驗(yàn)方法簡介

根據(jù)上述采用的配合比，室內(nèi)試驗(yàn)方法均參照《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[11]（DL/T5362—2006）進(jìn)行。

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗(yàn)按照馬歇爾試件成型的方法將兩種細(xì)骨料各制備6個(gè)試件（高63.5 mm，直徑101.6 mm）并分成兩組，每組3個(gè)試件，分別測定試件的密度和孔隙率。各取一組試件置于（40±1）℃和（60±1）℃的恒溫水槽中，恒溫40 min后將試件直接置于試驗(yàn)機(jī)上采用（50±5）mm/min的加載速率進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)荷載達(dá)到最大值時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，分別記錄壓力值和位移值，取三個(gè)試件的試驗(yàn)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)3個(gè)試件測定值中最大值或最小值其中一個(gè)與中間值之差超過中間值的15%時(shí)，取中間值；當(dāng)測定值的最大值和最小值與中間值之差均超過中間值的15%時(shí)，應(yīng)重做試驗(yàn)。

3.2 瀝青混凝土單軸壓縮試驗(yàn)根據(jù)上述采用的配合比，將兩種細(xì)骨料各制備3個(gè)單軸壓縮試件（高100 mm，直徑100 mm），分別測定試件的密度和孔隙率。將試件在10.0℃水槽中恒溫4 h后放置于10 t自動(dòng)控溫萬能材料試驗(yàn)機(jī)（UTM-5105）上，采用1.0 mm/min的加載速率進(jìn)行試驗(yàn)。取值方法與馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗(yàn)相同。

3.3 瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗(yàn)將兩種細(xì)骨料各制備6個(gè)水穩(wěn)定性試件（高100 mm，直徑100 mm）并分成兩組，每組3個(gè)試件，分別測定試件的密度和孔隙率。將第一組試件置于20℃的空氣中恒溫48 h后，直接進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。另一組試件置于60℃的水中浸泡48 h后，再在20℃的水中恒溫2 h，然后進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。瀝青混凝土的水穩(wěn)定性系數(shù)為：在60℃的水中浸泡48小時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度與另一組試件在20℃的空氣中恒溫48小時(shí)直接進(jìn)行壓縮試驗(yàn)的試件的抗壓強(qiáng)度之比。取值方法與馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗(yàn)相同。

3.4 瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)將兩種細(xì)骨料各制備3個(gè)小梁彎曲試件（250 mm×40 mm×35 mm），分別測定試件的密度。將試件置于10℃恒溫箱中恒溫3 h后，放置在瀝青混凝土綜合試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，以1%/min應(yīng)變速率加載，利用位移及荷重傳感器采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。取值方法與馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗(yàn)相同。

3.5 瀝青混凝土拉伸試驗(yàn)將兩種細(xì)骨料各制備3個(gè)拉伸試件（220 mm×40 mm×40 mm），分別測定試件的密度。將制備好的試件置于10℃恒溫箱中恒溫4 h后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度條件與恒溫箱溫度相同，變形速度按1%/min的應(yīng)變速率加載，通過傳感器用計(jì)算機(jī)采集試驗(yàn)過程中試件的力和變形，由試件面積和長度計(jì)算出試件的抗拉強(qiáng)度和拉應(yīng)變。取值方法與馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗(yàn)相同。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗(yàn)瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗(yàn)結(jié)果見表6。

瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗(yàn)是瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)及瀝青混凝土施工質(zhì)量控制中最重要的試驗(yàn)項(xiàng)目，反映了瀝青的抵抗承載能力和變形能力。從表中數(shù)據(jù)可以得出：在40℃和60℃時(shí)全部使用人工砂制備的瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度較天然砂分別高3.3%和7.9%，而流值則分別低6.4%和17.5%，且在60℃時(shí)，其二者的馬歇爾穩(wěn)定度均較40℃時(shí)有明顯下降，而流值均有明顯上升。試驗(yàn)結(jié)果表明，在兩種試驗(yàn)溫度下細(xì)骨料全部使用人工砂的馬歇爾穩(wěn)定度表現(xiàn)較好，而使用天然砂則會(huì)降低瀝青混凝土的穩(wěn)定度并提高流值。

由于瀝青屬于酸性材料，而人工砂為堿性骨料破碎制成，與瀝青接觸后會(huì)在骨料界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)吸附，生成的化學(xué)產(chǎn)物有利于二者的結(jié)合，在瀝青混凝土拌和及成型時(shí)會(huì)形成較多的結(jié)構(gòu)瀝青；而天然砂表面圓滑且含酸性礦物較多，與瀝青發(fā)生作用時(shí)化學(xué)吸附較少，物理吸附較多，因此在拌合及成型時(shí)骨料的周圍會(huì)形成較多的自由瀝青，當(dāng)結(jié)構(gòu)瀝青含量少、自由瀝青含量多的情況下會(huì)使骨料在荷載作用下更易于滑動(dòng)位移，從而降低穩(wěn)定度，提升流值[12-13]。

表6 馬歇爾穩(wěn)定度及流值試驗(yàn)結(jié)果

4.2 瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗(yàn)瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

從表中數(shù)據(jù)可以得出，全部使用天然砂的瀝青混凝土水穩(wěn)定系數(shù)較人工砂低2.1%，但水穩(wěn)定系數(shù)變化不明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種細(xì)骨料制備的瀝青混凝土水穩(wěn)定性差別不大。

究其原因，主要是與骨料和瀝青的黏附性以及瀝青膠漿膜抗水剝離的能力有關(guān)。當(dāng)試件浸水后，水分會(huì)滲入瀝青與骨料的結(jié)合面上，使瀝青與骨料的黏附性以及瀝青自身的黏結(jié)力逐漸喪失，從而使得瀝青膠漿膜從骨料表面脫落或剝離[14-18]。顯然，黏附性與抗水剝離能力有密切聯(lián)系。由于天然砂大多呈酸性，相較于人工砂而言其表面圓滑、比表面積小且黏附性差，導(dǎo)致試件遭遇水損害后會(huì)有更多瀝青膠漿膜被剝離，因此與人工砂相比細(xì)骨料全部使用天然砂的瀝青混凝土水穩(wěn)定系會(huì)較低；其次，由于本次試驗(yàn)采用的工程區(qū)的天然砂水穩(wěn)定等級較高，為9級，而人工砂的水穩(wěn)定等級為10級，兩者水穩(wěn)定等級都大于6級，在現(xiàn)有水穩(wěn)定性試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，兩種瀝青混凝土的水穩(wěn)定性未能體現(xiàn)出較大差異，均能滿足規(guī)范要求。

4.3 瀝青混凝土相關(guān)力學(xué)性能及變形性能試驗(yàn)瀝青混凝土相關(guān)力學(xué)性能及變形性能試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 兩種細(xì)骨料配置的瀝青混凝土相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果對比表

從表中數(shù)據(jù)可以得出，細(xì)骨料全部使用人工砂制備的瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度較天然砂分別高21.3%、2.7%、56.8%，對應(yīng)的應(yīng)變則分別低15.2%、2.1%、10.9%。試驗(yàn)結(jié)果表明，細(xì)骨料全部使用人工砂制備的瀝青混凝土力學(xué)強(qiáng)度均高于天然砂，而使用天然砂可有效提升心墻瀝青混凝土適應(yīng)變形的能力。

由于人工砂為堿性骨料破碎制成，其表面粗糙、棱角分明、比表面積較大，能夠增強(qiáng)與瀝青的黏附能力，可形成較多的結(jié)構(gòu)瀝青，進(jìn)而與礦料表面黏結(jié)更為緊密。在外力作用下，人工砂可與骨料之間形成良好的嵌擠作用，使骨料間緊密的咬合在一起，且由于結(jié)構(gòu)瀝青對骨料的較強(qiáng)黏結(jié)作用，從而進(jìn)一步加強(qiáng)了骨料間的咬合程度，這一綜合作用的外在宏觀表現(xiàn)為其突出的力學(xué)性能；對于天然砂而言，由于其表面圓滑、棱角性差，在外力作用下天然砂可起到良好的滾珠作用，能夠使骨料之間的摩擦阻力減小，進(jìn)而加劇骨料間的相對滑動(dòng)。同時(shí)因其與瀝青黏附性較低、化學(xué)吸附較弱，使其與瀝青發(fā)生作用時(shí)形成的自由瀝青含量增多，能夠改善瀝青混凝土拌和物和易性的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性增大，因此主要由瀝青與粗骨料的黏結(jié)性承擔(dān)的力學(xué)性能較差，而對應(yīng)的變形性能則表現(xiàn)較好。

5 結(jié)論

（1）在相同配合比下，細(xì)骨料全部使用人工砂制備的瀝青混凝土力學(xué)強(qiáng)度均高于天然砂；表面光滑的天然砂與瀝青作用后形成了較多的自由瀝青，可有效改善瀝青混凝土拌和物和易性，提升心墻瀝青混凝土適應(yīng)變形的能力。由于本工程天然砂水穩(wěn)定等級較高，因此兩種瀝青混凝土的水穩(wěn)定性未能體現(xiàn)出較大差異。

（2）在相同配合比下，兩種細(xì)骨料制備的心墻瀝青混凝土雖各有優(yōu)劣，但均能滿足《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL501—2010）的要求。

（3）由于工程區(qū)天然砂儲(chǔ)量豐富，可就地取材方便施工，并能節(jié)省工程造價(jià)，而堿性骨料場距工程區(qū)運(yùn)輸距離遠(yuǎn)且人工砂獲取率低。因此，選擇天然砂作為該工程心墻瀝青混凝土的細(xì)骨料是合適的。