天然礫石瀝青混凝土心墻水穩(wěn)定性技術(shù)研究

馬 軍，柳 瑩，何建新

(1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052)

1 概述

20世紀(jì)90年代后，隨著新疆克拉瑪依、庫(kù)車等地瀝青品質(zhì)的大幅提升，以及大型機(jī)械設(shè)備的普及，使得瀝青混凝土心墻壩的應(yīng)用越來(lái)越普及，效果越來(lái)越顯著，就當(dāng)前而言，新疆地區(qū)采用這種壩型構(gòu)建的大壩數(shù)量高達(dá)上百，其中，高度在100m以上的就有8座。伴隨瀝青心墻壩的大發(fā)展，優(yōu)質(zhì)灰?guī)r石料數(shù)量正大幅減少，而運(yùn)距幾何倍數(shù)加大，最終造成工程造價(jià)增加明顯。天然礫石在新疆南北疆分布極廣，且儲(chǔ)量豐富，瀝青混凝土心墻中若能采用礫石骨料，將會(huì)極大地降低工程建設(shè)成本，并減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。但因?yàn)榈[石成分導(dǎo)致SiO2有顯著的弱酸性，所以其與混凝土有效黏附的效果無(wú)法保證，還會(huì)出現(xiàn)水損害等一系列問(wèn)題。對(duì)此，需要攻克礫石成分中瀝青和酸性材料黏附性較差等問(wèn)題，這也是后期應(yīng)用過(guò)程中最需要突破的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前全球?qū)W者在對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，在瀝青混合料與礫石混合過(guò)程中，通過(guò)水泥及化學(xué)抗剝落劑的參與，會(huì)使二者的粘附性得到大幅度提升，且性能更加平穩(wěn)。但水利界人士對(duì)礫石骨料中加入化學(xué)抗剝離劑及水泥填料后，骨料與瀝青粘附性，以及瀝青混凝土長(zhǎng)期水穩(wěn)定性仍有一定疑慮。本文以若羌河水庫(kù)為例，選取當(dāng)?shù)亓蠄?chǎng)礫石骨料并制備成瀝青混凝土試塊，利用浸水以及真空飽水馬爾試驗(yàn)內(nèi)部合理延長(zhǎng)浸水周期，分析試塊的水穩(wěn)定性能，為礫石骨料在瀝青心墻中的應(yīng)用、發(fā)展提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

2 工程概況

此次研究的若羌河水庫(kù)，位處于若羌河的出山口處，是一座集灌溉、工業(yè)供水等多個(gè)領(lǐng)域?yàn)橐惑w的綜合型水利樞紐工程，大壩為瀝青混凝土心墻壩，最大壩高77.5m。結(jié)合新疆若羌河水庫(kù)工程瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)的實(shí)際工程，本文重點(diǎn)研究心墻瀝青混凝土選取礫石骨料并摻入化學(xué)抗剝落劑及水泥后，試塊的水穩(wěn)定性能演化情況。

3 瀝青混凝土用礦料組成與化學(xué)成分

本次試驗(yàn)選用庫(kù)車90號(hào)A級(jí)道路石油瀝青，區(qū)域內(nèi)部天然礫石當(dāng)成粗骨料，粒徑d范圍是2.36～19mm，同時(shí)天然砂所屬細(xì)骨料，其最大直徑不超過(guò)2.36mm，最小直徑為0.075mm，填料采用2種，分別為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥和石粉。粗骨料的顆粒級(jí)配見表1。

表1 粗骨料的顆粒級(jí)配

4 天然礫石骨料與瀝青的粘附性試驗(yàn)研究

對(duì)瀝青與骨料粘結(jié)能力的強(qiáng)弱采用“水煮法”進(jìn)行比較，摻加方法采用熱瀝青中直接加入瀝青抗剝落劑，普通瀝青溫度不小于130℃，摻量為0.3%(瀝青的重量比)。在摻加抗剝落劑后，采用水煮法觀察試驗(yàn)結(jié)果，總體評(píng)價(jià)粘附性等級(jí)為5級(jí)，粗骨料技術(shù)性能相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 粗骨料的技術(shù)性能

細(xì)骨料技術(shù)性能相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 細(xì)骨料檢測(cè)結(jié)果

水泥技術(shù)性能相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

表4 水泥檢測(cè)結(jié)果

石粉技術(shù)性能相關(guān)數(shù)據(jù)見表5。

表5 石粉檢測(cè)結(jié)果

瀝青技術(shù)性能相關(guān)數(shù)據(jù)見表6。

表6 瀝青檢測(cè)結(jié)果

測(cè)定庫(kù)車90號(hào)A級(jí)道路石油瀝青與若羌河水庫(kù)選用的破碎礫石骨料的剝落率為51.3%，加入抗剝落劑后剝落率為34.5%，剝落率明顯降低，表現(xiàn)出較好的粘附性?？梢钥闯?，加入抗剝落劑后，骨料與瀝青的粘附能力增強(qiáng)效果較為明顯。

5 瀝青混凝土的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

目前，在實(shí)驗(yàn)室條件內(nèi)部，瀝青混凝土體現(xiàn)出的孔隙率都較小，如果浸水時(shí)間較短，水分子也就無(wú)法對(duì)瀝青膜產(chǎn)生侵蝕作用，水分子需要較長(zhǎng)時(shí)間才能進(jìn)入試件內(nèi)部，水泥填料的加入，對(duì)心墻瀝青混凝土骨料與瀝青的粘附性有一定的改善作用。但浸水時(shí)間不斷增加，水泥填料的變化情況，以及是否生成水化產(chǎn)物，對(duì)自身水穩(wěn)定性是否會(huì)造成影響等方面還應(yīng)深入測(cè)試及探討。針對(duì)上述情況，相關(guān)試件中分別添加水泥填料和石灰填料，在增加浸水時(shí)間的條件下，對(duì)試件水穩(wěn)定性能的變化展開研究，并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5.1 水穩(wěn)定性試驗(yàn)方法

把施工內(nèi)部所用到的試件浸入恒定水溫的液體中，并根據(jù)要求的時(shí)間，對(duì)其抗壓數(shù)值的波動(dòng)予以檢測(cè)和計(jì)算，以此來(lái)判定瀝青混凝土的水穩(wěn)定性水平。試驗(yàn)室選取6個(gè)試件，同時(shí)歸為兩組，第一組是在20℃±1℃空氣內(nèi)部停留超過(guò)48h，第二組是在水中浸泡超過(guò)48h，水溫恒定在60℃±1℃，然后遷移至溫度為20℃±1℃的水中，時(shí)長(zhǎng)為2h。

5.2 瀝青混凝土質(zhì)量配合比

直徑9.5～19.0mm的骨料占比24%，直徑4.75～9.50mm的骨料占比16%，直徑2.36～4.75mm的骨料占比16%，直徑2.36～0.075mm的砂子占比32%，水泥占比12%，70號(hào)石油瀝青占比6.6%。前期我們對(duì)試件進(jìn)行制備并分組，三個(gè)試件為一組，共12組。其中瀝青混凝土試件中采用水泥為填料的分為6組，在空氣中放置一組，其余的5組在水中分別浸泡48、96、144、192、240h，并要求水溫為60℃±1℃。

首先確保水箱中的水溶液恒溫在60℃，然后對(duì)2個(gè)中四角和中間6個(gè)其他部位的pH值分別進(jìn)行測(cè)定，再將試件浸入水中，每隔48h進(jìn)行一次測(cè)定，記錄水溶液中對(duì)應(yīng)部位pH值的變化。在測(cè)試過(guò)程中，務(wù)必要讓水溶液溫度全程控制在60℃，且上下誤差不得大于1℃。通過(guò)首個(gè)環(huán)節(jié)的浸入后，將試件繼續(xù)轉(zhuǎn)移到20℃上下的水溶液中再次浸泡2小時(shí)，此處的溫度波動(dòng)范圍不得大于1℃，最后再進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)。由于試件長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水溶液中，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，水溶液的pH值可能有所變化，為了對(duì)水溶液的pH值和試件抗壓強(qiáng)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，所以測(cè)試應(yīng)把各類填料的試件依次置于兩個(gè)恒溫水箱內(nèi)部。

6 試驗(yàn)結(jié)果分析

6.1 pH值試驗(yàn)結(jié)果分析

瀝青混凝土試件中，水泥作為填料。將試件浸入水中，觀察和分析水泥對(duì)水溶液pH值是否出現(xiàn)波動(dòng)，以及水化產(chǎn)物對(duì)其造成的影響。依照各類填料，對(duì)兩個(gè)恒溫水箱內(nèi)部6個(gè)差異區(qū)域水溶液的pH值依次實(shí)施監(jiān)測(cè)。測(cè)試后相關(guān)對(duì)比如圖1所示，左側(cè)為水泥試件，右側(cè)為石粉試件。

圖1 水穩(wěn)定性試驗(yàn)試件

水泥試件自身在水溶液中浸水時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，可以明顯看出試件表面由黑色逐漸變白，說(shuō)明水泥填料的加入，試件發(fā)生了嚴(yán)重的水化反應(yīng)。通過(guò)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)細(xì)節(jié)的分析和計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，水分輸送到試件內(nèi)部，會(huì)與填料內(nèi)部涵蓋的硅酸鹽出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生了Ca(OH)2和水化硅酸鈣，在這一過(guò)程中，前者會(huì)在水溶液中以最快的速度趨于飽和，同時(shí)會(huì)在試件表面出現(xiàn)白色的氫氧化鈣析晶沉積層。而石粉填料試件通過(guò)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)其表面沒(méi)有任何變化，仍為黑色，說(shuō)明石粉與水未發(fā)生水化反應(yīng)。

測(cè)出試件隨浸水時(shí)間的增加60水溶液對(duì)應(yīng)的pH值波動(dòng)，測(cè)試數(shù)據(jù)見表7。

表7 pH值測(cè)定結(jié)果(60℃)

通過(guò)表7可以看出，水泥和石粉填料在浸水前和浸水后，水溶液pH值都有變大趨勢(shì)。但水泥試件的變化更為明顯，由8.70躍升為12.12，而石粉增幅較小，僅從8.70增長(zhǎng)為8.95，后期兩試件繼續(xù)浸水后，pH值的變化都不顯著。水泥試件浸水前后變化顯著，主要是溶于水Ca(OH)2造成。進(jìn)水后，pH值迅速增大到12以上，促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，伴隨著浸水時(shí)間的增加，Ca(OH)2等水產(chǎn)物越來(lái)越多，試件表面也呈現(xiàn)為越來(lái)越白的特性。石粉填料試件在浸水前、后，及浸水后的各個(gè)時(shí)段，水溶液pH值進(jìn)行測(cè)定后，僅從8.75升至最高至9.01后又回落至8.96，變化區(qū)間較小，試件與水泥填料試件不同，未呈現(xiàn)表面發(fā)白的特性，進(jìn)而說(shuō)明石粉試件浸入水溶液及延長(zhǎng)浸水時(shí)間，試件均未發(fā)生水化反應(yīng)，也沒(méi)有Ca(OH)2的生產(chǎn)，試件表面也無(wú)變化。

6.2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果分析

在水穩(wěn)定性試件中，第一步要精準(zhǔn)測(cè)量和計(jì)算出水泥與石粉這兩種填料的瀝青混凝土試件的密度；基于這一結(jié)果，再得出兩組試件的孔隙率。然后將試件分兩次進(jìn)行浸水浸泡試驗(yàn)，首次浸泡總時(shí)長(zhǎng)為240h，每48h進(jìn)行一次測(cè)定，然后按照48、96、144、192、240h的時(shí)間進(jìn)行浸泡。其中要注意溫度的控制，且全程保持在60℃±1℃，兩次浸泡試驗(yàn)是將試件從60℃±1℃水溶液中移動(dòng)至溫度較低的20℃±1℃的水溶液中，并再次浸泡2h，進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)。試件3個(gè)為一組，以其均值來(lái)計(jì)算，判定其水穩(wěn)定性，表8所顯示的是對(duì)水泥測(cè)試后得出的試驗(yàn)成果，表9是對(duì)石粉填料試驗(yàn)之后得出的試驗(yàn)成果，圖2中所呈現(xiàn)的是試件處于不同浸水時(shí)間和最大抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。

圖2 最大抗壓強(qiáng)度與浸泡時(shí)間的關(guān)系

表8 以水泥為填料的試驗(yàn)結(jié)果

表9 以石粉為填料的試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表8測(cè)試數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，試件最大抗壓強(qiáng)度在空氣中，為是1.29MPa，浸水后正向不斷增加，在240h時(shí)，為最大值1.47MPa，不過(guò)增幅相對(duì)較大的區(qū)域在浸水96～144h的時(shí)候，波動(dòng)幅度是0.05MPa。解讀要素一是因?yàn)樵嚰陨砜紫堵势毡闉?.1%～1.4%，數(shù)值較小，造成試件浸水初期，水溶液初期能夠直接進(jìn)入試件內(nèi)部的開口空隙，之后試件在水溶液內(nèi)部周期的持續(xù)攀升，因?yàn)樽陨砜障秲?nèi)部涵蓋封閉氣體的現(xiàn)象，造成水輸送到試件內(nèi)部越發(fā)不便；另一要素或許是前期將試件浸入水中后，水分隨時(shí)間延長(zhǎng)，與填料水泥發(fā)生水化學(xué)反應(yīng)并生成的水化物，而生成的水化物又阻礙了水分進(jìn)入試件的內(nèi)部。而相對(duì)關(guān)鍵的是，瀝青膜的剝離情況會(huì)被瀝青以及礦料對(duì)應(yīng)的黏附性所影響。

在每個(gè)時(shí)段下所得到的試驗(yàn)成果都大于1.0，而且這一數(shù)值與時(shí)間呈正比。

通過(guò)表9測(cè)試數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，試件最大抗壓強(qiáng)度在空氣中，為是1.33MPa，浸水后反向不斷減小，在240h時(shí)，為最小值1.15MPa，而減幅最大段在浸水48h到96h時(shí)，減幅為0.06MPa。每48h測(cè)定數(shù)據(jù)顯示，直到192h，試件的水穩(wěn)定性系數(shù)為0.99～0.90，均滿足規(guī)范要求，但隨浸水時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，其值仍在不斷減小，在浸水達(dá)到240h時(shí)，試件的水穩(wěn)定性系數(shù)降低至0.86，已不滿足規(guī)范要求。分析原因主要是因?yàn)樵嚰诮_始的前期，試件內(nèi)部水分很難進(jìn)入。水分隨著浸水時(shí)間的不斷加長(zhǎng)，逐漸輸送到試件內(nèi)部的開口空隙，水分子越過(guò)瀝青膜附著在礦料外部，在水分子進(jìn)行置換的同時(shí)，對(duì)瀝青膜實(shí)施剝離，瀝青以及骨料的黏附性也不斷降低，進(jìn)一步的導(dǎo)致試件的抗壓強(qiáng)度減小，而試件的水損害也越來(lái)越嚴(yán)重，水穩(wěn)定性系數(shù)不斷的減小。

通過(guò)對(duì)表8、表9和圖2各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)，在空氣中，水泥填料與石粉填料試件的孔隙率一樣或相近時(shí)，最大抗壓強(qiáng)度石粉填料為1.33，明顯大于水泥填料試件的1.29，而將兩組試件分別放入浸水恒溫環(huán)境，隨著時(shí)間的不斷增加，每隔48h進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示水泥填料試件的抗壓強(qiáng)度在不斷增加，但石粉填料試件抗壓強(qiáng)度卻不斷的降低，兩者這種反向關(guān)系使得最終后者的抗壓峰值要低于水泥填料試件的抗壓峰值。分析其中原因，是由于兩組試件在空氣內(nèi)部停留的時(shí)候?qū)?yīng)的抗壓強(qiáng)度區(qū)別不大。置于水內(nèi)部，水分子輸送到孔隙率相對(duì)較低試件要消耗部分時(shí)間，因此前期無(wú)法充分水化，相應(yīng)抗壓強(qiáng)度指標(biāo)均無(wú)大的變化，而隨著浸水時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，進(jìn)入試件內(nèi)部的水分越來(lái)越多。在水泥填料試件試驗(yàn)過(guò)程中，其中是水分子與水泥有所反應(yīng)，并得出了水化產(chǎn)物，這種產(chǎn)物屬于堿性的，因此還會(huì)與瀝青再次作用，有利于再次提升骨料與瀝青之間的黏附性。在石粉試件測(cè)試內(nèi)部，水分以及石粉反應(yīng)周期增長(zhǎng)，并沒(méi)有出現(xiàn)水化現(xiàn)象，同時(shí)水溶液內(nèi)部礫石以及瀝青被持續(xù)剝離，導(dǎo)致它們自身黏附性也隨時(shí)間增加不斷降低。

7 結(jié)論

本次研究主要對(duì)礫石骨料進(jìn)行了瀝青混凝土的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性的試驗(yàn)，分析在長(zhǎng)期水損害的作用下影響自身性能穩(wěn)定性的要素，同時(shí)提出以下關(guān)鍵結(jié)論：

(1)水泥填料與瀝青混凝土相混合，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，水泥填料試件在水溶液中隨時(shí)間增加，水溶液的pH值和水穩(wěn)定性系數(shù)也都不斷增加。分析認(rèn)為，心墻瀝青混凝土中將水泥作為填料，可有效的改善其水穩(wěn)定性能。

(2)在天然礫石骨料分布范圍廣泛，但缺乏灰?guī)r骨料地區(qū)，大壩建設(shè)可以考慮通過(guò)礫石骨料配制瀝青混凝土，摻加水泥作為填料的工程措施，達(dá)到增加瀝青混凝土的耐久性能節(jié)省工程造價(jià)的目標(biāo)。

(3)礫石骨料配置瀝青混凝土在實(shí)際工程中應(yīng)用的制約性因素仍然較多，需要根據(jù)當(dāng)?shù)毓橇洗_定酸堿性指標(biāo)，并通過(guò)大量試驗(yàn)確定實(shí)踐使用的可行性。