大理巖碎石用作水工心墻瀝青混凝土骨料的綜合性能及分析

仝衛(wèi)超

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)勘察研究所, 烏魯木齊 830052)

1 概述

心墻瀝青混凝土由于具有良好的拌和性及防滲性，施工時(shí)機(jī)械攤鋪、碾壓，施工進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此，瀝青混凝土心墻壩在新疆分布越來(lái)越廣泛。相關(guān)規(guī)定中建議瀝青混凝土骨料宜采用堿性巖石破碎的碎石。大理巖雖是堿性骨料，但在新疆的水利工程中應(yīng)用很少，一般選用灰?guī)r作為瀝青混凝土人工骨料。

堿性骨料與酸性瀝青在拌和過(guò)程中，兩者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成了不溶于水的化合物，因此，抗水剝離性能好[2]。大理巖破碎后棱角分明，用其配制的水工心墻瀝青混凝土與灰?guī)r骨料相比，兩者的綜合性能有待研究論證。國(guó)內(nèi)外目前對(duì)大理巖在水工瀝青混凝土中系統(tǒng)的試驗(yàn)研究相對(duì)匱乏。楊耀輝[3]等研究了大理巖礦料和天然礫石骨料對(duì)瀝青混凝土性能的影響，結(jié)果表明兩者配制的瀝青混凝土力學(xué)性能差別不大。王德輝[4]通過(guò)對(duì)天然粗骨料進(jìn)行篩分處理，配制了3種顆粒形狀指數(shù)不同的粗骨料，將其用于瀝青混凝土。結(jié)果表明隨著粗骨料形狀指數(shù)的增大，瀝青混凝土的力學(xué)性能越好。潘琨[5]分別制備了針片狀含量不同的粗骨料用于瀝青混凝土，結(jié)果表明粗骨料中針片狀顆粒含量與瀝青混凝土的力學(xué)性能成反比關(guān)系；溫喜廉[6]等運(yùn)用數(shù)字圖形處理技術(shù)和掃描電鏡技術(shù)研究了粗骨料的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)粗骨料表面越粗糙，瀝青混凝土的抗折強(qiáng)度越大。在新疆且末石門(mén)水庫(kù)前期勘察過(guò)程中以及總結(jié)類似工程中發(fā)現(xiàn)，西北地區(qū)一些適合建設(shè)瀝青混凝土心墻壩的地區(qū)沒(méi)有灰?guī)r，大理巖卻非常豐富，若棄用大理巖選擇長(zhǎng)途運(yùn)輸灰?guī)r骨料往往增加工程成本，影響工程進(jìn)度。

本文在相同的破碎方法和配合比條件下，以破碎大理巖與破碎灰?guī)r為基礎(chǔ)制備瀝青混凝土試件，對(duì)2種試件的性能進(jìn)行試驗(yàn)與分析，為大理巖碎石在水工心墻瀝青混凝土中的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 原材料和試驗(yàn)方法

2.1 原材料

本次試驗(yàn)所用瀝青為克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的90A級(jí)道路石油瀝青，針入度(25℃，100 g，5 s)為6.8 mm，延度(5 cm/min,15 ℃)>100 cm，環(huán)球法軟化點(diǎn)為49.5℃；填料為普通硅酸鹽水泥；骨料分別為新疆且末縣石門(mén)水庫(kù)破碎大理巖骨料和奇臺(tái)縣碧流河水庫(kù)灰?guī)r骨料，填料和粗細(xì)骨料的技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1～2，各項(xiàng)技術(shù)性能均滿足規(guī)范要求。

表1 填料技術(shù)性能指標(biāo)

粗骨料酸堿性判定主要有巖相法、堿度模數(shù)法及SiO2含量法[7]。為準(zhǔn)確測(cè)定大理巖的酸堿性，本次試驗(yàn)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定大理巖堿值為0.98，灰?guī)r堿值為0.95。一般認(rèn)為，當(dāng)骨料堿值大于0.80時(shí)，該骨料與瀝青的粘附性為良好；堿值為0.70～0.80時(shí)，粘附性為合格；堿值小于0.70時(shí)，粘附性較差[7]。通過(guò)測(cè)定的堿值可以得出大理巖與瀝青的粘附性良好。

表2 粗、細(xì)骨料技術(shù)性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1配合比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用均勻正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，選擇瀝青用量、礦料級(jí)配指數(shù)、和填料用量作為瀝青混凝土配合比的3個(gè)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 大理巖碎石和灰?guī)r碎石正交試驗(yàn)最優(yōu)配合比結(jié)果

碾壓式心墻瀝青混凝土中瀝青用量通常為6.0%～7.5%[8]，瀝青與填料通過(guò)拌和形成具有粘結(jié)力的瀝青膠漿。堿性的水泥或者消石灰粉可以提高瀝青與骨料的粘附性，合適的瀝青膠漿對(duì)瀝青混凝土的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)有相當(dāng)重要的影響[9]。瀝青與填料在拌和以后形成一定厚度的“結(jié)構(gòu)瀝青”，結(jié)構(gòu)瀝青之外的稱為“自由瀝青”[10]。通過(guò)顎式破碎機(jī)所得的兩組顆粒級(jí)配相當(dāng)，選擇最優(yōu)配合比時(shí)，以試件密度、孔隙率、馬歇爾穩(wěn)定度和流值作為評(píng)判指標(biāo)，通過(guò)極差和方差分析，最終確定灰?guī)r和大理巖破碎料的配合比如下：級(jí)配指數(shù)為0.39，9.5～19 mm小石含量為24%(592.8 kg/m3)，4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm細(xì)石含量均為17%(419.9 kg/m3)，0.75～2.36 mm砂含量為29%(716.3 kg/m3)，填料含量為13%(321.1 kg/m3)；瀝青含量為6.7%(165.5 kg/m3)。

2.2.2單軸壓縮試驗(yàn)

單軸壓縮試驗(yàn)需要制備直徑為101±1 mm的瀝青混凝土試件，將試件置于新疆大部分水庫(kù)的運(yùn)行溫度為10.0℃恒溫4 h，然后放置在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上以加載速率為1 mm/min的慢速法進(jìn)行，通過(guò)電腦測(cè)讀試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2.3水穩(wěn)定性試驗(yàn)

水穩(wěn)定性試驗(yàn)需要制備直徑和高度均為100±2 mm的試件，將1組試件在60℃的水中浸泡48 h，另1組試件在20℃的空氣中恒溫48 h，將2組試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，兩者比值即為水穩(wěn)定性系數(shù)。

2.2.4拉伸和小梁彎曲試驗(yàn)

瀝青混凝土拉伸試件的尺寸為200 mm×40 mm×40 mm，彎曲試件尺寸為250 mm×40 mm×35 mm，將小梁彎曲和拉伸試件放置于10℃水中恒溫不小于3 h，試驗(yàn)加載速率為1.0 mm/min，計(jì)算機(jī)直接采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。依據(jù)規(guī)范中相應(yīng)的試驗(yàn)方法對(duì)拉伸強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變及撓跨比均進(jìn)行處理計(jì)算[11]。

2.2.5靜三軸試驗(yàn)

瀝青混凝土靜三軸試驗(yàn)需要將試件提前放置在10.0℃的恒溫空氣環(huán)境中靜置4 h，試驗(yàn)的軸向加載速率為0.18 mm/min，應(yīng)變速率為0.09%/min。試件放入壓力室以后，調(diào)整試件位置至正中心，打開(kāi)圍壓閥門(mén)，并對(duì)試件保持恒壓30 min進(jìn)行固結(jié)。試驗(yàn)的圍壓分級(jí)不少于4級(jí)，每個(gè)圍壓下做3個(gè)試件。當(dāng)軸向壓力出現(xiàn)峰值并下降以后，該試件試驗(yàn)結(jié)束；若試驗(yàn)一直未出現(xiàn)峰值，則按試件高度的20%應(yīng)變值停止試驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度流值及劈裂試驗(yàn)

2種骨料配制的瀝青混凝土馬歇爾劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表4。大理巖碎石配制的瀝青混凝土穩(wěn)定度高出灰?guī)r破碎料7.9%，流值低于灰?guī)r破碎料14.6%，劈裂抗拉強(qiáng)度兩者差別不大。在優(yōu)選最佳瀝青混凝土配合比時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度應(yīng)選取相對(duì)大的值，而流值應(yīng)選取相對(duì)小的值。顯然，用大理巖碎石配制的瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度性能略優(yōu)于灰?guī)r破碎料。

表4 馬歇爾及劈裂試驗(yàn)結(jié)果

3.2 壓縮試驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，破碎大理巖骨料配制的瀝青混凝土壓縮強(qiáng)度平均值為2.55 MPa，比破碎灰?guī)r骨料配制的瀝青混凝土壓縮強(qiáng)度平均值2.14 MPa提高了19.2%，但破碎灰?guī)r骨料配制的瀝青混凝土壓縮應(yīng)變比破碎大理巖骨料配制的瀝青混凝土高出2%，由壓縮試驗(yàn)表明，破碎大理巖骨料配制的瀝青混凝土強(qiáng)度高但柔性不如破碎灰?guī)r骨料配制的瀝青混凝土，但2種破碎骨料配制的瀝青混凝土壓縮性均滿足規(guī)范要求。

圖1 壓縮試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系示意

3.3 滲透試驗(yàn)

滲透性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5所示，2種骨料配制的瀝青混凝土試件滲透系數(shù)基本相同?？紫堵适怯绊憺r青混凝土滲透系數(shù)的關(guān)鍵因素，灰?guī)r破碎料配制的瀝青混凝土孔隙率為1.12，大理巖破碎料配制的瀝青混凝土孔隙率為0.97，兩者的孔隙率都小于2%且非常接近，因此，兩者滲透系數(shù)差別不大。

表5 滲透試驗(yàn)成果

3.4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

水穩(wěn)定性試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變結(jié)果見(jiàn)表6所示，灰?guī)r破碎料瀝青混凝土空氣中抗壓強(qiáng)度為1.26 MPa，在60℃的水中浸泡48 h后，試件的抗壓強(qiáng)度為1.17 MPa，水穩(wěn)定系數(shù)為0.93；大理巖巖破碎料瀝青混凝土空氣中抗壓強(qiáng)度為1.63 MPa，在60℃的水中浸泡48 h后，試件的抗壓強(qiáng)度為1.49 MPa，水穩(wěn)定系數(shù)為0.91；兩者的水穩(wěn)定性系數(shù)均大于規(guī)范要求的0.90，并且相差不大，這表明大理巖破碎后作為瀝青混凝土骨料，經(jīng)過(guò)高溫浸泡以后，強(qiáng)度損失不大。

表6 水穩(wěn)定性試驗(yàn)成果

3.5 拉伸和小梁彎曲試驗(yàn)

拉伸和小梁彎曲試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果示意

圖3 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果示意

從圖2中可以看出破碎大理巖配制的瀝青混凝土拉伸強(qiáng)度為0.5 MPa，小于破碎灰?guī)r配制的瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度，但是承受的抗變形能力高于破碎灰?guī)r配制的瀝青混凝土。

從圖3中可以看出破碎大理巖配制的瀝青混凝土抗彎強(qiáng)度為2.4 MPa，高出破碎灰?guī)r抗彎強(qiáng)度約0.9 MPa，這也表明破碎大理巖在試驗(yàn)溫度10℃的低溫條件下柔性、與骨料的膠結(jié)性能均略強(qiáng)于破碎灰?guī)r骨料配制的瀝青混凝土。

3.6 靜力三軸試驗(yàn)

靜力三軸試驗(yàn)?zāi)獱枒?yīng)力圓試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 破碎大理巖靜三軸試驗(yàn)結(jié)果示意

圖5 破碎灰?guī)r靜三軸試驗(yàn)結(jié)果示意

由圖4、5可知，破碎大理巖骨料配制的瀝青混凝土的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為459 kPa和28.3°，比破碎灰?guī)r骨料配制的瀝青混凝土低6.0 kPa和0.7°。一方面是由于在不同的圍壓作用下，破碎粗骨料咬合嵌擠，粗骨料之間的咬合力相對(duì)提高，楊耀輝[3]等研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土力學(xué)性能的提高，主要與骨料粒形和表面粗糙度有關(guān)，破碎礫石骨料配制的瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、水穩(wěn)定系數(shù)分別提高了19%、36%、26%和10%左右，粘聚力和內(nèi)摩擦角分別提高了171 kPa和2.1°。試驗(yàn)結(jié)果也表面了2種骨料配制瀝青混凝土靜三軸力學(xué)性能差別不明顯，均能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，破碎大理巖配制的瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度低于破碎灰?guī)r0.5 MPa，抗壓和抗彎強(qiáng)度分別高出破碎灰?guī)r0.41 MPa和0.9 MPa，粘聚力和內(nèi)摩擦角低于破碎灰?guī)r6.0 kPa和0.7°，力學(xué)性能差別不明顯。說(shuō)明以破碎大理巖配制瀝青混凝土是完全可行的，且力學(xué)性能均滿足規(guī)范要求。

2) 大理巖碎石主要礦物成分為方解石，粘附性為5級(jí)，使用其配制的瀝青混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度有一定的提高。