粗骨料對水工心墻瀝青混凝土長期水穩(wěn)定性及力學(xué)性能影響研究

仝衛(wèi)超

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

1 概述

心墻瀝青混凝土具有良好的和易性、優(yōu)異的防滲性能以及獨(dú)特的裂縫自愈能力，適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形能力強(qiáng)，用于工程以后具備良好的抗凍性、抗震性、抗裂性，并且施工機(jī)械化程度高、速度快[1]?；谄淞己玫奶匦?，瀝青混凝土心墻土石壩這種壩型在新疆得到了廣泛的應(yīng)用。心墻在設(shè)計(jì)和施工過程中，雖然國內(nèi)已經(jīng)頒布了許多規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但是如何解決天然礫石骨料在瀝青混凝土心墻中的長期水穩(wěn)定性問題依然處于謹(jǐn)慎的初始階段[2]。破碎天然礫石直接用作心墻瀝青混凝土的骨料成為了近年來水利工程材料應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)，但大壩蓄水運(yùn)行后瀝青心墻是否長期穩(wěn)定不得而知。黑龍江省三道鎮(zhèn)水庫瀝青混凝土護(hù)坡在常規(guī)水穩(wěn)定性試驗(yàn)中其耐水性是合格的，但浸水14個(gè)月后水穩(wěn)定系數(shù)為0.92，浸水23個(gè)月后水穩(wěn)定性系數(shù)為0.62，浸水7年后的水穩(wěn)定性系數(shù)為0.54。經(jīng)過數(shù)年的凍融循環(huán)及長期浸泡，瀝青混凝土出現(xiàn)了松散而導(dǎo)致失效，這說明按規(guī)程測試的耐水性結(jié)果與長期浸水試驗(yàn)結(jié)果及工程運(yùn)行情況不完全一致[3]。

本文采用天然砂礫石骨料、50%破碎粗骨料、100%破碎粗骨料與堿性灰?guī)r粗骨料進(jìn)行試驗(yàn)對比，分析不同骨料配制的心墻瀝青混凝土長期穩(wěn)定性，得出可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，為天然礫石骨料在瀝青混凝土心墻壩中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)粗骨料分別采用天然礫石、50%及100%摻量破碎礫石、堿性破碎灰?guī)r，細(xì)骨料均采用天然河砂，磨圓度較好，填料采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，瀝青為中國石油克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的70號(hào)(A級(jí))道路石油瀝青。粗骨料技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

表1 粗骨料的技術(shù)性能

從表1可以分析得出，灰?guī)r及天然礫石兩者同瀝青的粘附性均為5級(jí)，灰?guī)r及破碎后的天然礫石壓碎值高于天然礫石，主要由于破碎后粗骨料形狀不規(guī)則，長寬比更大，豎向荷載作用下骨料相互擠壓、變形、碎裂，粗骨料的其他性能指標(biāo)差別不明顯。

以礦料級(jí)配指數(shù)n、填料用量F(%)和瀝青用量B(%)作為設(shè)計(jì)因素，采用均勻正交設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)9組不同的配合比，采用極差與方差分析方法優(yōu)選出基礎(chǔ)配合比，本次試驗(yàn)選定基礎(chǔ)配合比參數(shù)為：礦料級(jí)配指數(shù)為0.42，填料用料為12%，瀝青用量為6.6%。各材料質(zhì)量配合比見表2。

表2 心墻瀝青混凝土基礎(chǔ)配合比

2.2 試驗(yàn)方案

常規(guī)的瀝青混凝土水穩(wěn)定性系數(shù)為：在60℃的水中浸泡48 h試件的抗壓強(qiáng)度與另一組試件在20℃的空氣中恒溫48 h直接進(jìn)行壓縮試驗(yàn)的試件的抗壓強(qiáng)度之比[4]。常規(guī)的試驗(yàn)方法水穩(wěn)定系數(shù)均大于0.90，滿足規(guī)范要求。但是瀝青混凝土心墻壩建成后通常運(yùn)行幾十年甚至更久，通過直接延長浸水時(shí)間分析其長期水穩(wěn)定性不切實(shí)際。《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5362—2018)條文說明9.10.1中蘇聯(lián)提出了將試驗(yàn)水溫由60℃提高至80℃，并通過大量試驗(yàn)，建立了瀝青混凝土在80℃水中浸泡75 h相當(dāng)于在20℃水中浸泡1 a的定量關(guān)系。本次試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方法確定瀝青最優(yōu)配合比，采用破碎率分別為0%、50%、100%的天然礫石粗骨料和堿性灰?guī)r粗骨料作為變量，配制瀝青混凝土水穩(wěn)定性試件、拉伸試件、小梁彎曲試件，分別置于80℃的水中浸泡75 h、375 h、750 h、1 500 h、2 250 h，相當(dāng)于20℃的水中浸泡1 a、5 a、10 a、20 a、30 a，在規(guī)定的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)試驗(yàn)，分析粗骨料對瀝青混凝土長期水穩(wěn)定性及力學(xué)性能的影響和變化規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

采用本文2.1節(jié)配合比，天然礫石粗骨料破碎料0%、50%、100%及堿性灰?guī)r粗骨料各配制6組直徑和高度均為100 mm的瀝青混凝土試件，每組3個(gè)，其中5組試件分別在80℃恒溫水箱中浸泡75 h、375 h、750 h、1 500 h、2 250 h(相當(dāng)于20℃浸泡1 a、5 a、10 a、20 a、30 a)，最后1組試件在20±1℃空氣中養(yǎng)護(hù)不少于48 h，前5組試件到規(guī)定浸水時(shí)間后與最后1組單軸抗壓強(qiáng)度之比即為水穩(wěn)定性系數(shù)(試驗(yàn)結(jié)果見表3所示)。

表3 不同粗骨料的瀝青混凝土長期水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，粗骨料采用破碎料分別為0%、50%、100%的天然礫石和堿性灰?guī)r時(shí)，瀝青混凝土在浸水75 h水穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求，隨著浸泡時(shí)間延長至2 250 h，破碎率為0%的天然礫石骨料水穩(wěn)定系數(shù)由0.98增長至1.03，增加6.1%。破碎率為50%的天然礫石骨料水穩(wěn)定系數(shù)由1.01增長至1.03，增加4.0%。破碎率為100%的天然礫石骨料水穩(wěn)定系數(shù)由1.02增長至1.04，增加3.9%。堿性灰?guī)r骨料水穩(wěn)定系數(shù)由1.00增長至1.04，增加6.0%。4種粗骨料配制的瀝青混凝土試件水穩(wěn)定系數(shù)均呈現(xiàn)緩慢增大趨勢。分析試驗(yàn)過程及結(jié)果可知水穩(wěn)定性系數(shù)增大主要是由于水泥填料呈堿性，與酸性瀝青在試件內(nèi)部發(fā)生了水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣。隨著浸泡時(shí)間的增加，進(jìn)入試件內(nèi)部的水分越多，水化產(chǎn)物不斷增加，水穩(wěn)定系數(shù)也不斷增大[5]。80℃的水溫加速了水泥、水分子、瀝青三者之間的水化反應(yīng)，水化反應(yīng)速度加快。高溫對水泥中的硅酸三鈣和鋁酸三鈣影響較大，提高了瀝青混凝土試件的早期強(qiáng)度，后期強(qiáng)度變化不明顯，當(dāng)在80℃水溫下浸泡1 500 h以后，水化產(chǎn)物填充瀝青混凝土試件的孔隙，水穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定。研究表明，選用礫石骨料和水泥填料制備瀝青混凝土?xí)r可以顯著提高其粘結(jié)性，從而改善瀝青混凝土的水穩(wěn)定性[6-8]。瀝青混凝土長期水穩(wěn)定性與粗骨料類別及是否破碎不存在明顯關(guān)系。

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

為了探究粗骨料對瀝青混凝土長期力學(xué)性能的影響，采用2.1節(jié)配合比及粗骨料配制瀝青混凝土試件，浸泡溫度及浸泡時(shí)間與水穩(wěn)定性試驗(yàn)相同，進(jìn)行瀝青混凝土拉伸試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)試驗(yàn)，進(jìn)行對比分析。

3.2.1拉伸試驗(yàn)

將不同粗骨料配制的瀝青混凝土加工成尺寸200 mm×40 mm×40 mm的拉伸試件并浸泡至規(guī)定時(shí)間后，放入10±0.5℃空氣中不少于4 h，試驗(yàn)加載速率取1.0 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同粗骨料的瀝青混凝土長期拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4試驗(yàn)結(jié)果表明，不同破碎率的礫石骨料與堿性骨料配制的瀝青混凝土在長期浸泡作用下試件抗拉強(qiáng)度呈增長趨勢，破碎率為0%的天然礫石骨料抗拉強(qiáng)度0.53增長至0.98，增加84.9%。破碎率為50%的天然礫石骨料抗拉強(qiáng)度0.51增長至0.99，增加94.1%。破碎率為100%的天然礫石骨料抗拉強(qiáng)度0.58增長至1.01，增加74.1%。堿性灰?guī)r骨料抗拉強(qiáng)度0.57增長至0.98，增加71.9%。分析抗拉強(qiáng)度隨著浸水時(shí)間增大主要原因是長條形瀝青混凝土試件拉伸時(shí)產(chǎn)生平面破壞，瀝青膠漿與粗骨料的粘附力占據(jù)主導(dǎo)作用，天然礫石在長期水流沖刷及堆積作用下，表面形成了一層鐵、鋁和其他金屬化合物[9]，瀝青膠漿的水泥成分鋁酸三鈣最先水化，并且快速形成了鈣礬石(AFt)，持續(xù)浸泡作用下，水泥進(jìn)入了硅酸三鈣水化階段，隨著水泥填料的不斷水化，水化產(chǎn)物與骨料及表面的金屬化合物相之間開始產(chǎn)生了一定的粘附強(qiáng)度。有研究表明，通過使用抗剝落劑或水泥填料等抗剝落措施可以改善瀝青與骨料粘附性[10-13]。因此，瀝青混凝土試件的抗拉強(qiáng)度持續(xù)上升，拉伸試件截面如圖1～圖4所示。

圖1 天然礫石破碎率0%的試件截面示意

圖2 天然礫石破碎率50%的試件截面示意

圖3 天然礫石破碎率100%的試件截面示意

圖4 堿性灰?guī)r的試件截面示意

從圖4可以看出，拉伸試件中粗骨料與粗骨料之間的空隙被瀝青膠漿和細(xì)骨料填充，極少部分粗骨料的棱角相互接觸，但拉伸試件在受到軸向拉力的作用下，產(chǎn)生抗拉強(qiáng)度的更多的是骨料與瀝青膠漿的粘附力，所以不同破碎率的天然砂礫石和堿性灰?guī)r粗骨料配制的瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度差別并不明顯。

3.2.2小梁彎曲試驗(yàn)

將不同粗骨料配制的瀝青混凝土加工成尺寸250 mm×40 mm×35 mm的小梁彎曲試件并浸泡至規(guī)定時(shí)間后，放入10±0.5℃空氣中不少于4 h，試驗(yàn)加載速率取1.67 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同粗骨料的瀝青混凝土長期小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表5可以看出，在不浸水條件下，以破碎礫石骨料和堿性巖配制的瀝青混凝土小梁彎曲試件抗彎強(qiáng)度平均高出礫石骨料0.25～0.33 MPa。單點(diǎn)加載模式下，瀝青膠漿薄的骨料之間相互擠壓，形成較高的內(nèi)摩擦力。而天然礫石骨料表面光滑，磨圓度好，骨料與骨料之間的擠壓效應(yīng)不如破碎骨料，在集中荷載下試件抗彎強(qiáng)度較低。在長時(shí)間浸泡后，水泥填料表面的礦物質(zhì)成分產(chǎn)生水化作用，逐漸生成硅酸鈣和二氧化鈣，隨著浸水時(shí)間增加，骨料與瀝青膠漿粘結(jié)能力變強(qiáng)，在浸水750 h抗彎強(qiáng)度最大，這是由于高溫加速了水泥的早期強(qiáng)度形成，后期強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定，與粗骨料形態(tài)及性狀關(guān)系不大。

4 結(jié)語

1) 當(dāng)在80℃水溫下浸泡1 500 h以后，水化產(chǎn)物填充瀝青混凝土試件的孔隙，水穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定。瀝青混凝土長期水穩(wěn)定性與粗骨料類別及是否破碎不存在明顯關(guān)系。水泥填料對改善瀝青膠漿與骨料的粘附性從而提高瀝青混凝土的水穩(wěn)定性有顯著作用。

2) 通過拉伸試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)得到粗骨料形態(tài)及性質(zhì)對瀝青混凝土長期力學(xué)性能影響不大。主要受水泥填料與瀝青形成的膠漿遇水后的產(chǎn)生的水化產(chǎn)物和骨料相互形成的整體，使得瀝青混凝土的拉伸和彎拉強(qiáng)度在一定的浸水時(shí)間下有所增大。