集料粒形對(duì)防滲層水工瀝青混凝土高溫性能的影響

華 召，鄒長根，余 浩，閆小虎，磨煉同，肖 月

(1.中國葛洲壩集團(tuán)市政工程有限公司，宜昌 443002；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070; 3.長江科學(xué)院水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心,武漢 430010)

水工瀝青混凝土防滲面板是抽水蓄能水庫重要的防滲結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)前我國主要采用由整平膠結(jié)層、防滲層和封閉層組成的簡(jiǎn)式結(jié)構(gòu)，其中防滲層是最重要的結(jié)構(gòu)層，要求具有良好的抗?jié)B性、熱穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗裂性、耐久性和施工和易性[1-2]。為了達(dá)到上述功能，防滲層瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)多采用密級(jí)配，其特點(diǎn)是細(xì)料多、瀝青多和礦粉多以有利于保證防滲性、柔性和施工和易性，但柔性與抗高溫斜坡流淌往往相互制約，即抗高溫斜坡流淌需要較大的級(jí)配指數(shù)以有助于粗細(xì)集料形成較好的骨架結(jié)構(gòu)，同時(shí)在滿足柔性的基礎(chǔ)上盡量采用低的瀝青用量和填料用量[3]。

高溫斜坡流淌是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)規(guī)范要求斜坡流淌值在70 ℃保溫48 h條件下不大于0.8 mm，以保證運(yùn)行期間夏季高溫時(shí)不發(fā)生流淌。高溫流淌與溫度密切相關(guān)，瀝青混凝土面板溫度可達(dá)到氣溫的1.6～2.0倍[4]。防滲層瀝青混凝土具有很高的溫度敏感性，應(yīng)避免熱穩(wěn)定性不足而導(dǎo)致剪切變形和斜坡流淌。在國內(nèi)已建成的項(xiàng)目中，天荒坪抽水蓄能電站上水庫庫盆防滲型式系國內(nèi)首次采用全庫盆瀝青混凝土護(hù)面防滲，防滲面板斜坡流淌值的設(shè)計(jì)指標(biāo)為在70 ℃和1∶2坡度比下不大于5 mm，在60 ℃下斜坡流淌值不大于1.5 mm。為了防止早期高溫流淌，在壩頂設(shè)置了噴水管以便在夏季高溫時(shí)段噴水給壩面降溫[5]。張河灣的防滲層瀝青混凝土級(jí)配指數(shù)為0.24，瀝青油石比高達(dá)7.7%，設(shè)計(jì)要求在坡度1∶1.75，溫度70 ℃保溫48 h，斜坡流淌值不大于2.0 mm。因采用級(jí)配指數(shù)小，瀝青混凝土中粗集料被瀝青砂漿懸浮，不能形成相嵌咬合結(jié)構(gòu)，而溫度升高時(shí)瀝青砂漿易于流變，從而降低了瀝青混凝土的斜坡熱穩(wěn)定性[6]?；诘图?jí)配指數(shù)懸浮結(jié)構(gòu)的不足，寶泉上水庫防滲面板提出采用較高級(jí)配指數(shù)(n=0.35～0.45)形成穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)的理念以解決寶泉工程1∶1.7斜坡和極端最高氣溫43 ℃下(面板表面溫度達(dá)80 ℃)的面板高溫穩(wěn)定問題，并通過摻纖維進(jìn)一步改善瀝青混凝土熱穩(wěn)定性[7]。西龍池抽水蓄能電站針對(duì)高溫流淌問題進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，其設(shè)計(jì)要求使用普通水工瀝青時(shí)斜坡流淌值不大于2.0 mm。當(dāng)瀝青含量在6.5%～8.5%之間時(shí)，斜坡流淌值在0.39～2.97 mm范圍內(nèi)，變異性較大，而采用改性瀝青后在選定瀝青含量7.5%時(shí)滿足防滲層高溫流淌值不超過 0.80 mm[8]。呼和浩特抽水蓄能電站為了解決極端低溫凍斷難題采用了改性水工瀝青和0.35～0.5的高級(jí)配指數(shù)以形成抗斜坡流淌變形的穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)，突破了國內(nèi)規(guī)范中給出的級(jí)配指數(shù)0.24～0.28的限制，其防滲層瀝青混凝土的斜坡流淌值在0～0.73 mm之間[9]。山東沂蒙抽水蓄能電站瀝青混凝土可研報(bào)告采用0.43級(jí)配指數(shù)和7.6%的油石比，當(dāng)瀝青選用遼河石化SG90水工瀝青時(shí)，斜坡流淌值在0.19～2.10 mm之間，平均值為0.83 mm；瀝青選用遼河石化SG70水工瀝青時(shí)，斜坡流淌值在0.27～1.66 mm之間，平均值為0.70 mm。斜坡流淌值數(shù)據(jù)離散性大[10]。目前我國已建成的抽水蓄能水庫防滲層瀝青混凝土斜坡流淌值變異性大，因斜坡流淌值是反映防滲層瀝青混凝土熱穩(wěn)定性能的唯一指標(biāo)，其制定的標(biāo)準(zhǔn)目前仍有很大的爭(zhēng)議[11]。

瀝青混凝土高溫強(qiáng)度取決于瀝青粘聚力和骨料內(nèi)摩擦力，因此集料的棱角性，特別是細(xì)集料將直接影響密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu)型防滲層瀝青混凝土的熱穩(wěn)定性[12]。論文結(jié)合前期國內(nèi)多個(gè)工程項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用情況，采用集料圖像測(cè)試系統(tǒng)精確客觀地分析了不同粗、細(xì)集料的形態(tài)特征，利用反擊破和沖擊破加工的粗集料、細(xì)集料以及天然砂開展防滲層瀝青混凝土斜坡流淌試驗(yàn)，以分析不同集料粒形對(duì)抗斜坡流淌性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用京博SG70水工瀝青，集料采用山東沂蒙石灰?guī)r集料，瀝青與集料的各種指標(biāo)均滿足水工瀝青混凝土技術(shù)規(guī)范要求。其中石灰?guī)r集料又分為反擊破方式加工和沖擊破方式加工兩種，最大粒徑為16 mm，粗集料有9.5～16 mm、4.75～9.5 mm和2.36～4.75 mm三種規(guī)格，細(xì)集料0.075～2.36 mm為采用石灰?guī)r集料加工的機(jī)制砂和天然砂。填料采用石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉。

1.2 AIMS試驗(yàn)

試驗(yàn)采用集料圖像測(cè)量系統(tǒng)(Aggregate Image Measurement System，AIMS)分析粗細(xì)集料的形狀、棱角性及表面紋理。為了對(duì)比分析，集料分別采用反擊破方式加工和沖擊破方式加工的石灰?guī)r粗集料和機(jī)制砂。AIMS用Form2D指數(shù)來表示細(xì)集料的二維形狀，F(xiàn)orm2D的取值范圍為0～20。當(dāng)集料Form2D小于6.5時(shí)，集料可以近似成圓形；當(dāng)Form2D大于10時(shí)，集料的針片狀特性非常明顯。集料棱角性表示顆粒的邊緣銳度，其取值范圍為0～10 000，集料的棱角性越大，表示集料顆粒的邊緣越尖銳。

1.3 斜坡流淌試驗(yàn)

為了分析骨料粒形對(duì)防滲層瀝青混凝土斜坡流淌的影響，分別以級(jí)配指數(shù)0.24、0.35和0.43設(shè)計(jì)了細(xì)、中和粗三種合成級(jí)配。三種合成級(jí)配以丁樸榮公式計(jì)算，其中最大粒徑取16 mm。為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)，填料用量按規(guī)范要求的取值范圍取11%。為了對(duì)比不同加工方式獲得的集料對(duì)斜坡流淌的影響，結(jié)合以往工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)規(guī)范要求，以京博SG70水工瀝青開展油石比為7.6%的斜坡流淌試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 AIMS試驗(yàn)結(jié)果

圖1為兩種破碎加工方式得到的骨料粒形示意圖。從圖1中可以看出，反擊破加工的骨料棱角性大于沖擊破加工的骨料。圖2和圖3給出了沖擊破和反擊破加工條件下不同粒徑骨料的棱角性和Form2D檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于沖擊破加工的粗骨料，4.75～9.5 mm骨料具有最高的棱角性3 247，大于同粒徑下反擊破加工的骨料的3 033，0.6～1.18 mm細(xì)骨料的Form2D最大為7.99，大于同粒徑下反擊破加工的骨料的7.32。對(duì)于反擊破加工的骨料，除 4.75～9.5 mm之外，其他幾種規(guī)格的骨料的棱角性都比沖擊破加工的骨料高，棱角性范圍在2 760～3 178之間；除0.6～1.18 mm之外，1.18～2.36 mm和2.36～4.75 mm骨料的Form2D都高于沖擊破加工的骨料，F(xiàn)orm2D值分別為8.74和8.30。整體上骨料的棱角性、形狀等和骨料粒徑關(guān)系不明顯，而骨料的粒形特征與破碎加工方式關(guān)系顯著，表現(xiàn)為反擊破加工的骨料粒形明顯優(yōu)于沖擊破加工的骨料。

2.2 斜坡流淌試驗(yàn)結(jié)果

水工瀝青混凝土的斜坡流淌試驗(yàn)結(jié)果見表1 。集料分別采用沖擊破加工的骨料和反擊破加工的骨料。當(dāng)采用0.24級(jí)配指數(shù)時(shí)，沖擊破加工的骨料制成的瀝青混凝土的斜坡流淌值在0.58～2.66 mm范圍內(nèi)，平均值為1.34 mm，而反擊破加工的骨料的斜坡流淌值的平均值為0.43 mm，且波動(dòng)范圍在0.14～0.69 mm范圍內(nèi)；當(dāng)采用0.35級(jí)配指數(shù)時(shí)，沖擊破加工的骨料制成的瀝青混凝土的斜坡流淌值在0.78～2.89 mm范圍內(nèi)，平均值為1.71 mm，而反擊破加工的骨料的斜坡流淌值的平均值為0.61 mm，且波動(dòng)范圍在0.19～1.40 mm范圍內(nèi)；當(dāng)采用0.43級(jí)配指數(shù)時(shí)，沖擊破加工的骨料制成的瀝青混凝土的斜坡流淌值在0.18～1.85 mm范圍內(nèi)，平均值為0.8 mm，而反擊破加工的骨料的斜坡流淌值的平均值為0.35 mm，且波動(dòng)范圍在0.11～0.81 mm范圍內(nèi)。通過對(duì)比不同級(jí)配指數(shù)下的斜坡流淌值，反擊破加工的骨料制成的水工瀝青混凝土的斜坡流淌值都能滿足小于0.8 mm的規(guī)范要求，而沖擊破加工的骨料只有在0.43級(jí)配指數(shù)下才能勉強(qiáng)滿足技術(shù)要求。總體上棱角性高的骨料有利于提升密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu)型水工瀝青混凝土的斜坡穩(wěn)定性，而棱角性較差時(shí)，需采用較高級(jí)配指數(shù)以提高瀝青混凝土骨架結(jié)構(gòu)來提高高溫穩(wěn)定性。

表1 沖擊破加工和反擊破加工的骨料的斜坡流淌試驗(yàn)結(jié)果 /mm

集料的形態(tài)特征對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能有著較大的影響，具有豐富棱角性及表面粗糙的集料，能夠提供較大的內(nèi)摩擦力及與瀝青的粘附力，可增強(qiáng)瀝青混合料的高溫抗剪切性能。研究表明集料的骨架作用對(duì)高溫性能起到大于70%的貢獻(xiàn)，瀝青的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，因此優(yōu)化骨料級(jí)配和棱角性對(duì)其高溫性能改善效果最為顯著[11]。破碎加工方式影響集料的棱角性和球形度，反擊破加工的集料棱角性高，球形度低，而沖擊破加工的集料棱角性低，球形度高。由于棱角性小和球形度高的集料內(nèi)摩擦力不如棱角性大和球形度小的集料，在瀝青混合料中形成的骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也相對(duì)較差，不利于瀝青混凝土的抗高溫斜坡流淌。

防滲層瀝青混凝土對(duì)施工和易性有較高的要求，為此前期項(xiàng)目中普遍采用摻配天然砂的形式加以改善和易性，常用比例是天然砂∶機(jī)制砂=1∶1。由于天然砂偏橢圓，表面紋理少，其摻入對(duì)高溫斜坡流淌有不利影響。為了進(jìn)一步驗(yàn)證天然砂的棱角性和粒形，開展AIMS分析，結(jié)果表明1.18～2.36 mm和0.6～1.18 mm的天然砂Form2D分別為0.58和0.62，明顯低于沖擊破和反擊破加工的機(jī)制砂。為了驗(yàn)證天然砂對(duì)瀝青混凝土斜坡流淌的影響，采用0.35和0.43級(jí)配指數(shù)，細(xì)集料部分采用天然砂∶機(jī)制砂=1∶1制成瀝青混凝土試件并開展斜坡流淌試驗(yàn)，其中粗骨料和機(jī)制砂為反擊破方式加工，斜坡流淌試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，摻入天然砂的瀝青混凝土的斜坡流淌值均大于技術(shù)要求的0.8 mm。0.35和0.43級(jí)配指數(shù)下的斜坡流淌值分別為1.82 mm和1.00 mm，均大于反擊破加工的骨料的斜坡流淌值，并且大于沖擊破加工骨料的1.71 mm和0.80 mm。進(jìn)一步驗(yàn)證了細(xì)骨料粒形對(duì)防滲層水工瀝青混凝土斜坡流淌值有顯著的影響。在采用天然砂提高瀝青混凝土施工和易性的同時(shí)應(yīng)注意檢驗(yàn)其對(duì)高溫斜坡流淌的影響。

3 結(jié) 論

a.集料粒形對(duì)水工瀝青混凝土的抗斜坡流淌性能影響顯著，而破碎加工方式往往決定了集料的粒形。采用集料圖像測(cè)量系統(tǒng)可很好地表征集料的棱角性，反擊破比沖擊破能更好加工出棱角性高和粒形好的集料，其更有利于改善瀝青混凝土的抗斜坡流淌性能。

b.防滲層瀝青混凝土屬于密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu)，細(xì)集料粒形對(duì)高溫斜坡流淌性能影響顯著，反擊破加工的機(jī)制砂優(yōu)于沖擊破加工的機(jī)制砂，而機(jī)制砂整體優(yōu)于天然砂。

c.為了保證防滲層瀝青混凝土的抗高溫斜坡流淌性能，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用高棱角性的集料，同時(shí)選用較高級(jí)配指數(shù)進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)以利用骨架結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提升高溫穩(wěn)定性。