整平膠結層瀝青混凝土配合比設計與質量控制

崔博濤, 劉 偉,林振華,磨煉同

(1.國網新源新疆阜康抽水蓄能有限公司,阜康 831500;2.中國水利水電第三工程局有限公司,西安 710024;3.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室,武漢 430070)

抽水蓄能水庫瀝青混凝土面板是重要的防滲結構,其一般采用簡式結構,從外到內分別由2 mm瀝青瑪蹄脂封閉層+10 cm防滲層瀝青混凝土+10 cm整平膠結層瀝青混凝土構成。整平膠結層瀝青混凝土位于墊層與防滲層之間,主要為其上面的防滲層瀝青混凝土提供一個均勻有粘聚性的基礎,并要求具有一定的滲透性,防止在整平膠結層和防滲層之間由于滯留水分而產生氣泡,導致防滲層出現鼓包問題[1-3]。整平膠結層瀝青混凝土一般設計要求孔隙率為10%～15%,滲水系數為10-4～10-2cm/s,以達到排除滲漏水,消除其對防滲層的不利影響。過高孔隙率會降低整平膠結層瀝青混凝土的強度,因此要求其具有良好的熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性控制指標采用25 ℃強度與50 ℃強度之比應小于4.5以保證施工穩(wěn)定性[4]。此外,整平膠結層瀝青混凝土應具有良好的水穩(wěn)定性,要求浸水后強度殘留率應不小于85%。在抗凍裂方面,整平膠結層凍斷溫度遠低于防滲層瀝青混凝土,在高寒高海拔地區(qū)整平膠結層瀝青混凝土存在空庫暴露過冬凍壞問題,如呼和浩特抽水蓄能電站上水庫在開春復工前檢查發(fā)現整平膠結層局部出現了不同程度的裂縫[5]。阜康抽水蓄能電站上水庫空庫過冬時采用保溫措施后整平膠結層沒有出現凍脹開裂問題。當前抽水蓄能水庫瀝青混凝土面板從設計、施工、現場檢測等環(huán)節(jié)都十分重視防滲層瀝青混凝土,但往往忽視了整平膠結層瀝青混凝土[6,7]。前期幾個項目工程實踐表明整平膠結層瀝青混凝土室內配合比設計可調性和指導性較差,場外試驗段難以一次成功,同時場內現場施工質量合格率低[8,9]。為了更好地提升整平膠結層瀝青混凝土設計與施工質量控制水平,論文重點分析了整平膠結層瀝青混凝土礦料合成級配特性,探討馬歇爾擊實次數對孔隙率的影響,提出試件密度與孔隙率試驗優(yōu)化方法以及現場孔隙率控制措施。

1 配合比設計

整平膠結層瀝青混凝土配合比設計主要包括礦料合成級配設計與瀝青用量的確定。為了達到10%～15%的孔隙率設計要求,礦料合成級配要求采用半開級配和大級配指數(如在0.7～0.9之間)以形成粗骨料骨架結構,而細料、礦粉和瀝青共同組成瀝青砂漿,填充骨架的部分間隙,剩余未填充間隙則形成孔隙和滲水通道。因此,整平膠結層瀝青混凝土配合比設計實際上是選擇合適的骨架結構,并輔與適當細料、填料和瀝青完成有效填充要求的礦料間隙。目前整平膠結層瀝青混凝土油石比一般為4.2%～4.5%,填料用量為6%～7%,粉膠比約為1.5,粉膠比略高于道路瀝青混凝土常用的范圍0.8～1.2。

整平膠結層瀝青混凝土的礦料合成級配一般采用級配指數0.7、0.8和0.9,填料用量6%和最大粒徑19 mm進行設計,按丁樸榮公式計算各篩孔通過率,得到細、中和粗三個不同的礦料合成級配,如圖1所示。若與道路瀝青混凝土設計常用的0.45次方最大理論密度線對比,三種級配指數對應的礦料合成級配均在最大理論密度線下方,且級配指數越大,越偏離0.45次方最大理論密度線,表明骨架作用越強,礦料間隙率和孔隙率越大。如圖1所示,實際上三種級配指數對應的礦料合成級配波動范圍小,以關鍵篩孔2.36 mm的通過率為例,級配指數為0.7、0.8和0.9時,其通過率分別為26.3%、22.8%和19.8%,若取級配指數0.8為中值,則級配指數為0.7的合成級配的2.36 mm通過率在中值基礎上增加3.5%,而級配指數為0.9的合成級配的2.36 mm通過率則相應減少3.0%,上下波動基本上在配合比控制要求的±3%范圍內,合成級配實際可調整空間小。

為了分析上述三個級配指數0.7、0.8和0.9的合成礦料級配的骨架特性,采用不同粒徑石灰?guī)r骨料按上述級配進行配料,同時將配好的混合集料全部過2.36 mm方孔篩,得到大于2.36 mm的混合集料。通過粗集料振搗試驗檢測混合粗集料振搗堆集密度和粗集料礦料間隙率,發(fā)現不同級配指數0.7、0.8和0.9的混合粗集料振搗堆集密度為1.70～1.71,混合粗集料礦料間隙率在37%～38%之間,波動范圍小,因此細集料、礦粉、瀝青的有效填充顯得尤為重要,填充過多和過少均達不到孔隙填充要求。

前期一些項目按級配指數0.8確定礦料合成級配,實際室內和現場瀝青混凝土孔隙率偏小,滲水率小,不得不對曲線進行調整或改良處理,如采用小于2.36 mm部分往下偏離理論計算曲線的方式,實際上是減少細料用量或采用粗砂方法,避免0.075～2.36 mm篩孔的通過率與理論曲線重合或出現駝峰。前期試驗發(fā)現細料中0.6 mm以下細顆粒含量對孔隙率影響很大,如粗砂(小于0.6 mm含量小于25%)造成孔隙率偏大,而細砂(小于0.6 mm含量大于45%)造成孔隙率偏小,上述結果表明0.15～0.6 mm細顆粒對填充作用很重要。礦料合成級配特性與現場瀝青混凝土孔隙率偏小的問題進一步說明整平膠結層瀝青混凝土的配合比設計可調性和指導性較差,往往需要通過場外工藝試驗段施工結果對配合比進行調整,因此場外工藝性試驗方案應至少推薦并施工檢驗2個不同配合比。

在油石比方面,山東沂蒙項目整平膠結層設計油石比為4.3%,江蘇句容項目設計油石比4.5%,新疆阜康項目設計油石比4.7%。實際油石比與石料吸油性有關,當瀝青用量多,填料少時存在瀝青析露風險,設計時應合理考慮性價比。前期幾個項目現場拌制的整平膠結層瀝青混合料外觀油多黑亮,表面油膜厚,有富余瀝青。須指出的是,瀝青含量、瀝青用量或油石比是不同的概念,容易混淆,如室內配合比采用瀝青含量進行設計,而施工時采用同一數值的瀝青用量或油石比會導致實際瀝青用量偏低,實際工程中宜采用瀝青用量或油石比以更方便試驗室和瀝青拌和樓配料生產。

2 擊實次數與孔隙率計算方法

整平膠結層瀝青混凝土骨架作用強,馬歇爾試件成型采用的擊實次數對孔隙率檢測結果影響很大。原則上,擊實次數的選擇應能反映現場振動碾碾壓效果。以級配指數0.8,填料用量6%,油石比4.3%拌制瀝青混凝土,按不同擊實次數,如雙面各20次、35次、50次和75次進行馬歇爾試件成型,并檢測其孔隙率,結果見表1。雙面各擊實20次存在壓實度不足的問題,孔隙率易大于15%。雙面各擊實35次和50次時孔隙率在10%～15%之間,達到正常壓實效果,而雙面各擊實75次存在過壓問題,孔隙率小于10%。道路瀝青混凝土一般采用雙面各擊實75次,低等級瀝青路面和人行道可采用雙面各擊實50次成型馬歇爾試件。水工瀝青混凝土使用條件、實際受力和和施工碾壓路機噸位等均與道路瀝青混凝土有較大差別,選擇擊實次數在35～50次之間更能反映現場實際振動碾能達到的壓實效果,雙面各擊實75次應是其現場可能達到的極限壓實效果。在室內配合比設計時應檢驗擊實次數對孔隙率的影響,了解其敏感性以指導配合比優(yōu)化設計和現場碾壓工藝。

表1 馬歇爾擊實次數對孔隙率的影響

水工瀝青混凝土試驗規(guī)程中瀝青混凝土的密度測定有排水置換法、蠟封排水置換法和量體積法,其中排水置換法適用于孔隙率小于3%的試件,蠟封排水置換法適用于孔隙率大于3%的試件,而量體積法主要針對切割成標準形狀的圓柱體試件,分別量取試件直徑和高度,用試件質量除以圓柱體積得到試件密度。整平膠結層瀝青混凝土設計孔隙率在10%～15%之間,按規(guī)范要求應采用蠟封排水置換法和量體積法。蠟封法通過降低試件表面溫度和石蠟熔化溫度,同時減少試件浸泡時間以避免石蠟過多進入試件表面連通的開口孔隙。實際上蠟封法測得的試件體積包括了瀝青混凝土體積+試件內部的閉口孔隙+連通表面的開口孔隙,使得試件測得密度偏大,孔隙率結果偏小,且基本在10%以下。量體積法實用性強,然而馬歇爾圓柱試件上下表面和側面孔洞多,測得的試件體積除了瀝青混凝土體積+試件內部的閉口孔隙+連通表面的開口孔隙外,額外增加了表面凹陷部分,因此量體積法測得的密度偏小,而孔隙率則偏大。針對蠟封法的局限性,前期開展了真空密封法檢測整平膠結層瀝青混凝土馬歇爾試件密度和孔隙率的試驗研究,先利用密封袋真空密封試件后再通過排水置換法檢測密度和孔隙率,實測結果表明真空密封法比量體積法測得馬歇爾試件孔隙率小0.8%～2.0%,平均值1.5%。采用芯樣進行真空密封法和量體積法進行對比分析發(fā)現,芯樣兩端切割整平時量體積法比真空密封法實測孔隙率結果大0.3%～0.5%;若表面不切割而底部切割時,量體積法比真空密封法實測孔隙率結果大0.7%～1.2%。目前蠟封法實用性差且結果偏差大,已經基本棄用,因此密度測量主要以量體積法為主,其特別適用于切割成標準形狀的圓柱體試件,但對于馬歇爾試件存在較大的偏差,而采用真空密封法更能準確檢測整平膠結層瀝青混凝土的密度和孔隙率,實用性好。后期研究可結合真空密封法對量體積法進行對比和修正以消除試件表面凹陷部分的影響。

3 孔隙率與滲透系數的關系

整平膠結層瀝青混凝土配合比設計的核心是孔隙率,一些項目同時對滲水系數提出10-4～10-2cm/s的設計要求,用孔隙率與滲水系數進行雙控。前期開展孔隙率與滲水系數相關性試驗結果見圖2。整平膠結層瀝青混凝土馬歇爾試件孔隙率與滲透系數實際相關性不強,主要原因是滲水與連通孔隙率有關,量體積法孔隙率在11%～13.5%范圍內才能滿足達到10-4～10-2cm/s滲水要求。上述結果給室內配合比設計提出一大難題:設計孔隙率應控制在多少方能很好地實現孔隙率與滲水系數雙控?若進一步考慮施工質量波動以及現場取芯樣與馬歇爾試件表面凹陷差異,室內配合比設計階段應按中值12.5%進行設計,在場外試驗段施工時應進一步采取芯樣進行驗證,保證馬歇爾試件孔隙率與現場芯樣相一致。從前期幾個項目來看,孔隙率與滲水系數實行雙控只是在室內配合比階段開展試驗,實際到場外工藝性試驗和現場施工階段都是只檢測孔隙率,極少開展?jié)B水系數試驗,因此雙控實用性和指導作用不大,應以孔隙率檢測為主。整平膠結層現場孔隙率大于8%基本上是滲水的,而孔隙率大于15%主要是骨料離析、溫度過低和壓實不足造成,其瀝青混凝土強度低,水穩(wěn)性和熱穩(wěn)定性差,不利于耐久性。

4 現場孔隙率控制

整平膠結層瀝青混凝土現場孔隙率要求10%～15%,范圍較窄,實際施工難以100%達到要求。前期幾個項目場外試驗段芯樣均出現了孔隙率偏小的問題,甚至出現滲水系數偏小或不滲水的情況。實際場內施工時現場芯樣孔隙率合格率低,如某個項目取芯30個,合格率僅為70%,孔隙率平均值為13.3%,最大值為18.5%,最小值為7.5%。芯樣如何切割可直接影響到基于量體積法計算得到的孔隙率。目前有以下兩種方法:1)只切割掉芯樣底部,表面不切割,取上部63 mm來測量體積和檢測孔隙率。因按試件高度和直徑測量體積時直接把試件表面凹凸部分納入試件體積而造成密度偏小和孔隙率偏大。2)采取雙面切割,切割掉表面和底部,取中間63 mm厚度芯樣來測量體積和檢測孔隙率。此方法可消除試件粗糙表面的影響,測得的結果更接近真實孔隙率。須指出的是設計要求的10%～15%孔隙率是指試件真實孔隙率,實際孔隙率在10%～15%范圍內才能達到滲透系數為10-4～10-2cm/s微滲水的效果?，F場芯樣孔隙率應采取雙面切割制得的表面光滑圓柱進行體積測量以進行密度及孔隙率檢測。

整平膠結層瀝青混凝土現場孔隙率除取芯檢測外,應多采用無核密度無損檢測方法。采用無核密度儀進行無損檢測具有快速、便捷、無損等優(yōu)點,但其缺點是檢測結果精度差。整平膠層瀝青混凝土碾壓振動碾鋼輪灑水防粘,多余水分殘留在瀝青混凝土中,此外表面粗糙、瀝青混凝土內部溫度等均影響無核密度儀檢測結果,使用前應做好標定,與芯樣點對點一一復核,保證試驗數據重復性、復現性和穩(wěn)定性,并建立標準曲線方可使用。

整平膠結層瀝青混凝土現場孔隙率變異大,施工控制難度大,表現為庫底平面比斜坡面易壓實,機械攤鋪優(yōu)于人工攤鋪。取芯發(fā)現芯樣上部比下部密實,接縫粗骨料集中,溫度低、壓實難,孔隙率普遍大于15%。對于孔隙率不合格如何處理目前尚未有很好的解決方案,挖除重鋪處理難度大,其次修補采用人工攤鋪質量差,現場孔隙率難以控制得更好。當前整平膠結層冷縫處理沒有像防滲層冷縫處理那樣得到重視,設計上沒有特別要求,完全當作熱縫進行施工處理,實際冷縫孔隙率絕大多數不合格。此外,斜坡施工時因瀝青混凝土牽引攤鋪和碾壓相互干擾,需要攤鋪完成一個條幅后才能錯開條幅進行牽引碾壓,因攤鋪后孔隙大,散熱快,容易造成碾壓溫度相對低,同時斜坡碾壓時振動碾壓實功相對庫底平面小,增加碾壓遍數難,導致斜坡局部孔隙率偏大,強度低,表面有微裂紋。在防滲層瀝青混凝土斜坡施工時若攤鋪機牽引力不足,攤鋪機履帶易壓壞整平膠結層瀝青混凝土。為進一步提高現場孔隙率合格率,應結合現場實際施工部位對施工配合比和碾壓工藝做針對性調整。斜坡施工時應對配合比適當增加細料用量和提高瀝青混凝土出料溫度,人工攤鋪時應分層攤鋪與分層及時高溫人工夯實。為減少接縫處孔隙率變異性,瀝青混凝土攤鋪時螺旋布料器內的瀝青混合料表面應略高于螺旋布料器2/3以減少螺旋布料在兩端出現粗骨料離析,必要時應對攤鋪后可能形成冷縫的接縫進行趁熱預壓實。整平膠結層瀝青混凝土采用半開級配,細料少,骨架作用強,攤鋪厚度大,應加強高溫振動碾壓,保證碾壓遍數,避免欠壓和漏壓,必要時可在壓路機上安裝精確定位GPS、壓實傳感器和紅外溫度傳感器,通過壓路機智能監(jiān)測壓實系統(tǒng)實現對現場每個點的壓實遍數與速度、壓實效果以及壓實溫度的遠程數字化控制。

5 結 論

a.整平膠結層瀝青混凝土的礦料合成級配可調整空間小,粗骨料骨架間隙率高,需要細料、礦粉和瀝青合理有效填充才能滿足孔隙率設計要求。

b.整平膠結層瀝青混凝土馬歇爾試件密度和孔隙率對擊實次數敏感。采用真空密封法比量體積法更能準確反映試件的密度和孔隙率,且實用性好。

c.整平膠結層瀝青混凝土馬歇爾試件孔隙率與滲透系數相關性差,室內配合比設計階段孔隙率應按中值12.5%進行設計。

d.整平膠結層瀝青混凝土現場孔隙率合格率低,應及時根據現場施工部位優(yōu)化和調整施工配合比與碾壓工藝,必要時可安裝壓路機智能監(jiān)測壓實系統(tǒng)保證碾壓質量。