防滲層水工瀝青混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)與過程控制

楊看迪, 李 紳,許 林,蔡榮生,林振華,磨煉同

(1.山東濰坊抽水蓄能有限公司,濰坊 262699; 2.浙江華東工程咨詢有限公司,杭州 310014; 3.中國(guó)水利水電第六工程局有限公司,沈陽 110013; 4.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070)

隨著我國(guó)新興能源的大規(guī)模開發(fā)利用,抽水蓄能電站建設(shè)得到了快速發(fā)展以提升清潔能源利用水平。瀝青混凝土面板是抽水蓄能水庫重要的防滲結(jié)構(gòu)形式之一,其中瀝青混凝土防滲層是重要的防滲結(jié)構(gòu)層,要求具有良好的抗?jié)B性、穩(wěn)定性、抗裂性和耐久性,因此一直以來瀝青混凝土防滲層從材料設(shè)計(jì)、施工、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等環(huán)節(jié)都十分重視。在配合比設(shè)計(jì)方面,丁樸榮等[1,2]通過填料濃度和膠骨比提出水工瀝青混凝土配合比平面的概念和求解施工配合比平面邊界的方法。劉增宏[3]利用效用函數(shù)法建立了水工瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型,并發(fā)現(xiàn)最佳瀝青用量是條件性的。徐天毅[4]開展三個(gè)以上配合比參數(shù)的水工瀝青混凝土配合比的設(shè)計(jì)理論和方法研究,利用正交設(shè)計(jì)法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)配合比的多元設(shè)計(jì)。在性能影響因素分析方面,余華英等[5]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)影響水工瀝青混凝土孔隙率的各種因素的排序?yàn)?級(jí)配指數(shù)>油石比>填料用量。余梁蜀等[6]利用正交試驗(yàn)方法對(duì)水工瀝青混凝土配合比進(jìn)行試驗(yàn),研究了瀝青用量、填料用量、級(jí)配指數(shù)3個(gè)因素對(duì)瀝青混凝土強(qiáng)度、變形性能和防滲性能的影響,發(fā)現(xiàn)瀝青用量對(duì)瀝青混凝土性能的影響最顯著。劉杰等[7]通過對(duì)水工瀝青混凝土進(jìn)行低溫凍斷試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)不同廠家的瀝青、填料用量對(duì)瀝青混凝土凍斷溫度影響很大,瀝青用量和天然砂摻量對(duì)防滲層水工瀝青混凝土凍斷溫度幾乎無影響。鄒長(zhǎng)根等[8]開展了不同瀝青品種、瀝青用量和骨料級(jí)配的低溫小梁彎曲試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)瀝青品種對(duì)彎曲應(yīng)變影響最大,其次為瀝青用量,骨料級(jí)配影響最小。此外,集料粒形和瀝青高溫流變性能對(duì)防滲層水工瀝青混凝土高溫抗流淌性能影響顯著[9]。

當(dāng)前防滲層水工瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)缺少公認(rèn)的設(shè)計(jì)方法與步驟,礦料合成級(jí)配設(shè)計(jì)未形成認(rèn)可的級(jí)配范圍,缺少關(guān)鍵篩孔通過率控制要求,實(shí)際設(shè)計(jì)級(jí)配與理論目標(biāo)級(jí)配存在偏差,級(jí)配調(diào)整與控制認(rèn)識(shí)不一致。礦料合成級(jí)配的選擇是水工瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題,當(dāng)前其設(shè)計(jì)級(jí)配主要以骨料最大粒徑、級(jí)配指數(shù)和填料用量3個(gè)參數(shù)進(jìn)行表征。防滲層水工瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)要充分考慮不同級(jí)配指數(shù)、填料用量和瀝青用量組合的影響,試驗(yàn)工作量大,級(jí)配選取往往基于孔隙率和斜坡流淌值,力學(xué)性能只是簡(jiǎn)單驗(yàn)證為主,導(dǎo)致最終推薦的級(jí)配并非最優(yōu)級(jí)配,因此如何根據(jù)水工瀝青混凝土性能設(shè)計(jì)要求有效地優(yōu)化和控制礦料合成級(jí)配,在理論和實(shí)踐上仍有待進(jìn)一步研究。為此,論文分析防滲層水工瀝青混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)存在的問題以提出設(shè)計(jì)級(jí)配與礦料合成級(jí)配偏差控制要求,同時(shí)探討級(jí)配調(diào)整與過程控制方法,結(jié)合前期項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果分析級(jí)配偏差對(duì)防滲層水工瀝青混凝土孔隙率和斜坡流淌值的影響,為進(jìn)一步優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)提供新思路。

1 級(jí)配設(shè)計(jì)

不管是道路瀝青混凝土還是水工瀝青混凝土,其配合比設(shè)計(jì)主要包括礦料合成級(jí)配設(shè)計(jì)與瀝青用量的確定。我國(guó)道路瀝青混凝土的礦料合成級(jí)配一般按給定的級(jí)配范圍進(jìn)行設(shè)計(jì),而美國(guó)Superpave瀝青混合料礦料合成級(jí)配則按控制點(diǎn)和禁區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì),二者均要求合成的級(jí)配曲線須在級(jí)配上、下限范圍內(nèi)或應(yīng)通過控制點(diǎn),但不能通過禁區(qū)。水工瀝青混凝土礦料合成級(jí)配設(shè)計(jì)與道路瀝青混凝土差別大,前者其主要是先通過丁樸榮公式計(jì)算和確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配,再通過調(diào)整不同礦料用量比例使得礦料合成級(jí)配盡可能接近標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配即可,但實(shí)際上二者存在偏差,其偏差與骨料規(guī)格分級(jí)數(shù)量有關(guān),但更多的是與細(xì)骨料0.075～2.36 mm的級(jí)配有關(guān)。當(dāng)前對(duì)于防滲層水工瀝青混凝土所用骨料,從大到小主要按9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm和0.075～2.36 mm進(jìn)行分級(jí),大于2.36 mm粗骨料基本上是按單一級(jí)配骨料分級(jí),因此不管單一規(guī)格粗骨料的超遜徑含量如何,均可通過調(diào)整各粗骨料用量比例使礦料合成級(jí)配在大于2.36 mm各篩孔的通過率與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配保持一致。此外,0.075 mm通過率也可通過調(diào)整礦粉用量比例來實(shí)現(xiàn)其合成級(jí)配通過率與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配一致。實(shí)際上水工瀝青混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)難點(diǎn)是0.075～2.36 mm之間各篩孔,包括0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm的通過率往往與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配存在較大偏差。圖1中標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配參數(shù)為最大粒徑Dmax=16 mm,級(jí)配指數(shù)r=0.4和填料用量F=12%,按丁樸榮公式計(jì)算得到各篩孔通過率。當(dāng)細(xì)骨料級(jí)配合理時(shí),礦料合成級(jí)配與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配高度一致,二個(gè)級(jí)配曲線基本重合。當(dāng)細(xì)骨料偏細(xì),合成級(jí)配曲線則在0.075～2.36 mm之間出現(xiàn)向上凸形成典型駝峰曲線;而細(xì)骨料偏粗,合成級(jí)配則在0.075～2.36 mm之間出現(xiàn)向下凹形成典型近間斷曲線。當(dāng)前細(xì)骨料0.075～2.36 mm的加工級(jí)配主要按超徑含量不大于10%、遜徑含量不大于5%進(jìn)行控制,缺少中間各篩孔通過率要求,完全不能控制合成級(jí)配在0.075～2.36 mm之間走勢(shì),因此不利于級(jí)配設(shè)計(jì)與過程調(diào)整控制。結(jié)合前期幾個(gè)項(xiàng)目機(jī)制砂加工實(shí)際情況發(fā)現(xiàn),細(xì)骨料加工按超徑含量不大于10%、遜徑含量不大于5%進(jìn)行控制和驗(yàn)收基本難以達(dá)到要求,多表現(xiàn)為兩頭多、中間少的不良級(jí)配,即粗料多,粉料多,中間有用細(xì)顆粒少,因此細(xì)骨料加工可按《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范 》JTG F40—2004對(duì)細(xì)骨料規(guī)格加以要求,如表1所示。此外應(yīng)進(jìn)一步限制細(xì)骨料中小于0.075 mm含量不大于12%,細(xì)骨料中多余石粉一般可在瀝青拌和樓通過烘料除塵去除。整體上,要保證礦料合成級(jí)配與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配相一致,須從源頭上控制好細(xì)骨料加工級(jí)配,級(jí)配不良和變異性大均不利于配合比設(shè)計(jì)與施工生產(chǎn)過程質(zhì)量控制。

表1 道路瀝青混合料機(jī)制砂0～3 mm規(guī)格要求

當(dāng)前水工瀝青混凝土所用骨料規(guī)格分級(jí)有限,多為4～5個(gè)規(guī)格,分級(jí)數(shù)總小于篩孔數(shù),因此在室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)時(shí)礦料合成級(jí)配不可能與設(shè)計(jì)級(jí)配完全吻合,二者偏差最小值是確定礦料合成級(jí)配和各礦料用量的重要手段。目前瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)中多采用Excel中規(guī)劃求解不等式約束條件下多變量函數(shù)最優(yōu)化方法來確定礦料合成級(jí)配和各礦料用量比例, 其將各篩孔通過率偏差的平方之和達(dá)到最小值作為設(shè)置目標(biāo),各礦料用量比例作為變更函數(shù),同時(shí)約束各礦料用量比例不小于0且不大于100%,各礦料用量比例總和為100%,最終通過改變不同礦料用量比例組合以實(shí)現(xiàn)各篩孔通過率偏差的平方之和達(dá)到最小值。利用上述方法求解有很大的局限性,其不能優(yōu)先保證關(guān)鍵篩孔2.36 mm和0.075 mm通過率與設(shè)計(jì)級(jí)配一致,其原因是細(xì)骨料0.075～2.36 mm級(jí)配包括0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm篩孔,其通過率偏差的平方之和往往大于2.36 mm和0.075 mm篩孔通過率偏差的平方。為了使所有篩孔偏差的平方之和最小,礦料合成級(jí)配曲線擬合時(shí)優(yōu)先向0.15～1.18 mm篩孔接近,而關(guān)鍵篩孔2.36mm和0.075 mm通過率則偏離設(shè)計(jì)級(jí)配值。

上述分析表明:當(dāng)各篩孔偏差的平方之和均采用平均權(quán)重,即式(1)中的Ki值為1求和時(shí),擬合得到的礦料合成級(jí)配會(huì)犧牲關(guān)鍵篩孔2.36 mm和0.075 mm通過率,特別是關(guān)鍵篩孔0.075 mm通過率容易偏離設(shè)計(jì)級(jí)配值且超過規(guī)范要求的±1%控制范圍。為了解決上述問題,必須在關(guān)鍵篩孔2.36 mm和0.075 mm引入遠(yuǎn)大于1的權(quán)重,如Ki=100以保證這二個(gè)篩孔的擬合通過率與對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)值保持一致。

(1)

式中,Y為各篩孔通過率偏差的平方之和;Pi和P′i為設(shè)計(jì)級(jí)配和礦料合成級(jí)配各篩孔通過率;Ki為各篩孔的權(quán)重;Ki一般取值為1。對(duì)于關(guān)鍵控制篩孔,Ki可取值100。

當(dāng)前防滲層水工瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)均是以標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配為整個(gè)項(xiàng)目施工過程控制和調(diào)整的目標(biāo)級(jí)配,其配合比設(shè)計(jì)一般要分為室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)鋪筑試驗(yàn)和生產(chǎn)性試驗(yàn)三個(gè)階段。若室內(nèi)配合比試驗(yàn)確定的可用于現(xiàn)場(chǎng)攤鋪試驗(yàn)的礦料合成級(jí)配與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配存在偏差,則再用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配指導(dǎo)設(shè)計(jì)和控制現(xiàn)場(chǎng)鋪筑試驗(yàn)以及生產(chǎn)性試驗(yàn)的礦料合成級(jí)配就缺乏其作為基準(zhǔn)的指導(dǎo)意義。為了消除二者偏差的影響,有些項(xiàng)目對(duì)各規(guī)格粗骨料進(jìn)行嚴(yán)格人工篩分全部去除超遜徑,同時(shí)對(duì)細(xì)骨料進(jìn)行逐級(jí)人工二次篩分,分別得到1.18～2.36 mm、0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm、0.15～0.3 mm和0.075～0.15 mm規(guī)格骨料,利用人工處理后的骨料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)和配料以保證合成礦料曲線與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配完全一致。上述理想化做法其實(shí)并不可取,其完全忽略骨料級(jí)配代表性,試驗(yàn)結(jié)果更缺乏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)配合比的指導(dǎo)性,也反映了對(duì)合成級(jí)配與理論設(shè)計(jì)級(jí)配偏差存在認(rèn)識(shí)不一致問題。從嚴(yán)格意義上分析可知,室內(nèi)配合比試驗(yàn)實(shí)際上是驗(yàn)證和最終推薦室內(nèi)合成礦料級(jí)配,而非理論上的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配,二者不應(yīng)混為一談,因此在室內(nèi)配合比報(bào)告確定和推薦配合比時(shí),須列表同時(shí)給出標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配和室內(nèi)合成礦料級(jí)配,必要時(shí)應(yīng)給出偏差控制范圍,不應(yīng)只簡(jiǎn)單給出最大粒徑Dmax、級(jí)配指數(shù)r、填料用量F和瀝青用量。

2 級(jí)配調(diào)整與過程控制

防滲層水工瀝青混凝土在完成室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)后,須經(jīng)過場(chǎng)外鋪筑試驗(yàn)和場(chǎng)內(nèi)生產(chǎn)性試驗(yàn)的驗(yàn)證與調(diào)整以最終提出施工合成級(jí)配。實(shí)際每天瀝青混合料生產(chǎn)過程中,仍需要通過熱料篩分結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)瀝青混合料抽提檢測(cè)及時(shí)調(diào)整瀝青拌和樓生產(chǎn)配合比,以確保實(shí)際生產(chǎn)合成級(jí)配與目標(biāo)合成級(jí)配一致。當(dāng)前目標(biāo)合成級(jí)配往往采用以最大粒徑Dmax、級(jí)配指數(shù)r和填料用量F三個(gè)級(jí)配參數(shù)確定的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配,忽略了實(shí)際礦料合成級(jí)配在室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)鋪筑試驗(yàn)和生產(chǎn)性試驗(yàn)階段存在的偏差問題。 生產(chǎn)過程中熱料合成級(jí)配和現(xiàn)場(chǎng)瀝青混合料的抽提級(jí)配一般要求在可控的范圍內(nèi),否則應(yīng)對(duì)生產(chǎn)配合比進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)前規(guī)范要求級(jí)配的偏差按≥4.75 mm篩孔通過率±5%, 2.36 mm篩孔通過率±3%,0.075 mm通過率±1%進(jìn)行控制。0.075～2.36 mm之間各篩孔,包括0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm的通過率如何控制成為難點(diǎn),若均按通過率±3%偏差控制,則可以直接提出任一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配的上下限控制范圍,如表2所示。為方便前后對(duì)比分析,表2中的設(shè)計(jì)級(jí)配與抽提級(jí)配均與圖1數(shù)據(jù)為例。按上述提出的設(shè)計(jì)級(jí)配控制要求,因細(xì)骨料級(jí)配不良造成的駝峰型和近間斷型級(jí)配在0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm篩孔通過率容易超出級(jí)配控制上下限,其進(jìn)一步表明標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配與前期室內(nèi)礦料合成級(jí)配存在較大偏差時(shí)應(yīng)慎重選擇合理目標(biāo)級(jí)配作為控制基準(zhǔn)。此外,前期幾個(gè)項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)0.075 mm通過率按±1%進(jìn)行控制較為苛刻,不管采用三氯乙烯溶劑抽提法還是燃燒法檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)瀝青混合料的級(jí)配,檢測(cè)結(jié)果變異性大,因此0.075 mm通過率宜按±2%進(jìn)行控制更為合理。當(dāng)前防滲層水工瀝青混凝土配合比敏感性檢驗(yàn)時(shí)一般通過改變填料用量±1%進(jìn)行試驗(yàn),前期大量室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明填料用量波動(dòng)±1%對(duì)防滲層水工瀝青混凝土各項(xiàng)性能影響極小。實(shí)際在瀝青混合料拌和生產(chǎn)過程中,抽提級(jí)配0.075 mm通過率按±1%控制極為苛刻,原因是0.075 mm通過率主要受礦粉用量及其0.075 mm通過率、細(xì)骨料用量及其0.075 mm通過率共同影響。其中防滲層水工瀝青混凝土細(xì)骨料用量高達(dá)35%左右,反算可知細(xì)骨料的0.075 mm通過率波動(dòng)范圍須控制在±3%方能實(shí)現(xiàn)瀝青混合料抽提級(jí)配0.075 mm通過率波動(dòng)控制在±1%,這對(duì)細(xì)骨料加工生產(chǎn)和瀝青拌和樓除塵長(zhǎng)期穩(wěn)定性均提出了苛刻的要求,后期應(yīng)結(jié)合瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中填料用量敏感性試驗(yàn)分析,提出更為合理的控制范圍。

表2 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配控制要求與抽提級(jí)配對(duì)比分析

目前水工瀝青混凝土抽提級(jí)配合格與否的判定主要有兩種方法:一種是采用前述的各篩孔通過率偏差控制法,另外一種是不同規(guī)格骨料(如9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0.075～2.36 mm和小于0.075 mm)配比偏差控制法。前者是利用抽提篩分結(jié)果與目標(biāo)級(jí)配比較而得,如前述分析指出,目標(biāo)級(jí)配的選擇很關(guān)鍵,若抽提級(jí)配超出目標(biāo)級(jí)配上、下限范圍即可判定不合格。配比偏差控制法為了從抽提級(jí)配中計(jì)算得到上述各規(guī)格骨料和填料配比,一般采用不含超遜徑的礦料分計(jì)篩余法進(jìn)行計(jì)算,即利用某一規(guī)格骨料最大粒徑通過率減去對(duì)應(yīng)最小骨料粒徑的通過率而得到。以標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配為例,其對(duì)應(yīng)的理論骨料配比見表3。以表3作為基準(zhǔn)分析近間斷型級(jí)配的骨料配比偏差如表4所示,近間斷型級(jí)配即使在0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm出現(xiàn)嚴(yán)重偏差,但其理論配比中0.075～2.36 mm用量與設(shè)計(jì)級(jí)配的偏差很小,仍在可控制范圍。上述分析表明配比偏差控制法只管細(xì)骨料用量是否用足,而不管細(xì)骨料是否合格,因此存在很大的局限性。上述兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)同一個(gè)抽提級(jí)配判定是否合格可能出現(xiàn)不同的結(jié)論,如通過率偏差控制法不把0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm的通過率偏差考慮在內(nèi),其本質(zhì)上與配比偏差控制法相同。前期一些項(xiàng)目也將細(xì)骨料0.075～2.36 mm加工生產(chǎn)時(shí)進(jìn)一步細(xì)分為0.6～2.36 mm和0.075～0.6 mm兩種規(guī)格以提高級(jí)配控制精度,但其要增加機(jī)制砂選粉設(shè)備,同時(shí)對(duì)瀝青拌和樓上料控制精度、增加冷料倉、熱料篩分混料控制等提出更高要求,實(shí)用性不足而基本棄用。從級(jí)配調(diào)整與過程控制角度分析,通過率偏差控制法實(shí)用性更強(qiáng),更能反映級(jí)配波動(dòng)情況以便更好指導(dǎo)骨料質(zhì)量檢測(cè)、拌和樓篩分控制和生產(chǎn)配合比調(diào)整。須指出的是,上述提到的抽提級(jí)配的配比偏差控制與瀝青拌和樓生產(chǎn)過程中配合比波動(dòng)逐盤在線檢測(cè)有本質(zhì)區(qū)別。生產(chǎn)配合比波動(dòng)逐盤在線檢測(cè)主要利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集每盤瀝青混合料實(shí)際稱取的各規(guī)格熱骨料質(zhì)量、礦粉質(zhì)量和瀝青質(zhì)量,計(jì)算每盤實(shí)際材料比例,并與生產(chǎn)設(shè)定的配合比進(jìn)行比較,按粗骨料用量偏差±5%、細(xì)骨料用量偏差±3%、填料用量偏差±1%、瀝青用量偏差±0.3%來檢驗(yàn)瀝青混合料生產(chǎn)過程中配合比控制精度是否達(dá)到要求。為達(dá)到上述控制精度要求,瀝青拌和樓的稱量系統(tǒng)在使用前和使用過程須做好靜態(tài)和動(dòng)態(tài)稱量標(biāo)定工作。

表3 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配的理論骨料配比與控制要求

表4 近間斷型抽提級(jí)配的理論骨料配比與偏差分析

3 級(jí)配偏差的影響

目前防滲層水工瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)一般重點(diǎn)檢驗(yàn)瀝青用量、填料用量、粗細(xì)骨料用量(即級(jí)配指數(shù))的敏感性,缺少細(xì)骨料級(jí)配變異敏感性分析。在實(shí)際工程中粗骨料均以單一粒徑分級(jí),其骨料離析和級(jí)配波動(dòng)小,然而細(xì)骨料0.075～2.36 mm粒徑跨度大,分布著6個(gè)篩孔,其級(jí)配在破碎加工、堆放以及瀝青拌和樓烘干除塵過程中易出現(xiàn)離析和波動(dòng)大的問題。前期研究表明細(xì)骨料級(jí)配變異對(duì)瀝青混凝土的體積和力學(xué)性能影響較大[10]。在細(xì)骨料中,0.075～0.6 mm細(xì)骨料是有用細(xì)顆粒,其具有很好的填充粗骨料礦料間隙和形成瀝青膠砂骨架作用。前期沂蒙項(xiàng)目開展了細(xì)骨料級(jí)配對(duì)防滲層水工瀝青混凝土的防滲和抗高溫斜坡流淌性能的影響研究,其結(jié)果見表5。表5中骨料最大粒徑Dmax為16 mm,級(jí)配指數(shù)r為0.4,填料用量F為9%,油石比為7.6%。配料和試件成型時(shí)將細(xì)骨料0.075～2.36 mm人工二次篩分以得到三種近間斷合成級(jí)配:1)人工篩除細(xì)骨料中0.6 mm以下顆料使其通過率小于10%而得到0.6 mm近間斷合成級(jí)配;2)人工篩除細(xì)骨料中0.3 mm以下顆料使其通過率小于5%而得到0.3 mm近間斷合成級(jí)配;3)人工篩除細(xì)骨料中0.15 mm以下顆料使其通過率小于3%而得到0.15 mm近間斷合成級(jí)配。試驗(yàn)結(jié)果表明小于0.6 mm部分細(xì)顆粒過度缺失對(duì)防滲層水工瀝青混凝土孔隙率影響很大,而小于0.3 mm部分細(xì)顆粒和小于0.15 mm部分細(xì)顆粒缺失對(duì)孔隙率影響小,其原因是0.075～0.3 mm粒徑與填料接近,其填充作用可以被填料所彌補(bǔ)。在抗高溫斜坡流淌方面,雖然同一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)變異性較大,如0.15 mm近間斷級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果中高溫斜坡流淌值最大值是2.55 mm,最小值為0.20 mm,平均值為0.68,但整體上細(xì)骨料在0.15～0.6 mm形成間斷級(jí)配有利于提高細(xì)骨料骨架結(jié)構(gòu)從而達(dá)到更好的熱穩(wěn)定性。若剔除個(gè)別變異大的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)從0.6 mm近間斷級(jí)配到0.15 mm近間斷級(jí)配,高溫斜坡流淌值呈下降趨勢(shì),表明控制細(xì)骨料中石料含量有利于提高防滲層水工瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性。

表5 細(xì)骨料級(jí)配對(duì)防滲層水工瀝青混凝土的孔隙率和斜坡流淌值的影響

為了進(jìn)一步驗(yàn)證級(jí)配偏差的影響,采用表6中的設(shè)計(jì)級(jí)配和合成級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn),其中設(shè)計(jì)級(jí)配按最大粒徑Dmax=16 mm、級(jí)配指數(shù)r=0.3和填料用量F=12%計(jì)算而得,而實(shí)際礦料合成級(jí)配在細(xì)骨料0.15～1.18 mm部分與設(shè)計(jì)級(jí)配存在明顯偏差。為了最大限度滿足設(shè)計(jì)級(jí)配要求,對(duì)細(xì)骨料進(jìn)行逐級(jí)人工二次篩分,分別得到1.18～2.36 mm、0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm、0.15～0.3 mm和0.075～0.15 mm規(guī)格骨料,從而保證室內(nèi)配料的合成礦料曲線與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配完全一致。按表6中標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配和實(shí)際未人工二次篩分合成級(jí)配配料和拌制試件以檢驗(yàn)二者的孔隙率與斜坡流淌值,結(jié)果見表7。實(shí)際合成級(jí)配的孔隙率略大于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配,而實(shí)際合成級(jí)配的斜坡流淌值遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配。上述分析結(jié)果表明按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配制備的瀝青混凝土綜合性能不一定是最佳,礦料合成級(jí)配曲線在小于2.36 mm向下略偏離標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配具有更好的高溫穩(wěn)定性,其與道路瀝青混凝土具有相同結(jié)論,即細(xì)骨料過度填充有利于提高密實(shí)性和防滲性能,但不利于結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性。前期現(xiàn)場(chǎng)取芯和抽提級(jí)配檢測(cè)結(jié)果表明即使級(jí)配偏差較大,防滲層水工瀝青混凝土現(xiàn)場(chǎng)孔隙率仍可控制在3%以下,但其對(duì)力學(xué)性能的影響尚需進(jìn)一步深入研究。出于防滲設(shè)計(jì)理念,防滲層水工瀝青混凝土具有填料用量高、細(xì)骨料用量高和瀝青用量高的“三高”特點(diǎn),其級(jí)配設(shè)計(jì)采用連續(xù)級(jí)配設(shè)計(jì)理論并非是最優(yōu)方案。近代膠漿理論認(rèn)為瀝青混凝土是由粗細(xì)骨料和瀝青膠漿逐級(jí)填充的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分散體系,合理優(yōu)化級(jí)配,特別是小于2.36 mm以下部分可顯著改善瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,今后級(jí)配優(yōu)化方案可借鑒道路瀝青混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)現(xiàn)有成果,如SMA瀝青瑪蹄脂混凝土的間斷級(jí)配理念在0.15～0.6 mm形成間斷級(jí)配,或美國(guó)Superpave瀝青混合料級(jí)配控制點(diǎn)和禁區(qū)設(shè)計(jì)理念在0.075～2.36 mm引入關(guān)鍵控制點(diǎn)或禁區(qū)進(jìn)一步優(yōu)化細(xì)骨料的填充效果與骨架結(jié)構(gòu)。

表6 防滲層水工瀝青混凝土標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配與實(shí)際合成級(jí)配偏差分析

表7 級(jí)配偏差對(duì)防滲層水工瀝青混凝土的孔隙率和斜坡流淌值的影響

4 結(jié) 論

a.防滲層水工瀝青混凝土的礦料合成級(jí)配曲線在0.075～2.36 mm之間易出現(xiàn)典型駝峰或近間斷曲線,須從細(xì)骨料加工源頭上保證合理級(jí)配以便于配合比設(shè)計(jì)與施工過程質(zhì)量控制。

b.傳統(tǒng)采用各篩孔通過率偏差的平方之和擬合得到的礦料合成級(jí)配會(huì)犧牲關(guān)鍵篩孔2.36 mm和0.075 mm通過率,使其嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)級(jí)配目標(biāo)值,須在關(guān)鍵篩孔2.36 mm和0.075 mm引入遠(yuǎn)大于1的權(quán)重,以保證關(guān)鍵篩孔的擬合通過率與對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)值保持一致。

c.礦料合成級(jí)配與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配存在偏差,室內(nèi)配合比試驗(yàn)實(shí)際上是驗(yàn)證實(shí)際礦料合成級(jí)配,因此在室內(nèi)配合比報(bào)告確定和推薦配合比時(shí),須列表同時(shí)給出標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配和室內(nèi)合成礦料級(jí)配以及級(jí)配控制偏差要求。

d.水工瀝青混合料抽提級(jí)配是否合格的判定可采用各篩孔通過率偏差控制法和配比偏差控制法,前者可建立級(jí)配上下限范圍且反映細(xì)骨料級(jí)配變異性,實(shí)用性更好,更有利于級(jí)配調(diào)整與控制。

e.防滲層水工瀝青混凝土標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配不一定是最佳級(jí)配,礦料合成級(jí)配曲線在小于2.36 mm向下略偏離標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)級(jí)配具有更好的綜合性能,后期可結(jié)合SMA瀝青瑪蹄脂混凝土的間斷級(jí)配理念和美國(guó)Superpave瀝青混合料級(jí)配控制點(diǎn)和禁區(qū)設(shè)計(jì)理念進(jìn)一步優(yōu)化細(xì)骨料的填充效果與骨架結(jié)構(gòu)。