酸性骨料瀝青混凝土配合比優(yōu)選

王麗峰

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

瀝青混凝土心墻土石壩具有良好的抗?jié)B性、抗震性及較強(qiáng)的適應(yīng)變形能力，現(xiàn)已被越來(lái)越多的工程技術(shù)人員所接受，成為主要的壩型之一，特別在西北地區(qū)應(yīng)用廣泛[1，2]。瀝青混凝土作為擋水材料，其性能顯得尤為重要，而性能的優(yōu)劣關(guān)鍵在于配合比的好壞。瀝青混凝土是由瀝青、填料、粗細(xì)骨料組成，骨料在瀝青混凝土中既起到骨架的作用，又與瀝青粘結(jié)形成密實(shí)結(jié)構(gòu)體。心墻瀝青混凝土通常要求使用堿性骨料，因?yàn)闉r青本身屬于酸性，在熱拌合過(guò)程中與堿性骨料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)骨料與瀝青的粘結(jié)力[3]。酸性骨料與瀝青的粘結(jié)力較差，在長(zhǎng)期浸水作用下，瀝青與酸性骨料界面處的瀝青膜很容易被水置換，使得瀝青與骨料剝離，降低心墻瀝青混凝土的耐久性。在一些壩址區(qū)，滿足一定合理運(yùn)距的范圍內(nèi)不一定有堿性骨料，特別像新疆地區(qū)，大多數(shù)的河流發(fā)源于高山冰川地帶，在水流的作用下，將卵石、礫石帶入河道，使得天然砂礫石極為豐富，非常容易開(kāi)采[4，5]。天然砂礫石大部分為酸性或中性巖石，雖然已有天然砂礫石用于心墻瀝青混凝土中的工程實(shí)踐，但對(duì)酸性骨料在心墻混凝土中的應(yīng)用研究還比較缺乏，本文從酸性骨料與瀝青粘附性的角度出發(fā)，分析酸性骨料在心墻瀝青混凝土中的適用性。

1 原材料選擇

1.1 骨料酸堿性

此次試驗(yàn)所用骨料主要由4 種巖石組成，各巖石含量：1 號(hào)巖石占8.20%，2 號(hào)巖石占31.70%，3 號(hào)巖石占18.10%，4 號(hào)巖石占42.00%，巖相鑒定分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可知，若按各種巖石在砂礫石骨料中所占質(zhì)量百分比為權(quán)重綜合加權(quán)計(jì)算骨料的SiO2含量，即60.80×8.20%+68.90×31.70%+71.30×18.10%+67.60×42.00%=68.10% ＞65.00%，故可認(rèn)為該骨料系酸性骨料。

表1 巖相鑒定

1.2 骨料粘附性

瀝青和骨料粘附性的本質(zhì)是兩種材料的界面親和力，這種界面親和力是指表面張力、范德華力、機(jī)械附著力及化學(xué)反應(yīng)引力。眾所周知，水對(duì)瀝青-骨料粘附力有著潛在的危害，水分吸附在骨料表面，由于水的極性很強(qiáng)，骨料表面的瀝青能被水置換。對(duì)于石英類材料，硅的含量很高，表面帶有弱的負(fù)電荷，能與水分子的氫離子以氫鍵的方式結(jié)合，由于它與瀝青的結(jié)合主要依靠相對(duì)較弱的范德華力，此種結(jié)合力比水分子與硅的極性吸引力小得多，水更容易穿透瀝青達(dá)到骨料表面將骨料與瀝青分開(kāi)，當(dāng)需要采用酸性或中性巖石時(shí)，必須有充分的試驗(yàn)論證。

本文采用水煮法對(duì)此次試驗(yàn)擬選用的4 種巖石進(jìn)行粘附性等級(jí)評(píng)定。水煮法是將表面完全被瀝青包裹的骨料顆粒在沸水中浸煮3 min 后取出，通過(guò)觀察骨料顆粒表面瀝青膜的剝落程度判定骨料與瀝青的粘附性等級(jí)。此試驗(yàn)將水煮時(shí)間延長(zhǎng)至9 min，觀察骨料表面瀝青的剝落情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 骨料與瀝青水煮法試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步改善酸性骨料與瀝青的粘附性，在瀝青中加入3.00%的普通硅酸鹽水泥制成瀝青膠漿，進(jìn)行粘附性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以明顯地看出，加入水泥后，瀝青膜的剝落面積明顯減少，說(shuō)明在瀝青中加入水泥可以有效地改善酸性骨料與瀝青的粘附性。

圖2 骨料與瀝青膠漿水煮法試驗(yàn)結(jié)果

1.3 原材料性能

此次試驗(yàn)選用庫(kù)車(chē)AH-90 號(hào)瀝青，普通硅酸鹽水泥為填料，粗、細(xì)骨料為上述酸性骨料，各材料性能結(jié)果見(jiàn)表2—5。試驗(yàn)所用的各種原材料均滿足SL 501—2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的技術(shù)要求[6]。

表2 瀝青性能結(jié)果

表3 水泥性能結(jié)果

表4 細(xì)骨料性能結(jié)果

表5 粗骨料性能結(jié)果

2 配合比設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)旨在確定礦料標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配，確定各級(jí)礦料、填料和瀝青用量。良好的礦料級(jí)配應(yīng)該是使礦料的孔隙率最小，結(jié)構(gòu)瀝青能充分裹覆骨料的表面，以保證礦料顆粒之間處于最緊密的狀態(tài)，并為礦料與瀝青之間交互作用創(chuàng)造良好條件，依此配制的瀝青混凝土能最大限度地發(fā)揮其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的效能。在SL 501—2010 和SL 514—2013《水工瀝青混凝土施工規(guī)范》[7]兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都推薦水工瀝青混凝土的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)可采用丁樸榮教授提出的公式計(jì)算獲得。此次試驗(yàn)初擬級(jí)配指數(shù)為0.35，0.38，0.41，填料用量分別為11.00%，13.00%，15.00%，瀝青用量分別為6.10%，6.40%，6.70%，7.00%。選用L9（34）+3 正交表安排試驗(yàn)方案，以孔隙率、馬歇爾穩(wěn)定度和流值、劈裂抗拉強(qiáng)度為考核指標(biāo)，選出最優(yōu)配合比參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 瀝青混凝土基本性能試驗(yàn)結(jié)果

2.1 瀝青用量對(duì)瀝青混凝土性能影響

瀝青用量又稱油石比，是指瀝青材料質(zhì)量與礦料總質(zhì)量的比率，確定最適宜的瀝青用量，使瀝青既能充分包裹礦料顆粒，又不會(huì)導(dǎo)致有過(guò)多的自由瀝青，使瀝青混凝土既有足夠的強(qiáng)度，又有一定的柔性。瀝青用量與4 種考核指標(biāo)關(guān)系見(jiàn)圖3，由圖3 試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于孔隙率來(lái)講，隨著瀝青用量的增加，孔隙率逐漸減小，當(dāng)瀝青用量從6.40%增加到6.70%時(shí)，孔隙率減小明顯；劈裂抗拉強(qiáng)度變化幅度不大，且隨著瀝青用量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸減小；隨著瀝青用量的增加馬歇爾穩(wěn)定度逐漸減??；馬歇爾流值隨著瀝青用量的增加先增大后減小再增大，且在瀝青用量達(dá)到6.70%后，流值增加明顯。綜合各個(gè)考核指標(biāo)來(lái)看，瀝青用量為6.70%時(shí)，瀝青混凝土的性能較優(yōu)。

圖3 瀝青用量與考核指標(biāo)關(guān)系

2.2 級(jí)配指數(shù)對(duì)瀝青混凝土性能影響

級(jí)配指數(shù)可以確定礦料的顆粒級(jí)配，其值的大小表示礦料中粗、細(xì)骨料含量的比例，數(shù)值越小，礦料中細(xì)顆粒的含量越多。級(jí)配指數(shù)與4 種考核指標(biāo)關(guān)系見(jiàn)圖4，由圖4 試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于孔隙率來(lái)講，隨著級(jí)配指數(shù)的增加，孔隙率先增大后減小，級(jí)配指數(shù)為0.38 時(shí)，孔隙率最大，且滿足規(guī)范要求；劈裂抗拉強(qiáng)度隨著級(jí)配指數(shù)的增加呈下降趨勢(shì)；對(duì)于馬歇爾穩(wěn)定度來(lái)講，隨著級(jí)配指數(shù)的增加逐漸減小，當(dāng)級(jí)配指數(shù)為0.38 后，穩(wěn)定度減小緩慢；馬歇爾流值隨著級(jí)配指數(shù)的增加呈減小趨勢(shì)。綜合各個(gè)考核指標(biāo)來(lái)看，級(jí)配指數(shù)為0.35時(shí)，瀝青混凝土的性能較優(yōu)。

圖4 級(jí)配指數(shù)與考核指標(biāo)關(guān)系

2.3 填料用量對(duì)瀝青混凝土性能影響

填料用量是指填料質(zhì)量占礦料總質(zhì)量的百分率，填料不僅可以在礦料中起到填充密實(shí)作用，而且對(duì)瀝青混凝土的力學(xué)性能、流變性能及感溫性等產(chǎn)生重要的影響。填料與瀝青形成瀝青膠漿，不僅具有物理吸附作用，還很好地填充了粗、細(xì)骨料之間的縫隙，從而提高瀝青混凝土的抗?jié)B性[8]。填料用量與4 種考核指標(biāo)關(guān)系見(jiàn)圖5，由圖5 試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)填料用量為11.00%，13.00%，15.00%時(shí)，孔隙率相當(dāng)，滿足規(guī)范要求；隨著填料用量的減小，劈裂抗拉強(qiáng)度先增大后減?。浑S著填料用量的減小，馬歇爾穩(wěn)定度先減小后增大；隨著填料用量的減小，馬歇爾流值先增大后減小。綜合各個(gè)考核指標(biāo)來(lái)看，填料用量為11.00%時(shí)，瀝青混凝土的性能較優(yōu)。

圖5 填料用與考核指標(biāo)關(guān)系

綜上所述，通過(guò)各個(gè)考核指標(biāo)的比選，在此試驗(yàn)范圍內(nèi)，瀝青混凝土配合比參數(shù)：瀝青用量為6.70%，級(jí)配指數(shù)為0.35，填料用量為11.00%。

2.4 配合比參數(shù)復(fù)核

選用上述配合比參數(shù)制備瀝青混凝土試件，并進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂抗拉、壓縮、拉伸、小梁彎曲、水穩(wěn)定性試驗(yàn)，校核配合比參數(shù)的可行性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7 可知，瀝青混凝土的性能良好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，說(shuō)明水泥作為填料改善酸性骨料粘附性的條件下，酸性礫石可以用做瀝青混凝土的骨料使用。

表7 瀝青混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)提高酸性骨料與瀝青的粘結(jié)力，并采用正交試驗(yàn)的方法優(yōu)選出酸性骨料的瀝青混凝土配合比參數(shù)。在使用酸性骨料時(shí)，建議摻加抗剝落劑來(lái)提高骨料的粘附性，且抗剝落劑的種類及摻量應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。后續(xù)將對(duì)酸性骨料在心墻瀝青混凝土中的適用性進(jìn)行全面研究，為酸性骨料在工程中的應(yīng)用提供理論支撐。