粗骨料最大粒徑對心墻瀝青混凝土力學(xué)性能影響研究

王麗峰

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

0 引 言

瀝青混凝土本身具有極好的防滲性能、超強(qiáng)的適應(yīng)變形的能力和一定的自愈能力而被廣泛應(yīng)用于土石壩瀝青混凝土心墻材料中,目前正在設(shè)計(jì)和修建的這種壩型也非常多[1-2]。在《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》SL501-2010中規(guī)定粗骨料最大粒徑≤19mm[3],該規(guī)定主要根據(jù)道路瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)思想,在一般市政道路中瀝青混凝土面層厚度一般約為10cm,面層較薄,骨料粒徑不宜過大,而在心墻瀝青混凝土中心墻的厚度是根據(jù)壩高確定的都在幾十米以上,每層的鋪筑厚度也在30cm左右,能否適當(dāng)提高骨料粒徑需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。提高瀝青混凝土中粗骨料的最大粒徑,既可以提高骨料的利用率又可以降低瀝青混凝土中瀝青的用量,很好的起到了降低工程成本的作用。何建新等設(shè)計(jì)了粗骨料最大粒徑為31.5mm的澆注式心墻瀝青混凝土配合比,試驗(yàn)結(jié)果表明,粗骨料最大粒徑對澆筑式心墻瀝青混凝土的力學(xué)性能影響不大[4];楊曉征研究了粗骨料最大粒徑對澆注式心墻瀝青混凝土材料的性能影響,結(jié)果表明,粗骨料最大粒徑為31.5mm的澆筑式心墻瀝青混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求[5];倫聚斌通過心墻瀝青混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)分析骨料最大粒徑對其抗剪性能影響?？芍?骨料粒徑越大心墻瀝青混凝土在發(fā)生剪切破壞時(shí)的應(yīng)變越大,破壞面的角度也越大[6];應(yīng)榮華等通過平面有限元的方法很好的解釋了瀝青混凝土抗裂性能于骨料粒徑的關(guān)系,即骨料粒徑越大其抗裂性能越好[7];楊志豪分析了大粒徑水工瀝青混凝土離析特性,結(jié)果表明,骨料最大粒徑對所配制的瀝青混合料離析的影響最大,溫度影響次之,瀝青用量變幅影響最小[8];王中良等通過綜合極差分析、瀝青薄膜厚度對比分析以及PPR單因素分析方法優(yōu)選出骨料最大粒徑為42mm瀝青混凝土配合比[9]。文章通過配合比試驗(yàn)優(yōu)選出粗骨料最大粒徑為315mm和19mm的兩組心墻瀝青混凝土配合比參數(shù),制備相應(yīng)的試件進(jìn)行試驗(yàn),分析其力學(xué)性能差異,為大粒徑骨料應(yīng)用于心墻瀝青混凝土中的研究提供參考依據(jù)。

1 原材料及最優(yōu)配合比

本次試驗(yàn)范圍內(nèi)選用的原材料主要有礦料和瀝青。礦料中的粗骨料是由堿性的巖石破碎加工而成,粒徑為236～315mm,細(xì)骨料是由堿性巖石破碎加工制成的人工砂,粒徑為0.075～2.36mm,填料選用石粉,粒徑<0.075mm;瀝青選用克拉瑪依AH-70號瀝青,對各種原材料的技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行了整理,粗骨料性能試驗(yàn)成果,見表1;細(xì)骨料性能試驗(yàn)成果,見表2;填料性能試驗(yàn)成果,見表3;瀝青性能試驗(yàn)成果,見表4。

表1 粗骨料性能試驗(yàn)成果

表2 細(xì)骨料性能試驗(yàn)成果

表3 填料性能試驗(yàn)成果

表4 瀝青性能試驗(yàn)成果

由檢測結(jié)果可知:粗、細(xì)骨料質(zhì)地堅(jiān)硬,性能優(yōu)良,與瀝青黏附性較好。填料及瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,因此,該原材料可以制備心墻瀝青混凝土。

心墻瀝青混凝土的礦料級配設(shè)計(jì)采用丁樸榮教授提出的最大密實(shí)度理論公式計(jì)算,以級配指數(shù)、填料用量、瀝青用量為影響因素,孔隙率、馬歇爾穩(wěn)定度及流值和間接拉伸強(qiáng)度為考核標(biāo),采用極差方差分析方法優(yōu)選出骨料最大粒徑不同的兩組最優(yōu)配合比參數(shù),見表5。

表5 心墻瀝青混凝土配合比參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

嚴(yán)格按照上述兩組瀝青混凝土配合比制備相應(yīng)的試件,并參照《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5362-2018中規(guī)定[10]進(jìn)行滲透試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)對比兩組試驗(yàn)結(jié)果,分析粗骨料最大粒徑對心墻瀝青混凝土力學(xué)能的影響。

2.1 滲透試驗(yàn)結(jié)果及分析

滲透試驗(yàn)結(jié)果,見表6。由表6結(jié)果可以看出:骨料最大粒徑為19mm和31.5mm的瀝青混凝土滲透系數(shù)分別為5.33×10-9cm/s和6.82×10-9cm/s,差值為1.49×10-9cm/s,相對差值28.0%,相差較明顯,但均<1.0×10-8cm/s滿足規(guī)范要求。這說明兩組瀝青混凝土級配良好,瀝青膠漿能夠充分的填充細(xì)骨料和粗骨料之間的空隙,使得水很難進(jìn)入瀝青混凝土試件內(nèi)部,從而達(dá)到防滲的效果。

表6 滲透試驗(yàn)結(jié)果

2.2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果及分析

水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果,見表7。由表7可知:骨料最大粒徑為19mm和31.5mm的瀝青混凝土水穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.94和0.93,相對差值為1.1%,相差不明顯且均滿足規(guī)范≥0.9的要求,這說明粗骨料最大粒徑對心墻瀝青混凝土水穩(wěn)定性能影響不明顯。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果表明,瀝青用量>5.5%時(shí),粗骨料就會被一層瀝青膜包裹[11],即使心墻瀝青混凝土試件中存在較大的孔隙,其水穩(wěn)定性也依舊良好。

表7 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

2.3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

拉伸試驗(yàn)結(jié)果,見表8。由表8可知:骨料最大粒徑為19mm和31.5mm的兩組瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度分別為0.51MPa和0.21MPa,差值為0.30MPa,相差58.8%,相差明顯。這是因?yàn)闉r青混凝土在拉伸試驗(yàn)過程中主要是由粗骨料與結(jié)構(gòu)瀝青的黏結(jié)力在起作用,而骨料與瀝青的接觸面為薄弱面容易破壞。在同樣的心墻瀝青混凝土試件中,粗骨料粒徑越大,薄弱面所占的比例相對越高,表現(xiàn)為心墻瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度就越小,因此心墻瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度隨著粗骨料粒徑的增大而減小。

表8 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.4 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果及分析

小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果,見表9。由表9試驗(yàn)結(jié)果表明:骨料最大粒徑為19mm和31.5mm的瀝青混凝土試件抗彎強(qiáng)度分別為1.92MPa和1.32MPa,相差0.60MPa,相對差值為31.2%,相差明顯;最大彎拉應(yīng)變分別為2.20%和1.75%,相對差值為20.5%,相差較明顯,但均滿足規(guī)范抗彎強(qiáng)度≥0.4MPa和最大彎拉應(yīng)變≥1%的要求。這說明骨料最大粒徑為31.5mm的心墻瀝青混凝土抵抗彎曲破壞的能力比較差。因?yàn)樵谛膲r青混凝土試件中粗骨料與瀝青的黏結(jié)力主要是由結(jié)構(gòu)瀝青在起作用,而粗骨料粒徑越大比表面積越小,粗骨料表面的結(jié)構(gòu)瀝青就越少,具體表現(xiàn)為抵抗彎曲破壞的能力較差。

表9 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

對比分析粗骨料最大粒徑為19mm和31.5mm兩組心墻瀝青混凝土的力學(xué)性能,主要得出以下結(jié)論:

1)粗骨料最大粒徑為31.5mm的瀝青混凝土滲透系數(shù)較大,但小于規(guī)范規(guī)定,抗?jié)B性能滿足要求。

2)由于心墻瀝青混凝土中瀝青用量較多,粗骨料被一層厚厚的瀝青膜包裹,使得水穩(wěn)定性能變化不大。

3)粗骨料最大粒徑為31.5mm的心墻瀝青混.凝土抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度較小,主要因.為粗骨.料與瀝青的黏結(jié)力比較小,抵抗拉伸與彎曲破壞能力較差。