新疆KSTH水庫工程瀝青心墻混凝土配合比試驗(yàn)研究

何喬意

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

瀝青混凝土具有抗?jié)B性能高、抵抗變形能力好、施工周期短等特點(diǎn)［1］，普遍應(yīng)用在新疆北疆地區(qū)，本文以博樂市KSTH 水庫為研究對象， 通過開展瀝青混凝土心墻配合比試驗(yàn)， 選出孔隙率、 劈裂抗壓強(qiáng)度、穩(wěn)定度及流值等指標(biāo)較優(yōu)的組合，作為工程的推薦配合比。

1 項目概況

博樂市KSTH 水庫工程項目從博爾塔拉河中游河段已建新布哈渠首上引水，由水庫引水渠、水源水庫工程和供水管道工程組成。KSTH 水庫是調(diào)蓄水庫工程，設(shè)計庫容1973 萬m3。新疆KSTH 水庫工程是調(diào)蓄水庫工程主要承擔(dān)向博樂市以西規(guī)劃1626.67 hm2生態(tài)林及博樂市城市綠化供水任務(wù)。

2 瀝青混凝土心墻配合比設(shè)計

2.1 原材料選擇

瀝青原材采用的是克拉瑪依90 號道路石油瀝青。骨料采用當(dāng)?shù)剌^好的堿性灰?guī)r料場經(jīng)軋制、篩分后的開采料，骨料均質(zhì)地堅硬、新鮮，在加熱過程中未出現(xiàn)開裂、分解等現(xiàn)象。碾壓式瀝青混凝土心墻壩中骨料宜采用堿性巖石破碎料， 且骨料最大粒徑不宜大于19 mm。堿性巖石粗骨料與瀝青的黏附性好，在長期與水接觸中，其水穩(wěn)定性較好，所檢測項目能滿足SL501—2010 《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》［2］骨料的技術(shù)（質(zhì)量）要求。填料主要采用石灰?guī)r粉、白云巖粉等堿性巖石加工的石粉，普通硅酸鹽水泥也可以作為填料， 因?yàn)樗旧硎且环N抗剝離劑，可以改善酸性骨料與瀝青的黏結(jié)力，本次的填料選用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的P.O 42.5 普硅水泥。原材料確定后對瀝青和同一骨料進(jìn)行瀝青混凝土配合比試驗(yàn)研究。

2.2 瀝青混凝土配合比設(shè)計

根據(jù)規(guī)定［3-5］，并參考國內(nèi)一些瀝青混凝土心墻壩的經(jīng)驗(yàn)， 初步擬定新疆KSTH 水庫工程碾壓式瀝青混凝土心墻對瀝青混凝土主要技術(shù)性能指標(biāo)列于表1。

表1 碾壓式瀝青混凝土的主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 配合比試驗(yàn)方案設(shè)計及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)不同的級配指數(shù)、填料用量和瀝青含量，水利工程中的瀝青混凝土配合比需進(jìn)行設(shè)計， 通過優(yōu)選選擇孔隙率、馬歇爾穩(wěn)定度、流值、劈裂強(qiáng)度、三軸、小梁彎曲等多方面的性能指標(biāo)，以達(dá)到綜合性能優(yōu)秀的目的。由于完全試驗(yàn)的組數(shù)較多，本次試驗(yàn)采用正交設(shè)計試驗(yàn)方案， 利用正交表科學(xué)地安排與分析多因素試驗(yàn)的方法， 而正交表具有正交性、 均勻分散性和綜合可比性等特點(diǎn)， 能夠反映各因素和不同水平對試驗(yàn)結(jié)果的影響， 是最常用的試驗(yàn)設(shè)計方法之一。

本次設(shè)計選擇瀝青混凝土配合比的3 個參數(shù)：即礦料級配指數(shù)（0.36、0.38、0.40、0.42）、填料用量（18%、16%、14%、12%）瀝青用量（7.0%、6.8%、6.6%、6.4%）為影響因素， 每個因素取4 個水平，按L16 （45）正交表安排的試驗(yàn)方案。根據(jù)正交表排列的16 種方案一次只做馬歇爾試件，然后進(jìn)行孔隙率、馬歇爾穩(wěn)定度和流值、劈裂抗壓強(qiáng)度等線管試驗(yàn)。

馬歇爾試驗(yàn)方法：將試件置于40±1 ℃的恒溫水槽中恒溫30～40 min，同時將馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)儀的上、下壓頭置于水槽中恒溫，然后將試件直接置于試驗(yàn)機(jī)上，啟動加載試驗(yàn)設(shè)備，以50±5 mm/min 速率加載，在荷載達(dá)到最大值開始減小的瞬間自動停機(jī)，分別讀取壓力值和位移值。 從水槽中取出試件起至試驗(yàn)結(jié)束，時間不應(yīng)超過30 s。荷載測定裝置讀取的最大荷載即為試樣的穩(wěn)定度，精確至0.01 kN；由穩(wěn)定度流值計或位移傳感器測定裝置讀取的試件變形量，即為試件的流值，精確至0.1 mm。

劈裂試驗(yàn)方法：將試件在常溫下放置24 h 后，再置于5.7 ℃恒溫室中恒溫不少于4 h，然后將試件放置于萬能試驗(yàn)機(jī)中， 啟動加載試驗(yàn)設(shè)備， 以50 mm/min加載速率加載， 當(dāng)荷載達(dá)到最大值開始減小停止加載，記錄最大荷載PT(N) ，并計算得到劈裂抗壓強(qiáng)度RT(MPa)。計算公式如下：

式中RT 為劈裂強(qiáng)度（MPa）；PT 為試驗(yàn)最大值（N）；h為試件高度（mm）。

在瀝青混凝土初步配合比選定試驗(yàn)中以孔隙率、馬歇爾穩(wěn)定度和流值、劈裂抗壓強(qiáng)度為考核指標(biāo)，選出滿足工程要求的配合比。具體試驗(yàn)成果如表2。

表2 瀝青混凝土配合比試驗(yàn)成果

2.4 極差方差分析

2.4.1 瀝青含量的影響

孔隙率隨著瀝青含量的增加呈逐漸減小趨勢；劈裂抗壓強(qiáng)度隨著瀝青含量的增加呈逐漸減小趨勢，當(dāng)瀝青含量達(dá)到6.8%后，對劈裂抗壓強(qiáng)度影響減緩；瀝青含量為6.8%時穩(wěn)定度最大；流值隨著瀝青含量的增加而增大。綜合各個考核指標(biāo)來看，瀝青含量為6.8～7.0%時較好。

2.4.2 級配指數(shù)的影響

孔隙率隨著級配指數(shù)的增加呈先增大后減小趨勢，級配指數(shù)為0.38 時孔隙率最??；劈裂抗壓強(qiáng)度隨著級配指數(shù)的增加呈逐漸增大趨勢， 級配指數(shù)為0.42 時劈裂抗壓強(qiáng)度最大；隨著級配指數(shù)的增加，穩(wěn)定度先減小后增大， 級配指數(shù)為0.38 時穩(wěn)定度最??；級配指數(shù)為0.40 時流值較大；綜合各個考核指標(biāo)，級配指數(shù)為0.40 和0.38 較為穩(wěn)定。

2.4.3 填料用量的影響

孔隙率隨著填料用量減小而逐漸減小， 填料用量為12%～15%時孔隙率相差不大；劈裂抗壓強(qiáng)度隨著填料用量的減小呈先增大后減小趨勢； 隨著填料用量的減小， 穩(wěn)定度先減小后增大， 最終又逐漸減小，12%～14%的填料用量穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果較為穩(wěn)定；流值隨著填料用量的減小而減?。痪C合各個考核指標(biāo)來看，填料用量為12%時各項檢測指標(biāo)更為穩(wěn)定。

通過對各因素水平的綜合分析， 得出較好的配合比方案：瀝青含量6.8%、級配指數(shù)0.38、填料用量12%。即為正交方案中試驗(yàn)標(biāo)號為10 號的瀝青混凝土配合比。

2.5 推薦配合比的瀝青混凝土各項性能試驗(yàn)

對初定的16 個瀝青混凝土配合比，進(jìn)行配合比選擇試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)得到的瀝青混凝土的孔隙率、馬歇爾、流值、劈裂強(qiáng)度，對于KSTH 水庫工程，從防滲、變形、抗震、強(qiáng)度、施工、耐久性和經(jīng)濟(jì)性等考慮，初選出一個綜合性能最優(yōu)的10 號配合比為了驗(yàn)證所選的配合比是否能夠滿足設(shè)計要求， 對該試驗(yàn)編號為10 號的瀝青配合比進(jìn)行瀝青混凝土壓縮試驗(yàn)、瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗(yàn)、瀝青混凝土拉伸試驗(yàn)、瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)、瀝青混凝土拉伸試驗(yàn)、瀝青混凝土滲透試驗(yàn)、 瀝青混凝土靜三軸試驗(yàn)等多項試驗(yàn)。通過驗(yàn)證，所選配合比的各項物理力學(xué)性能能夠滿足設(shè)計要求。試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 推薦配合比瀝青混凝土主要性能試驗(yàn)結(jié)果匯總

3 結(jié)語

（1）本文結(jié)合新疆KSTH 水庫瀝青心墻混凝土配合比試驗(yàn)研究， 研究結(jié)果表明瀝青含量為6.8%～7.0%、級配置數(shù)為0.40 和0.38、填料用量為12%時在可獲得孔隙率、劈裂抗壓強(qiáng)度、穩(wěn)定度及流值等較優(yōu)的指標(biāo)參數(shù)。 本文推薦的配合比方案： 瀝青含量6.8%、級配指數(shù)0.38、填料用量12%。即為正交方案中試驗(yàn)標(biāo)號為10 號的瀝青混凝土配合比。

（2）對于本次瀝青混凝土配合比設(shè)計，冬季施工時考慮在推薦配合比的基礎(chǔ)上增大油石比用量至8%，并同時開展現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)進(jìn)一步調(diào)整實(shí)用適用的施工配合比。 建議心墻冬季施工過程溫度控制標(biāo)準(zhǔn)為：拌和系統(tǒng)預(yù)熱溫度110～120 ℃［6］；瀝青加熱溫度在160～170 ℃；骨料加熱溫度180±10 ℃；拌和時間為先投骨料和礦粉干拌15 s， 再噴灑瀝青濕拌45 s；出機(jī)口溫度170±5 ℃； 運(yùn)輸過程溫度損失15±2 ℃；入倉溫度150～160 ℃；初碾溫度140～150 ℃；終碾溫度110～125 ℃；層間溫度70～80 ℃；無損檢測時表層溫度90 ℃以下；取芯樣時表面溫度接近自然溫度。