仝衛(wèi)超

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)勘察研究所,烏魯木齊 830052)

1 概述

心墻瀝青混凝土具有良好的和易性、優(yōu)異的防滲性能以及獨(dú)特的裂縫自愈能力，適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形能力強(qiáng)，用于工程以后具備良好的抗凍性、抗震性、抗裂性，并且施工機(jī)械化程度高、速度快[1]。基于其良好的特性，瀝青混凝土心墻土石壩這種壩型在新疆得到了廣泛的應(yīng)用。心墻在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)頒布了許多規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但是如何解決天然礫石骨料在瀝青混凝土心墻中的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性問(wèn)題依然處于謹(jǐn)慎的初始階段[2]。破碎天然礫石直接用作心墻瀝青混凝土的骨料成為了近年來(lái)水利工程材料應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)，但大壩蓄水運(yùn)行后瀝青心墻是否長(zhǎng)期穩(wěn)定不得而知。黑龍江省三道鎮(zhèn)水庫(kù)瀝青混凝土護(hù)坡在常規(guī)水穩(wěn)定性試驗(yàn)中其耐水性是合格的，但浸水14個(gè)月后水穩(wěn)定系數(shù)為0.92，浸水23個(gè)月后水穩(wěn)定性系數(shù)為0.62，浸水7年后的水穩(wěn)定性系數(shù)為0.54。經(jīng)過(guò)數(shù)年的凍融循環(huán)及長(zhǎng)期浸泡，瀝青混凝土出現(xiàn)了松散而導(dǎo)致失效，這說(shuō)明按規(guī)程測(cè)試的耐水性結(jié)果與長(zhǎng)期浸水試驗(yàn)結(jié)果及工程運(yùn)行情況不完全一致[3]。

本文采用天然砂礫石骨料、50%破碎粗骨料、100%破碎粗骨料與堿性灰?guī)r粗骨料進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，分析不同骨料配制的心墻瀝青混凝土長(zhǎng)期穩(wěn)定性，得出可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，為天然礫石骨料在瀝青混凝土心墻壩中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)粗骨料分別采用天然礫石、50%及100%摻量破碎礫石、堿性破碎灰?guī)r，細(xì)骨料均采用天然河砂，磨圓度較好，填料采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，瀝青為中國(guó)石油克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的70號(hào)(A級(jí))道路石油瀝青。粗骨料技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 粗骨料的技術(shù)性能

從表1可以分析得出，灰?guī)r及天然礫石兩者同瀝青的粘附性均為5級(jí)，灰?guī)r及破碎后的天然礫石壓碎值高于天然礫石，主要由于破碎后粗骨料形狀不規(guī)則，長(zhǎng)寬比更大，豎向荷載作用下骨料相互擠壓、變形、碎裂，粗骨料的其他性能指標(biāo)差別不明顯。

以礦料級(jí)配指數(shù)n、填料用量F(%)和瀝青用量B(%)作為設(shè)計(jì)因素，采用均勻正交設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)9組不同的配合比，采用極差與方差分析方法優(yōu)選出基礎(chǔ)配合比，本次試驗(yàn)選定基礎(chǔ)配合比參數(shù)為：礦料級(jí)配指數(shù)為0.42，填料用料為12%，瀝青用量為6.6%。各材料質(zhì)量配合比見(jiàn)表2。

表2 心墻瀝青混凝土基礎(chǔ)配合比

2.2 試驗(yàn)方案

常規(guī)的瀝青混凝土水穩(wěn)定性系數(shù)為：在60℃的水中浸泡48 h試件的抗壓強(qiáng)度與另一組試件在20℃的空氣中恒溫48 h直接進(jìn)行壓縮試驗(yàn)的試件的抗壓強(qiáng)度之比[4]。常規(guī)的試驗(yàn)方法水穩(wěn)定系數(shù)均大于0.90，滿足規(guī)范要求。但是瀝青混凝土心墻壩建成后通常運(yùn)行幾十年甚至更久，通過(guò)直接延長(zhǎng)浸水時(shí)間分析其長(zhǎng)期水穩(wěn)定性不切實(shí)際?！端r青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5362—2018)條文說(shuō)明9.10.1中蘇聯(lián)提出了將試驗(yàn)水溫由60℃提高至80℃，并通過(guò)大量試驗(yàn)，建立了瀝青混凝土在80℃水中浸泡75 h相當(dāng)于在20℃水中浸泡1 a的定量關(guān)系。本次試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方法確定瀝青最優(yōu)配合比，采用破碎率分別為0%、50%、100%的天然礫石粗骨料和堿性灰?guī)r粗骨料作為變量，配制瀝青混凝土水穩(wěn)定性試件、拉伸試件、小梁彎曲試件，分別置于80℃的水中浸泡75 h、375 h、750 h、1 500 h、2 250 h，相當(dāng)于20℃的水中浸泡1 a、5 a、10 a、20 a、30 a，在規(guī)定的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)試驗(yàn)，分析粗骨料對(duì)瀝青混凝土長(zhǎng)期水穩(wěn)定性及力學(xué)性能的影響和變化規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

采用本文2.1節(jié)配合比，天然礫石粗骨料破碎料0%、50%、100%及堿性灰?guī)r粗骨料各配制6組直徑和高度均為100 mm的瀝青混凝土試件，每組3個(gè)，其中5組試件分別在80℃恒溫水箱中浸泡75 h、375 h、750 h、1 500 h、2 250 h(相當(dāng)于20℃浸泡1 a、5 a、10 a、20 a、30 a)，最后1組試件在20±1℃空氣中養(yǎng)護(hù)不少于48 h，前5組試件到規(guī)定浸水時(shí)間后與最后1組單軸抗壓強(qiáng)度之比即為水穩(wěn)定性系數(shù)(試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所示)。

表3 不同粗骨料的瀝青混凝土長(zhǎng)期水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，粗骨料采用破碎料分別為0%、50%、100%的天然礫石和堿性灰?guī)r時(shí)，瀝青混凝土在浸水75 h水穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)至2 250 h，破碎率為0%的天然礫石骨料水穩(wěn)定系數(shù)由0.98增長(zhǎng)至1.03，增加6.1%。破碎率為50%的天然礫石骨料水穩(wěn)定系數(shù)由1.01增長(zhǎng)至1.03，增加4.0%。破碎率為100%的天然礫石骨料水穩(wěn)定系數(shù)由1.02增長(zhǎng)至1.04，增加3.9%。堿性灰?guī)r骨料水穩(wěn)定系數(shù)由1.00增長(zhǎng)至1.04，增加6.0%。4種粗骨料配制的瀝青混凝土試件水穩(wěn)定系數(shù)均呈現(xiàn)緩慢增大趨勢(shì)。分析試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果可知水穩(wěn)定性系數(shù)增大主要是由于水泥填料呈堿性，與酸性瀝青在試件內(nèi)部發(fā)生了水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣。隨著浸泡時(shí)間的增加，進(jìn)入試件內(nèi)部的水分越多，水化產(chǎn)物不斷增加，水穩(wěn)定系數(shù)也不斷增大[5]。80℃的水溫加速了水泥、水分子、瀝青三者之間的水化反應(yīng)，水化反應(yīng)速度加快。高溫對(duì)水泥中的硅酸三鈣和鋁酸三鈣影響較大，提高了瀝青混凝土試件的早期強(qiáng)度，后期強(qiáng)度變化不明顯，當(dāng)在80℃水溫下浸泡1 500 h以后，水化產(chǎn)物填充瀝青混凝土試件的孔隙，水穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定。研究表明，選用礫石骨料和水泥填料制備瀝青混凝土?xí)r可以顯著提高其粘結(jié)性，從而改善瀝青混凝土的水穩(wěn)定性[6-8]。瀝青混凝土長(zhǎng)期水穩(wěn)定性與粗骨料類(lèi)別及是否破碎不存在明顯關(guān)系。

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

為了探究粗骨料對(duì)瀝青混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能的影響，采用2.1節(jié)配合比及粗骨料配制瀝青混凝土試件，浸泡溫度及浸泡時(shí)間與水穩(wěn)定性試驗(yàn)相同，進(jìn)行瀝青混凝土拉伸試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)試驗(yàn)，進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2.1拉伸試驗(yàn)

將不同粗骨料配制的瀝青混凝土加工成尺寸200 mm×40 mm×40 mm的拉伸試件并浸泡至規(guī)定時(shí)間后，放入10±0.5℃空氣中不少于4 h，試驗(yàn)加載速率取1.0 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同粗骨料的瀝青混凝土長(zhǎng)期拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4試驗(yàn)結(jié)果表明，不同破碎率的礫石骨料與堿性骨料配制的瀝青混凝土在長(zhǎng)期浸泡作用下試件抗拉強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，破碎率為0%的天然礫石骨料抗拉強(qiáng)度0.53增長(zhǎng)至0.98，增加84.9%。破碎率為50%的天然礫石骨料抗拉強(qiáng)度0.51增長(zhǎng)至0.99，增加94.1%。破碎率為100%的天然礫石骨料抗拉強(qiáng)度0.58增長(zhǎng)至1.01，增加74.1%。堿性灰?guī)r骨料抗拉強(qiáng)度0.57增長(zhǎng)至0.98，增加71.9%。分析抗拉強(qiáng)度隨著浸水時(shí)間增大主要原因是長(zhǎng)條形瀝青混凝土試件拉伸時(shí)產(chǎn)生平面破壞，瀝青膠漿與粗骨料的粘附力占據(jù)主導(dǎo)作用，天然礫石在長(zhǎng)期水流沖刷及堆積作用下，表面形成了一層鐵、鋁和其他金屬化合物[9]，瀝青膠漿的水泥成分鋁酸三鈣最先水化，并且快速形成了鈣礬石(AFt)，持續(xù)浸泡作用下，水泥進(jìn)入了硅酸三鈣水化階段，隨著水泥填料的不斷水化，水化產(chǎn)物與骨料及表面的金屬化合物相之間開(kāi)始產(chǎn)生了一定的粘附強(qiáng)度。有研究表明，通過(guò)使用抗剝落劑或水泥填料等抗剝落措施可以改善瀝青與骨料粘附性[10-13]。因此，瀝青混凝土試件的抗拉強(qiáng)度持續(xù)上升，拉伸試件截面如圖1～圖4所示。

圖1 天然礫石破碎率0%的試件截面示意

圖2 天然礫石破碎率50%的試件截面示意

圖3 天然礫石破碎率100%的試件截面示意

圖4 堿性灰?guī)r的試件截面示意

從圖4可以看出，拉伸試件中粗骨料與粗骨料之間的空隙被瀝青膠漿和細(xì)骨料填充，極少部分粗骨料的棱角相互接觸，但拉伸試件在受到軸向拉力的作用下，產(chǎn)生抗拉強(qiáng)度的更多的是骨料與瀝青膠漿的粘附力，所以不同破碎率的天然砂礫石和堿性灰?guī)r粗骨料配制的瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度差別并不明顯。

3.2.2小梁彎曲試驗(yàn)

將不同粗骨料配制的瀝青混凝土加工成尺寸250 mm×40 mm×35 mm的小梁彎曲試件并浸泡至規(guī)定時(shí)間后，放入10±0.5℃空氣中不少于4 h，試驗(yàn)加載速率取1.67 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同粗骨料的瀝青混凝土長(zhǎng)期小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表5可以看出，在不浸水條件下，以破碎礫石骨料和堿性巖配制的瀝青混凝土小梁彎曲試件抗彎強(qiáng)度平均高出礫石骨料0.25～0.33 MPa。單點(diǎn)加載模式下，瀝青膠漿薄的骨料之間相互擠壓，形成較高的內(nèi)摩擦力。而天然礫石骨料表面光滑，磨圓度好，骨料與骨料之間的擠壓效應(yīng)不如破碎骨料，在集中荷載下試件抗彎強(qiáng)度較低。在長(zhǎng)時(shí)間浸泡后，水泥填料表面的礦物質(zhì)成分產(chǎn)生水化作用，逐漸生成硅酸鈣和二氧化鈣，隨著浸水時(shí)間增加，骨料與瀝青膠漿粘結(jié)能力變強(qiáng)，在浸水750 h抗彎強(qiáng)度最大，這是由于高溫加速了水泥的早期強(qiáng)度形成，后期強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定，與粗骨料形態(tài)及性狀關(guān)系不大。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 當(dāng)在80℃水溫下浸泡1 500 h以后，水化產(chǎn)物填充瀝青混凝土試件的孔隙，水穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定。瀝青混凝土長(zhǎng)期水穩(wěn)定性與粗骨料類(lèi)別及是否破碎不存在明顯關(guān)系。水泥填料對(duì)改善瀝青膠漿與骨料的粘附性從而提高瀝青混凝土的水穩(wěn)定性有顯著作用。

2) 通過(guò)拉伸試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)得到粗骨料形態(tài)及性質(zhì)對(duì)瀝青混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能影響不大。主要受水泥填料與瀝青形成的膠漿遇水后的產(chǎn)生的水化產(chǎn)物和骨料相互形成的整體，使得瀝青混凝土的拉伸和彎拉強(qiáng)度在一定的浸水時(shí)間下有所增大。