水利水电工程沥青混凝土骨料原岩的适宜性分析

李 林，邓争荣，杜胜华，潘 坤，李辰舟，吴树良

(长江岩土工程总公司(武汉)，湖北 武汉 430010)

沥青混凝土是应用极其广泛的建筑材料之一，是将沥青和粗、细骨料、填料等，在严格控制条件下拌制，经压实或浇筑密实后的沥青混合料[1]。水电水利工程中，沥青混凝土有时被用作土石坝面板和心墙建筑材料，发挥利用其抗渗性能好、适应变形能力强等优点。骨料与沥青黏附性的优劣，是沥青混凝土结构形成的决定要素，它直接关系到沥青混凝土的强度、温度稳定性、水稳定性以及老化速度等一些重要性能。骨料按酸碱性可分为酸性骨料、中性骨料和碱性骨料。

骨料与沥青的相互作用包括物理吸附作用和化学吸附作用，其中化学吸附作用是黏附力高低的主要决定因素。碱性骨料和表面活性物质呈酸性的石油沥青之间产生物理吸附作用及主要的化学吸附作用，形成的化合物不溶于水，结合力强，抗水剥离能力好；而酸性骨料与石油沥青之间不会形成化学吸附化合物，结合力弱，抗水剥离能力差[2]。因此，碱性骨料通常是沥青混凝土骨料考虑的第一选择。

水利水电工程沥青混凝土材料需解决的其中关键技术问题之一，是骨料选择问题，优先考虑的是选择碱性骨料，但实际工程应用中，有时工程场址附近无碱性骨料料源或运距较远，需考虑选择中性或酸性骨料替代，但需视情况采取增强骨料与沥青黏附性的措施并经试验研究论证。适宜用作碱性骨料的原岩应首先符合混凝土骨料原岩质量技术指标要求，再次符合碱性指标要求。结合骨料原岩质量技术指标和碱性指标要求，对常用骨料原岩作为沥青混凝土骨料原岩的适宜性简要分析及评价。

1 沥青混凝土骨料原岩技术要求

1.1 骨料原岩质量

用作沥青混凝土骨料的原岩应首先符合混凝土骨料原岩质量技术要求，我国现行水利和水电工程天然建筑材料勘察规程[3- 5]对混凝土骨料原岩质量技术要求提出了规定，见表1。原岩质量技术指标是否符合要求应经过试验检测确定各指标及评判，特别是碱活性试验，数量需足够。

1.2 骨料原岩酸碱性

我国现行DL/T 5411—2009、SL 501—2010《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》[6- 7]、SL 514—2013《水工沥青混凝土施工规范》[8]、DL/T 5363—2016《水工碾压式沥青混凝土施工规范》[9]及有关研究[10- 13]对沥青混凝土骨料的酸碱性技术要求，提出采用碱性骨料为宜，评判骨料原岩是否是碱性的3个定量指标分别是SiO2含量、碱度模数和碱值，前两者通过岩石化学成分试验确定及评判，后者通过碱值试验确定及评判。前两者对骨料原岩酸碱性的判定结果有时会出现矛盾，但从可靠性来说，碱度模数判定结果要优于SiO2含量判定结果。SiO2含量可用于对原岩酸碱性的初步判定，适用于岩浆岩或由岩浆岩变质形成的变质岩。碱值试验测定结果更为可靠、准确，适用于所有骨料原岩[14]。

表1 混凝土骨料原岩质量技术指标

1.2.1SiO2含量

原岩化学成分中SiO2含量，<45%时为超碱性岩石；45%～52%时为碱性岩石；52%～65%时为中性岩石；>65%时为酸性岩石。

1.2.2 碱度模数(M)

原岩化学成分中含量CaO(Q1)、MgO(Q2)、FeO(Q3)与SiO2(Q4)的比值：

M=(Q1+Q2+Q3)/Q4

(1)

M>1时，原岩为碱性岩石；M=0.6～1时，原岩为中性岩石；M<0.6时，原岩为酸性岩石。

1.2.3 碱值(C)

以纯碳酸钙作为基准，原岩石料与基准状态下消耗的氢离子浓度的比值：

C=(N0-N1)/(N0-N2)

(2)

式中，N0—硫酸标准溶液的氢离子浓度；N1—石料与硫酸反应后上层清液的氢离子浓度；N2—纯碳酸钙与硫酸反应后上层清液的氢离子浓度。

碱值越高，石料的碱性越强，石料和沥青的黏附性越好。一般认为，C>0.8时，为黏附性良好；C=0.7～0.8时，为黏附性合格；C<0.7时，为黏附性较差。

2 常用骨料原岩作为沥青混凝土骨料原岩的适宜性

可以作为混凝土骨料原岩的代表性岩石见表2。作者根据国内外多个水利水电工程混凝土骨料的原岩碱活性试验、化学成分检测计算碱度模数和文献[1]、[2]、[14]碱值试验结果资料，统计汇总列于表3。由上述可知，常用混凝土骨料原岩作为沥青混凝土骨料原岩，酸碱性的判定可通过碱度模数和碱值综合判定，并宜以碱值测定结果为最终确定依据，从适宜性来说，碱性岩石适宜性好；中性岩石适宜性一般；酸性岩石适宜性差。其中，常用混凝土骨料原岩碱性岩石中以碳酸盐岩类为最优。

表2 常用混凝土骨料原岩代表性岩石

实际水利水电工程应用中，不是每个工程场址范围内及附近有碱性骨料料源分布，当工程场址附近无碱性骨料料源或运距较远时，可考虑就近选择中性或酸性骨料料源替代。沥青混凝土骨料采用酸性骨料，在我国、挪威已有20a和多于30a的应用实例。公路沥青混凝土路面工程采用酸性骨料，并采取增强骨料与沥青黏附性措施的工程已相当普遍。但水利水电工程沥青混凝土选择采用中性或酸性岩石骨料时，从骨料与沥青的黏附性考虑，需视情况采取增强骨料与沥青黏附性的措施并经试验研究论证，如在沥青中加入抗剥离剂等。

3 工程应用实例

以西藏拉洛水利枢纽工程为例，本工程坝型采用沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高61.5m。沥青混凝土骨料料源选择玄武岩料场和砂屑灰岩料场比较，其中玄武岩料场至坝址运距约15km，未开采过，需挖除剥离层(平均厚度约8m)，有简易公路相通；砂屑灰岩料场至坝址运距约72km，当地水泥厂采用该料场，已成规模开采，有现成公路与场内外交通相连。

实例工程2种料源原岩质量技术指标试验结果及评价见表4；原岩化学成分试验及碱度模数结果见表5。此外，其原岩破碎加工成粗骨料黏附性检测结果：玄武岩为4～5级，砂屑灰岩为5级，均符合≥4级技术要求。

2种料源原岩经破碎加工进行了水工沥青混凝土骨料试验，结果表明，均可适宜用作沥青混凝土骨料原岩，但比较而言，砂屑灰岩较玄武岩适宜性更优。该工程鉴于沥青混凝土用量不大，从料源开采条件及经济性比较，其骨料考虑从砂屑灰岩料场购买。

表3 常用混凝土骨料原岩代表性岩石酸碱性及碱值评价

注：碱活性结果是指所统计工程试验结果，列举岩石一般情况下不具有碱活性，但有可能具有碱活性，是否具有碱活性须经碱活性试验确定。

表4 沥青混凝土骨料原岩质量技术指标试验结果及评价

表5 沥青混凝土骨料原岩化学成分试验及碱度模数结果

4 结论

水利水电工程中，沥青混凝土骨料原岩应首先符合混凝土骨料原岩质量技术指标要求，其酸碱性的判定宜以碱值测定结果为最终确定依据。作为沥青混凝土骨料的原岩，碱性岩石适宜性好，以碳酸盐岩类为最优；中性岩石适宜性一般；酸性岩石适宜性差。沥青混凝土采用中性或酸性岩石骨料时，需视情况采取增强骨料与沥青黏附性的措施并经试验研究论证。