基于水稳定性综合分析的沥青混凝土配合比试验研究

2020-04-24陈晓佳

水利科学与寒区工程 2020年1期

陈晓佳

(塔城地区水利水电勘察设计院,新疆塔城 834700)

随着水利工程建设技术的发展和进步，碾压沥青混凝土坝成为水利工程中的重要坝型。在碾压式沥青混凝土大坝设计及施工中，其基本要求是良好的防渗、抗变形、抗裂以及耐久性[1]。其中，水稳定性是耐久性研究的重要环节。沥青混凝土的使用过程中，会受到水和外力的综合作用，造成骨料和沥青的剥离现象，从而造成沥青混凝土结构整体性结构破坏[2]。水稳定性破坏是沥青混凝土大坝最为常见的破坏现象，这种破坏的原因比较复杂，材料性质、黏附程度、孔隙率以及拌合条件均会对水稳定性造成显著影响[3]。因此，沥青混凝土的水稳定性研究成为广大学者关注的重要研究领域。在这方面，国外研究开始较早，在20世纪初，Hveen就通过研究认为沥青与骨料的黏结性是沥青混凝土水稳定性的重要影响因素，在水的作用下，沥青和骨料的黏附以及沥青本身的内聚力会不断减弱[4]。在国内，关于沥青混凝土的黏附性问题，主要是同济大学、东南大学和长安大学研究较多，并取得了一系列重要的研究成果。刘红瑛[5]通过灰关联熵分析研究了影响沥青混合料水稳定性的主要因素为沥青的酸值和沥青的黏度，以及石料的碱值和石料的比表面积。何建新等[6]则研究了水泥填料对心墙混凝土长期水稳定性的影响，认为用水泥替代部分石灰石粉作填料可有效改善心墙沥青混凝土的长期水稳定性。当然，在具体的工程实践中，由于地域空间等诸多因素的限制，工程材料，特别是粗骨料的选取空间极为有限。因此，通过合理选择配比与控制施工质量来提高沥青混凝土的水稳定性就显得尤为重要。本文利用正交实验的方法，研究沥青混凝土配合比参数对孔隙率、应变和强度指标的影响，并根据试验结果获得最佳配合比，为沥青混凝土配合比设计和应用提供有益借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用基质沥青为辽河石化90号A级沥青，按照《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》对其进行检测，结果显示其各项技术指标均符合要求，可以作为后续的温拌沥青混凝土试验的基质沥青。

试验用沥青混凝土粗骨料和细骨料为研究对象工程的骨料。性能鉴定试验结果显示，选用的粗骨料为石灰岩岩质，碱性，质地坚硬，在加热至最高拌合温度过程中没有出现开裂和分解现象，同时与沥青之间具有良好的黏附力，坚固性好，满足《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》对粗骨料的技术要求。

试验用填料为研究对象工程用石灰岩矿粉，对其进行的密度、含水率、亲水系数以及级配筛分试验结果均满足相关规范要求，可以用于本次试验研究。

1.2 试验方案

在水工沥青混凝土配合比设计中，级配指数、填料用量以及油石比是最重要的影响因素[7]。因此，研究中利用正交实验的方法来研究上述三个配合比参数对沥青混凝土性能的影响。根据相关研究结论和工程经验，选取级配指数、填料用量以及油石比三个因素的不同水平，设计正交实验如表1所示[8]。

表1 正交实验设计表

1.3 试验过程

按照设计的正交实验方案，每种方案制作6个试件，共9组，54个试件。试件制作的模具为内径100 mm，高100 mm的圆柱形钢模。试验过程中将模具清理干净，放在烘箱内加热后，在其内侧涂刷一层脱模剂，然后将按照试验设计标准制备的沥青混合料倒入模具，并插捣密实。试件按层高50 mm分上下两层单面击实，再自然冷却至常温后脱模。脱模后的试件在常温下静置24 h，然后将每组方案的6个试件分成两组，分别在空气条件和水浴条件下进行孔隙率、应变和抗压强度试验，将3个试件的试验数据的均值作为每种试验方案的最终试验结果。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

对正交实验设计中的9组54个试件，分两组分别在空气条件和水浴条件下进行水稳定试验，结果如表2所示。由表中的试验数据可知，无论空气条件下还是水浴条件下，试件的抗压强度和应变的变化大致呈相反的趋势，也就是试件的抗压强度大时应变较小，而抗压强度小时应变较大。此外，无论是空气条件还是水浴条件，在方案1下，试件的抗压强度最大，同时应变最小。

表2 水稳定性试验结果

2.2 水稳定性系数分析

综合空气条件和水浴条件下的试验结果，利用式(1)进行水稳定性系数计算，计算结果如表3所示。

(1)

式中：kw为沥青混凝土水稳定性系数；R2为水浴条件下试件的抗压强度，MPa；R1为空气条件下试件抗压强度均值，MPa。

由计算结果可知，所有9组试验的试件水稳定性系数均大于1，因此都满足规范的要求。同时，水稳定性系数越大，表明试件浸水后抗压强度值增加的幅度越大。

表3 试验水稳定性系数计算结果

方差法可以估计多因素试验过程中各因素之间的交互作用的主次显著性，从而给出结论的置信度。对上表中的试验结果进行方差分析，结果如表4所示。由计算结果可知，级配系数对水稳定性系数的影响最为显著，而其余两个因素对水稳定性系数的影响并不显著。

表4 水稳定性系数方差分析结果

2.3 水稳定性因素综合分析

沥青混凝土属于柔性混凝土，具有良好的防渗作用。鉴于应变对沥青混凝土的防渗性能具有重要影响。因此在水稳定性研究中应该充分考虑应变的影响。传统的水稳定性评价指标为水稳定性系数，本质上是应力系数，没有将应变指标考虑进去。本节通过考虑应变的影响，提出水稳定综合系数的概念，计算公式如式(2)。

Z=w1X+w2Y

(2)

式中：Z为沥青混凝土水稳定综合系数；X为沥青混凝土应变系数，为水浴与空气条件下应变值之比；Y为应力系数，也就是水稳定系数；w1、w2分别为应变系数和应力系数权重。

按照变异系数法确定应变系数权重和应力系数的权重值，分别为0.585和0.415。结合原始数据，对水稳定综合系数进行计算，结果如表5所示。由表中的结果可知，从应变系数，也就是原始的水稳定系数值来看，方案9的综合评分最高，但是该方案主要是由于应变系数值较高，因此拉高了综合指标值。从两种评价指标的具体数值来看，方案4的比较稳定，无论是水稳定系数(应变系数)还是水稳定综合系数，均呈现出上升趋势且位于峰值范围之内，因此水稳定性最好。综合以上分析，认为方案4，也就是级配指数0.38、填料用料12%、油石比6.8%的配合比参数设计为最佳方案。