某心墙沥青混凝土细骨料采用天然砂与人工砂选择分析

2020-12-04李泽鹏何建新

中国水利水电科学研究院学报 2020年5期

李泽鹏，何建新

（新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052）

1 研究背景

在心墙沥青混凝土的组成材料中，细骨料一般多采用人工砂。人工砂是将石块破碎、粉磨后得到的，使用人工砂的心墙沥青混凝土的强度和稳定性在满足设计要求方面有较大的保障，因此很多心墙沥青混凝土配合比设计把人工砂作为细骨料摆在首选位置[1]。然而人工砂大多需用碱性矿料破碎制成，在破碎过程中存在碱性矿料储备不足、破碎后人工砂获得量少且石粉含量高等特点，导致工程成本增加的同时还会影响到工程进度[2-3]。天然砂是岩石经自然条件作用而形成的粒径小于4.75 mm的颗粒，按生成环境分为河砂、海砂、山砂。新疆天然砂具有分布范围广、开采方便且成本低等特点，若能就地取材全部使用天然砂作为心墙沥青混凝土的细骨料，则可方便施工并降低工程造价，具有较大的经济意义和社会效益[4-7]。但目前对于细骨料全部使用天然砂在心墙沥青混凝土中的应用研究还很少，主要探究使用不同掺量的天然砂与人工砂混掺对沥青混凝土相关性能的影响[8-10]。

本文结合新疆某在建碾压式沥青混凝土心墙坝工程，在相同配合比下，制备天然砂与人工砂两种不同细骨料的沥青混凝土试件，通过室内相关试验对比分析细骨料全部使用天然砂和人工砂的沥青混凝土试件的性能，探究了两种细骨料对心墙沥青混凝土性能的影响，为该工程细骨料的选择提供理论依据和技术支撑。同时，也可为类似工程提供参考。

2 原材料性能及沥青混凝土配合比

2.1 原材料性能试验所用的原材料包括沥青、骨料和填料。

沥青为克拉玛依石化公司生产的70号（A）级道路石油沥青，技术性能见表1。

粗骨料由距工程区约120公里的碱性骨料场提供，经实验室筛分后分为2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm和9.5～19 mm三个粒级，9.5～19 mm颗粒级配曲线如图1所示。粗骨料质地坚硬、新鲜，加热过程中未出现开裂、分解等不良现象，技术性能见表2。

细骨料考虑人工砂和天然砂两种，人工砂同粗骨料亦选自碱性骨料场，天然砂为工程区砂石料厂提供。为保证人工砂与天然砂级配相同，将人工砂分级筛分为0.075～0.15 mm、0.15～0.3 mm、0.3 ～ 0.6 mm、0.6 ～ 1.18 mm和1.18 ～ 2.36 mm五个粒级后，参照图2天然砂的级配曲线进行掺配。两种细骨料的技术性能见表3。

填料是由破碎后的碱性骨料经实验室磨粉后筛分所得到的，技术性能见表4。

沥青、粗细骨料和填料的各项指标均满足《水工沥青混凝土试验规程》[11]（DL/T5362-2006）中的要求。

表1 沥青的技术性能

表2 粗骨料的技术性能

表3 细骨料的技术性能

表4 填料的技术性能

2.2 沥青混凝土配合比本工程心墙沥青混凝土配合比经过优选后，设计参数为：级配指数0.39、沥青用量6.8%、填料用量13%。基础配合比如表5所示。

表5 沥青混凝土设计优选配合比

图1 9.5～19mm颗粒级配曲线

图2 细骨料颗粒级配曲线

3 试验方法简介

根据上述采用的配合比，室内试验方法均参照《水工沥青混凝土试验规程》[11]（DL/T5362—2006）进行。

3.1 马歇尔稳定度流值试验按照马歇尔试件成型的方法将两种细骨料各制备6个试件（高63.5 mm，直径101.6 mm）并分成两组，每组3个试件，分别测定试件的密度和孔隙率。各取一组试件置于（40±1）℃和（60±1）℃的恒温水槽中，恒温40 min后将试件直接置于试验机上采用（50±5）mm/min的加载速率进行试验。当荷载达到最大值时试验结束，分别记录压力值和位移值，取三个试件的试验平均值作为试验结果。当3个试件测定值中最大值或最小值其中一个与中间值之差超过中间值的15%时，取中间值；当测定值的最大值和最小值与中间值之差均超过中间值的15%时，应重做试验。

3.2 沥青混凝土单轴压缩试验根据上述采用的配合比，将两种细骨料各制备3个单轴压缩试件（高100 mm，直径100 mm），分别测定试件的密度和孔隙率。将试件在10.0℃水槽中恒温4 h后放置于10 t自动控温万能材料试验机（UTM-5105）上，采用1.0 mm/min的加载速率进行试验。取值方法与马歇尔稳定度流值试验相同。

3.3 沥青混凝土水稳定性试验将两种细骨料各制备6个水稳定性试件（高100 mm，直径100 mm）并分成两组，每组3个试件，分别测定试件的密度和孔隙率。将第一组试件置于20℃的空气中恒温48 h后，直接进行压缩试验。另一组试件置于60℃的水中浸泡48 h后，再在20℃的水中恒温2 h，然后进行压缩试验。沥青混凝土的水稳定性系数为：在60℃的水中浸泡48小时试件的抗压强度与另一组试件在20℃的空气中恒温48小时直接进行压缩试验的试件的抗压强度之比。取值方法与马歇尔稳定度流值试验相同。

3.4 沥青混凝土小梁弯曲试验将两种细骨料各制备3个小梁弯曲试件（250 mm×40 mm×35 mm），分别测定试件的密度。将试件置于10℃恒温箱中恒温3 h后，放置在沥青混凝土综合试验机上进行试验，以1%/min应变速率加载，利用位移及荷重传感器采集试验数据。取值方法与马歇尔稳定度流值试验相同。

3.5 沥青混凝土拉伸试验将两种细骨料各制备3个拉伸试件（220 mm×40 mm×40 mm），分别测定试件的密度。将制备好的试件置于10℃恒温箱中恒温4 h后进行拉伸试验，试验温度条件与恒温箱温度相同，变形速度按1%/min的应变速率加载，通过传感器用计算机采集试验过程中试件的力和变形，由试件面积和长度计算出试件的抗拉强度和拉应变。取值方法与马歇尔稳定度流值试验相同。

4 试验结果分析

4.1 马歇尔稳定度流值试验沥青混凝土马歇尔稳定度流值试验结果见表6。

沥青混凝土的马歇尔稳定度流值试验是沥青混凝土配合比设计及沥青混凝土施工质量控制中最重要的试验项目，反映了沥青的抵抗承载能力和变形能力。从表中数据可以得出：在40℃和60℃时全部使用人工砂制备的沥青混凝土马歇尔稳定度较天然砂分别高3.3%和7.9%，而流值则分别低6.4%和17.5%，且在60℃时，其二者的马歇尔稳定度均较40℃时有明显下降，而流值均有明显上升。试验结果表明，在两种试验温度下细骨料全部使用人工砂的马歇尔稳定度表现较好，而使用天然砂则会降低沥青混凝土的稳定度并提高流值。

由于沥青属于酸性材料，而人工砂为碱性骨料破碎制成，与沥青接触后会在骨料界面发生化学反应，形成化学吸附，生成的化学产物有利于二者的结合，在沥青混凝土拌和及成型时会形成较多的结构沥青；而天然砂表面圆滑且含酸性矿物较多，与沥青发生作用时化学吸附较少，物理吸附较多，因此在拌合及成型时骨料的周围会形成较多的自由沥青，当结构沥青含量少、自由沥青含量多的情况下会使骨料在荷载作用下更易于滑动位移，从而降低稳定度，提升流值[12-13]。

表6 马歇尔稳定度及流值试验结果

4.2 沥青混凝土水稳定性试验沥青混凝土水稳定性试验结果见表7。

表7 沥青混凝土水稳定性试验结果

从表中数据可以得出，全部使用天然砂的沥青混凝土水稳定系数较人工砂低2.1%，但水稳定系数变化不明显。试验结果表明，两种细骨料制备的沥青混凝土水稳定性差别不大。

究其原因，主要是与骨料和沥青的黏附性以及沥青胶浆膜抗水剥离的能力有关。当试件浸水后，水分会渗入沥青与骨料的结合面上，使沥青与骨料的黏附性以及沥青自身的黏结力逐渐丧失，从而使得沥青胶浆膜从骨料表面脱落或剥离[14-18]。显然，黏附性与抗水剥离能力有密切联系。由于天然砂大多呈酸性，相较于人工砂而言其表面圆滑、比表面积小且黏附性差，导致试件遭遇水损害后会有更多沥青胶浆膜被剥离，因此与人工砂相比细骨料全部使用天然砂的沥青混凝土水稳定系会较低；其次，由于本次试验采用的工程区的天然砂水稳定等级较高，为9级，而人工砂的水稳定等级为10级，两者水稳定等级都大于6级，在现有水稳定性试验方法的基础上，两种沥青混凝土的水稳定性未能体现出较大差异，均能满足规范要求。

4.3 沥青混凝土相关力学性能及变形性能试验沥青混凝土相关力学性能及变形性能试验结果见表8。

表8 两种细骨料配置的沥青混凝土相关力学性能试验结果对比表

从表中数据可以得出，细骨料全部使用人工砂制备的沥青混凝土抗压强度、抗弯强度、抗拉强度较天然砂分别高21.3%、2.7%、56.8%，对应的应变则分别低15.2%、2.1%、10.9%。试验结果表明，细骨料全部使用人工砂制备的沥青混凝土力学强度均高于天然砂，而使用天然砂可有效提升心墙沥青混凝土适应变形的能力。

由于人工砂为碱性骨料破碎制成，其表面粗糙、棱角分明、比表面积较大，能够增强与沥青的黏附能力，可形成较多的结构沥青，进而与矿料表面黏结更为紧密。在外力作用下，人工砂可与骨料之间形成良好的嵌挤作用，使骨料间紧密的咬合在一起，且由于结构沥青对骨料的较强黏结作用，从而进一步加强了骨料间的咬合程度，这一综合作用的外在宏观表现为其突出的力学性能；对于天然砂而言，由于其表面圆滑、棱角性差，在外力作用下天然砂可起到良好的滚珠作用，能够使骨料之间的摩擦阻力减小，进而加剧骨料间的相对滑动。同时因其与沥青黏附性较低、化学吸附较弱，使其与沥青发生作用时形成的自由沥青含量增多，能够改善沥青混凝土拌和物和易性的同时也会导致流动性增大，因此主要由沥青与粗骨料的黏结性承担的力学性能较差，而对应的变形性能则表现较好。