集料粒形对防渗层水工沥青混凝土高温性能的影响

2022-10-20邹长根闫小虎磨炼同

建材世界 2022年5期

华召，邹长根，余浩，闫小虎，磨炼同，肖月

(1.中国葛洲坝集团市政工程有限公司，宜昌 443002；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070; 3.长江科学院水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心,武汉 430010)

水工沥青混凝土防渗面板是抽水蓄能水库重要的防渗结构形式，当前我国主要采用由整平胶结层、防渗层和封闭层组成的简式结构，其中防渗层是最重要的结构层，要求具有良好的抗渗性、热稳定性、水稳定性、抗裂性、耐久性和施工和易性[1-2]。为了达到上述功能，防渗层沥青混凝土配合比设计多采用密级配，其特点是细料多、沥青多和矿粉多以有利于保证防渗性、柔性和施工和易性，但柔性与抗高温斜坡流淌往往相互制约，即抗高温斜坡流淌需要较大的级配指数以有助于粗细集料形成较好的骨架结构，同时在满足柔性的基础上尽量采用低的沥青用量和填料用量[3]。

高温斜坡流淌是一个关键技术指标，设计规范要求斜坡流淌值在70 ℃保温48 h条件下不大于0.8 mm，以保证运行期间夏季高温时不发生流淌。高温流淌与温度密切相关，沥青混凝土面板温度可达到气温的1.6～2.0倍[4]。防渗层沥青混凝土具有很高的温度敏感性，应避免热稳定性不足而导致剪切变形和斜坡流淌。在国内已建成的项目中，天荒坪抽水蓄能电站上水库库盆防渗型式系国内首次采用全库盆沥青混凝土护面防渗，防渗面板斜坡流淌值的设计指标为在70 ℃和1∶2坡度比下不大于5 mm，在60 ℃下斜坡流淌值不大于1.5 mm。为了防止早期高温流淌，在坝顶设置了喷水管以便在夏季高温时段喷水给坝面降温[5]。张河湾的防渗层沥青混凝土级配指数为0.24，沥青油石比高达7.7%，设计要求在坡度1∶1.75，温度70 ℃保温48 h，斜坡流淌值不大于2.0 mm。因采用级配指数小，沥青混凝土中粗集料被沥青砂浆悬浮，不能形成相嵌咬合结构，而温度升高时沥青砂浆易于流变，从而降低了沥青混凝土的斜坡热稳定性[6]。基于低级配指数悬浮结构的不足，宝泉上水库防渗面板提出采用较高级配指数(n=0.35～0.45)形成稳定骨架结构的理念以解决宝泉工程1∶1.7斜坡和极端最高气温43 ℃下(面板表面温度达80 ℃)的面板高温稳定问题，并通过掺纤维进一步改善沥青混凝土热稳定性[7]。西龙池抽水蓄能电站针对高温流淌问题进行了大量试验研究，其设计要求使用普通水工沥青时斜坡流淌值不大于2.0 mm。当沥青含量在6.5%～8.5%之间时，斜坡流淌值在0.39～2.97 mm范围内，变异性较大，而采用改性沥青后在选定沥青含量7.5%时满足防渗层高温流淌值不超过 0.80 mm[8]。呼和浩特抽水蓄能电站为了解决极端低温冻断难题采用了改性水工沥青和0.35～0.5的高级配指数以形成抗斜坡流淌变形的稳定骨架结构，突破了国内规范中给出的级配指数0.24～0.28的限制，其防渗层沥青混凝土的斜坡流淌值在0～0.73 mm之间[9]。山东沂蒙抽水蓄能电站沥青混凝土可研报告采用0.43级配指数和7.6%的油石比，当沥青选用辽河石化SG90水工沥青时，斜坡流淌值在0.19～2.10 mm之间，平均值为0.83 mm；沥青选用辽河石化SG70水工沥青时，斜坡流淌值在0.27～1.66 mm之间，平均值为0.70 mm。斜坡流淌值数据离散性大[10]。目前我国已建成的抽水蓄能水库防渗层沥青混凝土斜坡流淌值变异性大，因斜坡流淌值是反映防渗层沥青混凝土热稳定性能的唯一指标，其制定的标准目前仍有很大的争议[11]。

沥青混凝土高温强度取决于沥青粘聚力和骨料内摩擦力，因此集料的棱角性，特别是细集料将直接影响密实悬浮结构型防渗层沥青混凝土的热稳定性[12]。论文结合前期国内多个工程项目的实际应用情况，采用集料图像测试系统精确客观地分析了不同粗、细集料的形态特征，利用反击破和冲击破加工的粗集料、细集料以及天然砂开展防渗层沥青混凝土斜坡流淌试验，以分析不同集料粒形对抗斜坡流淌性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

试验采用京博SG70水工沥青，集料采用山东沂蒙石灰岩集料，沥青与集料的各种指标均满足水工沥青混凝土技术规范要求。其中石灰岩集料又分为反击破方式加工和冲击破方式加工两种，最大粒径为16 mm，粗集料有9.5～16 mm、4.75～9.5 mm和2.36～4.75 mm三种规格，细集料0.075～2.36 mm为采用石灰岩集料加工的机制砂和天然砂。填料采用石灰岩磨细的矿粉。

1.2 AIMS试验

试验采用集料图像测量系统(Aggregate Image Measurement System，AIMS)分析粗细集料的形状、棱角性及表面纹理。为了对比分析，集料分别采用反击破方式加工和冲击破方式加工的石灰岩粗集料和机制砂。AIMS用Form2D指数来表示细集料的二维形状，Form2D的取值范围为0～20。当集料Form2D小于6.5时，集料可以近似成圆形；当Form2D大于10时，集料的针片状特性非常明显。集料棱角性表示颗粒的边缘锐度，其取值范围为0～10 000，集料的棱角性越大，表示集料颗粒的边缘越尖锐。

1.3 斜坡流淌试验

为了分析骨料粒形对防渗层沥青混凝土斜坡流淌的影响，分别以级配指数0.24、0.35和0.43设计了细、中和粗三种合成级配。三种合成级配以丁朴荣公式计算，其中最大粒径取16 mm。为了简化试验，填料用量按规范要求的取值范围取11%。为了对比不同加工方式获得的集料对斜坡流淌的影响，结合以往工程项目经验和设计规范要求，以京博SG70水工沥青开展油石比为7.6%的斜坡流淌试验。

2 结果与分析

2.1 AIMS试验结果

图1为两种破碎加工方式得到的骨料粒形示意图。从图1中可以看出，反击破加工的骨料棱角性大于冲击破加工的骨料。图2和图3给出了冲击破和反击破加工条件下不同粒径骨料的棱角性和Form2D检测结果。对于冲击破加工的粗骨料，4.75～9.5 mm骨料具有最高的棱角性3 247，大于同粒径下反击破加工的骨料的3 033，0.6～1.18 mm细骨料的Form2D最大为7.99，大于同粒径下反击破加工的骨料的7.32。对于反击破加工的骨料，除 4.75～9.5 mm之外，其他几种规格的骨料的棱角性都比冲击破加工的骨料高，棱角性范围在2 760～3 178之间；除0.6～1.18 mm之外，1.18～2.36 mm和2.36～4.75 mm骨料的Form2D都高于冲击破加工的骨料，Form2D值分别为8.74和8.30。整体上骨料的棱角性、形状等和骨料粒径关系不明显，而骨料的粒形特征与破碎加工方式关系显著，表现为反击破加工的骨料粒形明显优于冲击破加工的骨料。

2.2 斜坡流淌试验结果

水工沥青混凝土的斜坡流淌试验结果见表1 。集料分别采用冲击破加工的骨料和反击破加工的骨料。当采用0.24级配指数时，冲击破加工的骨料制成的沥青混凝土的斜坡流淌值在0.58～2.66 mm范围内，平均值为1.34 mm，而反击破加工的骨料的斜坡流淌值的平均值为0.43 mm，且波动范围在0.14～0.69 mm范围内；当采用0.35级配指数时，冲击破加工的骨料制成的沥青混凝土的斜坡流淌值在0.78～2.89 mm范围内，平均值为1.71 mm，而反击破加工的骨料的斜坡流淌值的平均值为0.61 mm，且波动范围在0.19～1.40 mm范围内；当采用0.43级配指数时，冲击破加工的骨料制成的沥青混凝土的斜坡流淌值在0.18～1.85 mm范围内，平均值为0.8 mm，而反击破加工的骨料的斜坡流淌值的平均值为0.35 mm，且波动范围在0.11～0.81 mm范围内。通过对比不同级配指数下的斜坡流淌值，反击破加工的骨料制成的水工沥青混凝土的斜坡流淌值都能满足小于0.8 mm的规范要求，而冲击破加工的骨料只有在0.43级配指数下才能勉强满足技术要求。总体上棱角性高的骨料有利于提升密实悬浮结构型水工沥青混凝土的斜坡稳定性，而棱角性较差时，需采用较高级配指数以提高沥青混凝土骨架结构来提高高温稳定性。

表1 冲击破加工和反击破加工的骨料的斜坡流淌试验结果 /mm

集料的形态特征对沥青混合料的高温稳定性能有着较大的影响，具有丰富棱角性及表面粗糙的集料，能够提供较大的内摩擦力及与沥青的粘附力，可增强沥青混合料的高温抗剪切性能。研究表明集料的骨架作用对高温性能起到大于70%的贡献，沥青的贡献相对较小，因此优化骨料级配和棱角性对其高温性能改善效果最为显著[11]。破碎加工方式影响集料的棱角性和球形度，反击破加工的集料棱角性高，球形度低，而冲击破加工的集料棱角性低，球形度高。由于棱角性小和球形度高的集料内摩擦力不如棱角性大和球形度小的集料，在沥青混合料中形成的骨架结构稳定性也相对较差，不利于沥青混凝土的抗高温斜坡流淌。

防渗层沥青混凝土对施工和易性有较高的要求，为此前期项目中普遍采用掺配天然砂的形式加以改善和易性，常用比例是天然砂∶机制砂=1∶1。由于天然砂偏椭圆，表面纹理少，其掺入对高温斜坡流淌有不利影响。为了进一步验证天然砂的棱角性和粒形，开展AIMS分析，结果表明1.18～2.36 mm和0.6～1.18 mm的天然砂Form2D分别为0.58和0.62，明显低于冲击破和反击破加工的机制砂。为了验证天然砂对沥青混凝土斜坡流淌的影响，采用0.35和0.43级配指数，细集料部分采用天然砂∶机制砂=1∶1制成沥青混凝土试件并开展斜坡流淌试验，其中粗骨料和机制砂为反击破方式加工，斜坡流淌试验结果见表2。由表2可知，掺入天然砂的沥青混凝土的斜坡流淌值均大于技术要求的0.8 mm。0.35和0.43级配指数下的斜坡流淌值分别为1.82 mm和1.00 mm，均大于反击破加工的骨料的斜坡流淌值，并且大于冲击破加工骨料的1.71 mm和0.80 mm。进一步验证了细骨料粒形对防渗层水工沥青混凝土斜坡流淌值有显著的影响。在采用天然砂提高沥青混凝土施工和易性的同时应注意检验其对高温斜坡流淌的影响。