天然砂砾石骨料心墙沥青混凝土耐久性试验研究

董芸　熊泽斌　王晓军　闫小虎

摘要：天然砂砾石多为酸性岩石，通过添加水泥、抗剥落剂等可使应用天然砂砾石骨料的心墙沥青混凝土水稳定性合格，然而目前針对天然砂砾石骨料沥青混凝土长期耐久性的研究相对较少，使工程上应用天然砂砾石骨料仍多有疑虑。通过分析在高温水浸泡及冻融循环条件下天然砂砾石沥青混凝土力学变形性能的变化规律，探讨了使用天然砂砾石骨料的心墙沥青混凝土长期耐久性。试验结果表明：掺加抗剥落剂的天然砂砾石骨料沥青混凝土的长期水稳定性能与灰岩骨料沥青混凝土相当，且具有良好的抗冻融特性；孔隙率对天然砂砾石骨料沥青混凝土的小梁弯曲强度及其冻融损伤变量、最大弯拉应变、最大压缩应变等指标均有较大影响；提高沥青混凝土的压实度，减小孔隙率，对于保证心墙沥青混凝土的弯曲强度和变形性能具有重要意义。

关 键 词：酸性骨料； 沥青混凝土； 长期水稳定性； 冻融； 抗剥落剂； 损伤变量

中图法分类号： TV431

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.031

0 引 言

沥青混凝土心墙砂砾石坝具有适应变形能力强、结构简单、防渗性好、造价低、施工快捷且不易受天气影响等优势，成为防渗土料稀缺而砂砾石料储量丰富的西藏、新疆等西部地区水利水电工程建设的主力坝型［1-2］。据中国大坝工程学会统计，截至2019年，新疆已建沥青混凝土心墙坝71座，分别占中国已建119座和世界已建217座该坝型的60%和33%。其中，高度在100 m以上的有8座。伴随着西部地区沥青混凝土心墙砂砾石坝的建设发展，配制心墙沥青混凝土所要用到的碱性骨料短缺成为制约当地坝工建设的重要因素。天然砂砾石在西部地区分布广泛、储量丰富，但由于其组成岩石种类复杂，且多为酸性岩石，为工程应用带来诸多疑虑。若能合理应用天然砂砾石骨料，对于解决工程上心墙沥青混凝土骨料料源短缺难题、避免由于石场开采对当地脆弱生态环境的破坏具有重要意义。

沥青与骨料的黏附性是影响沥青混凝土水稳定性的关键因素，也是决定沥青混凝土力学变形性能和耐久性能的主要因素［3-4］。国内外学者已经开展了大量研究以提高酸性骨料与沥青的黏附性和沥青混凝土的水稳定性。研究表明，胺类和非胺类抗剥落剂可有效增强骨料与沥青的黏附性［5-6］，抗剥落剂的加入增加了沥青的表面自由能，提高了沥青与集料的黏附能力［7］。消石灰可有效提高沥青混凝土的水稳定性，但其掺入量和掺入方式不同，导致的效果会不一样［8-9］。此外，采用水泥部分或全部替代石灰石粉填料也可有效改善砾石骨料与沥青的黏附性，沥青混凝土水稳定系数随浸水时间的延长而先增大后减小，且最长浸水1 500 h后水稳定系数仍然能够满足规范要求［10］。由于心墙沥青混凝土孔隙率较小，在常压下水很难进入沥青混凝土内部，水损害行为在短时间内不易表现出来。然而，心墙沥青混凝土服役期间将经受长期水荷载作用，作为典型的剪胀性材料，心墙沥青混凝土在水荷载长期作用下会产生一定的体积变形，孔隙率随之增大，对长期水稳定性产生较大影响，但针对天然砂砾石骨料沥青混凝土长期耐久性的研究相对较少。

本文采用严苛的水损害试验，通过80 ℃高温水长期浸泡和多次冻融循环，研究不同孔隙率下，掺抗剥落剂天然砂砾石骨料心墙沥青混凝土的长期水稳定性、力学与变形性能随水损害过程的变化规律，以为工程上心墙沥青混凝土应用天然砂砾石骨料提供参考依据。

1 原材料与试验方案

试验采用的库车70号沥青性能指标见表1，灰岩石粉填料性能指标见表2。非胺类抗剥落剂生产厂家为江苏博特新材料有限公司，其分解温度高于250 ℃，掺量与砂砾石骨料沥青混凝土水稳定性系数关系如图1所示，根据试验结果，选择0.3%的抗剥落剂掺量。

骨料采用最大粒径为19 mm的灰岩碎石和西部地区破碎天然砂砾石。灰岩骨料表观密度为2 700 kg/m3，黏附性等级为5级，各项指标满足SL 501-2010《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》要求。天然砂砾石主要由石英砂岩、粗粒花岗岩、白色花岗岩和角闪片岩等酸性岩石组成，并含有少量灰岩，表观密度2 750 kg/m3，吸水率 0.6%～1.0%，坚固性1.7%，将天然砂砾石混匀后磨成石粉测得碱度模数为0.21，表明其为酸性骨料，天然砂砾石的化学成分见表3。砂砾石中的石英砂岩、白色花岗岩和粗粒花岗岩的黏附性等级分别为4级、3级、3级，添加0.3%抗剥落剂后，石英砂岩、白色花岗岩和粗粒花岗岩与沥青的黏附性等级均提高至5级，天然砂砾石骨料黏附性试验典型照片见图2。

心墙沥青混凝土的配合比通过马歇尔稳定度和流值试验确定（见表4）。灰岩和破碎天然砂砾石骨料矿料级配分布见图3～4。心墙沥青混凝土室内试验孔隙率通常低于2%，现场通常控制低于3%，通过击实次数调整，将灰岩和砂砾石制备的沥青混凝土试件的孔隙率分别控制在1.5%和4.0%左右。

2 试验方法

2.1 长期水稳定性试验

长期水稳定性试验方法是参照学者提出的将沥青混凝土在80 ℃水中浸泡75 h，相当于在20 ℃水中浸泡一年的定量关系制定的。试件成型、尺寸及试验方法参照DL/T 5362-2006《水工沥青混凝土试验规程》进行。按击实法制备试件，每个配合比制备21个试件，分为7组，第一组试件在（20±1）℃的空气中养护48 h，随后进行抗压强度试验；第二组试件在（60±1）℃的恒温水箱中浸泡48 h，再在（20±1）℃水中恒温4 h，随后进行抗压强度试验，计算初始水稳定系数；其余5组沥青混凝土试件在（80±1）℃恒温水箱中分别浸泡750，1 500，2 250，3 000，3 750 h后取出，在（20±1）℃水中恒温4 h，进行抗压强度试验，测定其抗压强度Rn。

长期水稳定系数计算公式为

Kn0=Rn/R0（1）

2.2 冻融试验

每种配合比分别制备4组劈裂试件、4组小梁弯曲试件和4组单轴压缩试件。将不同类型试件各1组放置在（4.7±0.5）℃的恒温水浴中养护24 h后分别进行劈裂、小梁弯曲和单轴压缩试验，测定其劈裂抗拉强度及劈裂拉伸应变、抗弯强度及最大弯拉应变、抗压强度及最大应力时应变。其余试件按JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0717标准的饱水试验方法真空饱水，在真空度为97.3～98.7 kPa条件下保持15 min，恢复常压，将试件在水中放置0.5 h。取出试件放入塑料袋中，加入约10 mL的水，扎紧袋口，将试件放入恒温冰箱，冷冻温度为（-16±2）℃，保持（24±1）h。将试件取出后，立即放入（60±0.5）℃的恒温水槽中，撤去塑料带，保温24 h。重复以上冻融循环步骤，分别在10，20，30次冻融循环后，取出不同类型试件各1组，浸入温度为（4.7±0.5）℃的恒温水槽24 h后，进行劈裂、弯曲和单轴压缩试验。

2.3 力学性能试验

冻融前后心墙沥青混凝土的劈裂试验按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行，试件尺寸为φ100 mm×63.5 mm。

冻融前后心墙沥青混凝土的小梁弯曲及单轴压缩试验按照DL/T 5362-2006《水工沥青混凝土试验规程》相关规定进行，小梁弯曲及单轴压缩试件尺寸分别为250 mm×35 mm×40 mm和φ100 mm×100 mm。

3 试验结果与分析

3.1 长期水稳定性

灰岩骨料与天然砂砾石破碎骨料沥青混凝土长期水稳定系数及其与初始水稳定系数相比的降低比率如图5～6所示。

相同的低孔隙率下，掺抗剥落剂的砂砾石骨料沥青混凝土初始水稳定系数为0.99，高于灰岩沥青混凝土的0.94。从图5可以看到，随着在80 ℃水中浸泡时间的增加，沥青混凝土的长期水稳定系数下降。低孔隙率下，各浸泡龄期灰岩骨料沥青混凝土与砂砾石破碎骨料沥青混凝土的水稳定系数相差不大，说明掺加合适掺量、合适品种的抗剥落剂后，天然砂砾石骨料沥青混凝土的长期耐久性可达到灰岩骨料沥青混凝土的水平。从图6可以看到，除1 500 h外，低孔隙率砂砾石骨料沥青混凝土在不同浸泡时间下的长期水稳定系数降低比率均高于灰岩骨料沥青混凝土。

从图5和图6还可以看到，孔隙率对沥青混凝土长期水稳定系数影响较大，对于砂砾石骨料沥青混凝土，大孔隙率试件的初始水稳定系数低于小孔隙率试件，750 h后，随浸泡时间增加，其长期水稳定系数降低比率均大于小孔隙率试件。

3.2 冻融次数对强度的影响

在冻融循环作用下，沥青混凝土孔隙率和体积开始增大，内部由于冻胀应力会出现损伤，并不断发展，且在水分的侵蚀作用下沥青与集料界面性能也逐步衰减，导致其力学性能下降［11-13］，因此可以通过测试冻融过程中材料力学性能指标的变化来表征材料内部的损伤程度。由损伤力学可知，损伤变量D可表达为［14-15］

D=1－En/E0（2）

式中：En为冻融n次后的沥青混凝土试件强度；E0为未冻融试件的强度。

不同孔隙率下砂砾石破碎骨料沥青混凝土劈裂抗拉强度、单轴压缩强度和小梁弯曲强度及其损伤变量随冻融循环次数的变化如图7～9所示。

由图7～9可知：劈裂抗拉强度、单轴压缩强度和小梁弯曲强度均随着冻融循环次数的增加而降低，而相应的损伤变量则随着冻融次数的增加而增大。同时可以看到，冻融作用对心墙沥青混凝土的劈裂抗拉强度、单轴压缩强度和小梁弯曲强度的影响规律不同。劈裂抗拉强度和单轴压缩强度在初始冻融作用下快速降低，在20次冻融循环后，强度降低速率趋缓。而沥青混凝土小梁弯曲强度则随冻融循环次数增加缓慢下降，且小孔隙率试件在10次冻融循环内弯曲强度基本不降低。经30次冻融循环后，小孔隙率试件劈裂抗拉强度、单轴压缩强度和小梁弯曲强度的损伤变量分别为0.21，0.22和0.11，大孔隙率试件则分别为0.20，0.18和0.19。掺抗剥落剂的砂砾石沥青混凝土具有较好的抗冻融损伤特性。

可以看到，孔隙率变化对沥青混凝土劈裂强度和单轴压缩强度及其损伤变量的影响较小。经10次冻融循环后，大孔隙率试件的劈拉强度和单轴压缩强度比小孔隙率试件分别降低5%和4%；经20次冻融循环后，两者的劈裂抗拉强度和单轴压缩强度差距缩小；经30次冻融循环后，大孔隙率试件单轴压缩强度甚至略高于小孔隙率试件。但孔隙率对沥青混凝土小梁弯曲强度有明显影响，且大孔隙试件小梁弯曲强度随冻融次数增加的下降幅度略高于小孔隙率试件。孔隙率变化对小梁弯曲强度的影响明显高于冻融作用。大孔隙率试件经0，10，20，30次冻融循环后，其小梁弯曲强度比小孔隙率试件的分别低42%，45%，46%，48%。

3.3 冻融次数对力学变形性能的影响

不同孔隙率下砂砾石破碎骨料沥青混凝土经多次冻融循环后的劈裂破坏拉伸应变、最大压缩应变和最大弯拉应变及其与初始破坏应变的比值见图10～15。

圖10和图11试验结果表明：大孔隙率沥青混凝土的初始劈裂破坏拉伸应变要高于小孔隙率混凝土，经10，20次和30次冻融后，大孔隙率试件的冻融劈裂破坏拉伸应变先降低后小幅增加再降低，但均小于初始拉伸应变；而小孔隙率试件相反，其冻融劈裂破坏拉伸应变先增加后降低再小幅增加，且均高于初始拉伸应变。

从图12和图13可以看到：大孔隙率沥青混凝土的初始最大压缩应变明显低于小孔隙率混凝土，是其初始最大压缩应变的79%，两者差值明显高于两者初始压缩强度的差值。随着冻融次数的增加，尤其是10次冻融后，小孔隙率试件的最大压缩应变快速降低，而大孔隙率试件的最大压缩应变随着冻融次数的增加而降低缓慢，两者在30次冻融后最大压缩应变基本相当，小孔隙率试件的最大压缩应变降低了33%，而大孔隙率试件仅降低了14%。

从图14和图15可以看到：孔隙率对沥青混凝土的最大弯拉应变有较大影响，大孔隙率试件初始最大弯拉应变为小孔隙率试件的62%，且冻融作用对大孔隙率试件的最大弯拉应变的影响高于小孔隙率试件，随冻融次数增加，大孔隙率试件的最大弯拉应变下降幅度高于小孔隙率试件，尤其20次冻融后，大孔隙率试件的最大弯拉应变下降了20%，为初始值的55%，而小孔隙率试件仅小幅下降了2%，为初始值的77%。

综上，提高心墙沥青混凝土的压实度，减小孔隙率，对于保证心墙混凝土的弯曲强度和变形性能具有重要意义。

4 结 论

（1） 低孔隙率下，掺加抗剥落剂的天然砂砾石骨料心墙沥青混凝土的长期耐久性可达到灰岩骨料心墙沥青混凝土的水平。

（2） 大孔隙率下，砂砾石破碎骨料心墙沥青混凝土的初始水稳定系数低于小孔隙率的沥青混凝土，随着浸泡时间增加，其长期水稳定系数降低比率高于小孔隙率沥青混凝土。

（3） 沥青混凝土的劈裂抗拉强度、单轴压缩强度和小梁弯曲强度均随着冻融循环次数的增加而降低，相应的损伤变量随着冻融次数的增加而增大。

（4） 冻融作用对沥青混凝土的劈裂抗拉强度、单轴压缩强度和小梁弯曲强度的影响规律不一，劈裂抗拉强度和单轴压缩强度在初始冻融作用下快速降低，20次冻融循环后，强度降低速率趋缓；而小梁弯曲强度则随冻融循环次数增加缓慢下降。

（5） 掺抗剥落剂的砂砾石沥青混凝土具有较好的抗冻融性能，经30次冻融循环后，小孔隙率的试件劈裂抗拉强度、单轴压缩强度和小梁弯曲强度的损伤变量分别为0.21，0.22和0.11，大孔隙率的试件则分别为0.20，0.18和0.19。

（6） 孔隙率对心墙沥青混凝土劈裂强度、单轴压缩强度及其冻融损伤变量，以及劈裂拉伸应变影响较小，但对小梁弯曲强度及其冻融损伤变量、最大弯拉应变、最大压缩应变有较大影响。提高心墙沥青混凝土的压实度，减小孔隙率，对于保证心墙混凝土的弯曲强度和变形性能具有重要意义。

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（编辑：胡旭东）

Experiment on durability of core wall asphalt concrete with natural gravel aggregate

DONG Yun1，2，XIONG Zebing2，3，WANG Xiaojun1，2，YAN Xiaohu1，2

（1.Institute of Material and Structure，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.National Research Center on Dam Safety Engineering，Wuhan 430010，China； 3.CISPDR，Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Natural gravel is mainly acidic rock.Adding cement，anti-stripping agent and other measures can make the water stability of core wall asphalt concrete with gravel aggregate qualified.However，there were relatively few studies on the long-term durability of core wall asphalt concrete with natural gravel aggregate，so the application of natural gravel aggregate in engineering is still doubtful.In this paper，the evolution law of mechanical and deformation performance of asphalt concrete with gravel aggregate under long-term immersion in high temperature water and after freeze-thaw cycles was systematically analyzed.And the durability of asphalt concrete with gravel aggregate for core wall was further investigated.The results showed that the long-term water stability of asphalt concrete with gravel aggregate and anti-stripping agent is similar to that of asphalt concrete with limestone aggregate，which also possesses excellent freeze-thaw resistance.In addition，the porosity of asphalt concrete has great influence on the bending strength and its freeze-thaw damage variables，maximum flexural strain and maximum compressive strain.Therefore，it is of great significance to improve the compacting degree and decrease the porosity of the asphalt concrete in the core wall to ensure the bending strength and deformation performance of the asphalt concrete for core wall.

Key words： acid aggregate；asphalt concrete；long-term water stability；freeze-thaw；anti-stripping agent；damage variable

收稿日期：2022-05-11

作者簡介：董 芸，女，正高级工程师，硕士，主要从事水工材料方面的研究。E-mail：910613876@qq.com