高寒地区沥青混凝土心墙配合比设计

2023-07-28田艳

陕西水利 2023年7期

田艳

（中国水利水电第三工程局有限公司,陕西西安 710016）

0 引言

沥青混凝土是由矿料与沥青结合料拌和而成的多相复合材料,因其具有优良的防渗性能、适应变形能力和裂缝自愈能力而广泛应用于心墙坝中[1]。

沥青混凝土配合比选择是从力学、防渗及耐久性等方面分析材料的性能与配合比设计参数的关系,从而确定油石比、级配指数以及填料用量[2]。国内外最早使用的配合比设计方法是马歇尔试验[3],但是随着科学研究的进步和深入,西安理工大学[4]通过分析大量工程试验资料发现,马歇尔试验温度高达60℃与心墙长期所处环境温度相差较大,其加载速度也相对较快,且沥青含量与其变形成正比。张应波等[5-6]以间接拉伸强度为目标进行沥青混凝土配合比选择,沥青混凝土心墙在坝体中主要受弯拉作用,该试验方法符合沥青混凝土心墙在坝体中的受力特点。余梁蜀等[7]通过对垫层的剪切抗渗配合比进行了性能验证,结果表明防渗效果非常好。潘登科[8]通过小梁弯曲试验来选择沥青混凝土配合比,研究了抗弯性能在不同加载速率下和不同温度下的变化特征,提出了该方法可以高效的选择沥青混凝土配合比因为其符合心墙的受力特点。余梁蜀等[9-10]研究了配合比各因素对沥青混凝土强度、变形能力及防渗性的影响规律,并采用单一因素分析获取了最优配合比。

在沥青混凝土心墙坝的施工过程中,环境因素对工程质量的影响不容忽视,尤其在高寒高海拔复杂的气候条件下混凝土配合比性能会出现失效现象,本文以为托帕水库工程为背景,进行水工沥青混凝土配合比设计,丰富高寒地区水工沥青混凝土配合比设计理论。

1 试验方案与步骤

托帕水库工程坝址位于新疆恰克玛克河上,托帕水库工程由拦河坝、溢洪洞、泄洪冲沙洞和灌溉放水洞等组成。拦河坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝。沥青混凝土心墙坝坝顶高程2397.5 m,坝顶宽度为8.0 m：最大坝高61.5 m,大坝长431.42 m。

1.1 原材料

粗骨料：为粒径大于2.36 mm 的破碎粗骨料；细骨料：为粒径0.075 mm~2.36 mm 的人工砂；填料：采用粗骨料加工的碱性矿粉；沥青：采用道路90#A 沥青。

1.2 配合比方案设计

依据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（SL 501-2010）[11]中给出配合比参数范围,本文拟选用级配指数为0.33、0.39、0.45,填料含量为9%、11%、13%、15%,油石比为6.5、6.8、7.1、7.4,进行水工沥青混凝土配合比设计见表1。

表1 沥青混凝土配合比参数表

本文试验最大骨料粒径选用Dmax=19 mm,试验温度为9.1℃。依据《水工沥青混凝土试验规程》（DL/T 5362-2006）[12]要求,每组试验设置三个平行试样见图1。考虑沥青混凝土配合比参数的不同,分别对试件的理论密度、孔隙率和间接拉伸强度及其对应的应变进行测试。劈裂试验加载速度为1.0 mm/min,试验结果见表2。

图1 马歇尔试件

表2 沥青混凝土理论密度、孔隙率结果表

2 材料参数对沥青混凝土力学性能的影响

2.1 级配指数对沥青混凝土性能的影响

结合编号为1、2、3 的配合比试验结果见表2。当油石比为6.8%、填料含量为13%时,三组沥青混凝土孔隙率分别为1.4%、1.0%、1.0%,平均最大间接拉伸强度为0.37 MPa、0.37 MPa、0.34 MPa,平均间接拉伸应变分别为1.59%、1.43%、1.17%,由此得出,且级配指数为0.39 时,配合比较优。

2.2 填料含量对沥青混凝土性能的影响

结合编号为2、4、5、6 的配合比试验结果见表2。当级配指数为0.39、油石比为6.8%时,9%、11%、13%、15%填料含量下沥青混凝土孔隙率分别为1.7%、1.6%、1.0%、1.2%,间接拉伸强度分别为0.34 MPa、0.31 MPa、0.36 MPa、0.24 MPa,间接拉伸应变分别为1.43%、1.51%、1.43%、1.87%。由此可知,当填料含量为13%时,沥青混凝土间接拉伸强度最优。

2.3 油石比对沥青混凝土性能的影响

结合编号为7、2、8、9 的配合比试验结果见表2。当级配指数为0.39、填料含量为13%时,6.5%、6.8%、7.1%、7.4%四组油石比下沥青混凝土孔隙率为1.3%、1.0%、0.8%、0.4%,间接拉伸强度分别为0.29 MPa、0.37 MPa、0.36 MPa、0.35 MPa,间接拉伸应变分别为1.37%、1.43%、1.30%、1.36%。可以发现,随着油石比的增大,沥青混凝土孔隙率逐渐减小,且油石比为6.8%时,沥青混凝土间接拉伸强度最优。

由上述试验结果和工程需求方面考虑,编号2 配合比为托帕水库心墙沥青混凝土推荐配合比。其材料和级配参数见表3,矿料级配见表4 和图2。

图2 2 号沥青混凝土矿料级配曲线

表3 推荐配合比参数表

表4 推荐配合比的矿料级配表

3 推荐配合比沥青混凝土性能试验

在配合比初选的基础上,对推荐的2 号沥青混凝土配合比开展验证试验

3.1 小梁弯曲试验

对沥青混凝土板切割成小梁弯曲试件（35 mm×40 mm×250 mm）,设置10℃的试验温度,变形速率设定为1.67 mm/min。

推荐配合比沥青混凝土小梁弯曲试验结果见表5。

表5 推荐配合比沥青混凝土小梁弯曲试验结果

由上述结果可知,2 号配合比沥青混凝土试件的孔隙率为1.0%,强度为2.10 MPa,强度对应的应变为2.140%。

3.2 单轴压缩试验

将选取配合比沥青混凝土制备成φ100 mm×100 mm 尺寸试件,在测试温度为10℃,变形速度为1.0 mm/min 条件下进行抗压试验。推荐配合比沥青混凝土抗压试验结果见表6。

表6 推荐配合比沥青混凝土试件抗压试验结果表

由上述结果可知,2 号配合比沥青混凝土具有较大的压缩强度和压缩应变。

3.3 水稳定性能试验

水稳定性能试验是将同一批尺寸为φ100 mm×100 mm的试件分2 组,1 组试件在60±1℃的水中浸泡48 小时后,再在20±1℃的水中恒温2 小时,然后进行抗压试验；另1 组在20±1℃空气中恒温不少于48 小时进行抗压试验,2 组抗压强度之比为水稳定系数。试验中变形速度为1.0 mm/min。推荐配合比沥青混凝土水稳定试验结果见表7。