沥青混凝土心墙材料配合比设计及性能试验研究

侯 程,张新标,胡成陶,刘 伟,齐晟哲

(1.中水君信工程勘察设计有限公司,成都 610065;2.西华大学,成都 610039)

0 引言

沥青混凝土心墙坝具有适应结构变形能力强、防渗性能好、抗震效果佳、容易就地取材降低工程造价等优点,是一种应用广泛的大坝[1-2]。尤其受到西藏、四川、新疆等高寒高海拔地区的偏爱[3]。

沥青混凝土的性能通常受到骨料、沥青、矿料配合比等因素的影响,其中矿料配合比是指沥青混凝土中沥青的骨料、填料,油石比等材料类型及最佳含量的比例。这种设计旨在能满足使用要求的同时又能符合节约成本的需要[4]。目前常见的一些配合比选择方法有由美国学者Bruce·Marshall根据土工试验提出并逐步改进的马歇尔试验法[5-6],这种试验方便直观,因此被广泛采纳。余华英等[7]利用灰色关联法研究了级配指数、填料含量和油石比对水工沥青混凝土孔隙率的影响;宋日英等[8]通过不同沥青含量的混凝土试件静三轴试验研究沥青含量对沥青混凝土的影响;魏芸[9]利用正交实验法设计沥青混凝土的配合比并研究温度对沥青混凝土的影响。

本文通过组合不同配合比沥青混凝土进行相关力学试验研究,探求沥青混凝土力学性能变化特性,验证初选沥青混凝土心墙的适用性,优选出适合马鞍山水库沥青混凝土心墙沥青混凝土配合比。研究成果为工程设计和施工中沥青混凝土材料选择提供可靠的理论依据。

1 试验原材料

(1)粗骨料

试验采用两种材料,一种是灰岩料,另一种是辉长岩料。灰岩块料按风化程度从感观上大致分为4类:①类为好的石灰岩块石;②类为溶蚀石灰岩;③类为风化石灰岩;④类为杂料。

经鉴定,灰岩料为碱性,好的灰岩料满足规范要求,但灰岩料混杂较为严重,有较重溶蚀、风化现象,破碎后细料几乎为泥土,所以不宜用作粗骨料。因此采用辉长岩作为粗骨料。对辉长岩骨料酸碱性进行判断,采用矿物分析法和计算法进行判断,其中矿物分析法根据SiO2含量<45 %为超碱性,SiO2含量45 %～52 %为碱性,SiO2含量52 %～65 %为中性,SiO2含量>65 %酸性;计算法计算M=(CaO+MgO+FeO)/SiO2,当M>1时为碱性,M=0.6～1时为中性,M<0.6时为酸性。因样品化学成分分析的差异性,综合试验分析结果评定辉长岩应为中性。

选取粒径19～2.36 mm的颗粒进行粗骨料鉴定试验,辉长岩粗骨料的检测结果如表1。

表1 辉长岩粗骨料质量检测结果

根据试验检测结果:辉长岩中性且质地坚硬,并且辉长岩开裂或分解等情况在加热过程中均未出现。同时建议在沥青中加入沥青含量0.2 %以上PA-1抗剥落剂,经过测验,加入抗剥落剂后黏附力有明显提升,坚固性也满足规范要求,因此该粗骨料可用于马鞍山水库沥青混凝土心墙。

(2)细骨料

在实验室将天然砂和辉长岩破碎料破碎、筛分出2.36～0.075 mm粒径的人工砂作为细骨料。通过密度、水稳定等级、硫酸钠5次循环重量损失及泥土含量的测定,细骨料质量测定结果见表2。

表2 细骨料质量测定结果

经综合评定,辉长岩破碎后的人工砂细骨料满足规范要求,天然砂除含泥量偏大外,其余指标满足规范要求,建议该细骨料中含泥量合格的天然砂可用于马鞍山水库沥青混凝土心墙。

(3)填料

石灰岩矿粉用作填料。通过酸碱、密度试验、含水量试验、亲水性系数试验和填料分级筛选试验,填料检测结果见表3。

表3 填料质量鉴定结果

经综合评定,填料石灰岩矿粉的各项指标满足规范要求,可作为马鞍山水库大坝心墙沥青混凝土的填料。

(4)沥青

针对克拉玛依70号A级沥青进行质量鉴定结果见表4。

表4 克拉玛依70号A级沥青鉴定结果

经综合评定,克拉玛依70号A级沥青的各项技术指标满足规范要求,可用于马鞍山水库大坝沥青混凝土心墙中的沥青原料中。

2 沥青混凝土配合比设计

设计出合适的水工沥青混凝土配合比需要经过多方面试验,确定矿料的级配指数、沥青含量、天然砂含量等因素。根据不同的配料组合在基本性能试验中的结果初选推荐的配合比沥青混凝土。同时在19.6 ℃的条件下对推荐的配合比沥青混凝土开展劈裂试验,探究沥青混凝土心墙的应力应变特点以确定适合工程项目的沥青混凝土性能。

最大矿料粒径选Dmax=19 mm,混凝土试件制备方法为马歇尔击实成型法[10],击实试件两面各20次。试件钢模直径为101.6±0.2 mm、钢模高76.2 mm,固定试件高度63.5±0.5 mm。每种配合比在相同条件下制备3个试件用以保证实验的低误差性。测定不同配比参数下试样的密度和孔隙率,通过劈裂试验测量间接拉伸载荷和竖向位移,计算出劈裂试验加载速度为1.0 mm/ min条件下试件间接拉伸强度和间接拉伸应变。

2.1 级配指数的影响

控制最大矿料粒径、填料含量与油石比等试验常量,选择不同的级配指数组成4种不同配合比,见表5。同样控制条件下每种配合比沥青混凝土制备3个试件共12个试件,进行劈裂试验,结果见表6及图1。

1号沥青混凝土劈裂试验曲线

表5 沥青混凝土配合比参数

表6 1～4号沥青混凝土劈裂试验结果

试验结果显示,随着级配指数的增加,沥青混凝土间接拉伸强度变化不大,但当级配指数为0.40时强度较大且分布较为集中,并且级配指数对间接拉伸应变影响不大,因此推荐级配指数为0.40。

2.2 填料含量的影响

根据不同级配指数沥青混凝土配合比试验结果,固定沥青混凝土矿料0.4级配指数及6.5 %油石比,选择8 %、10 %、12 %、14 %不同比例的填料含量,组成4种不同的沥青混凝土配合比,见表7。相同条件下不同配合比的沥青混凝土分别制备3个试件进行劈裂试验,试验结果见表8及图2。

5号沥青混凝土劈裂试验曲线

表7 沥青混凝土配合比参数

表8 5、6、3、7号沥青混凝土劈裂试验结果

试验结果显示,试验常量为级配指数与油石比时,填料含量越大,间接拉伸应变越大,但当填料含量为12 %时,间接拉伸强度最大,因此推荐填料含量为12 %。

2.3 油石比的影响

由沥青混凝土配合比不同填料含量试验结果,分别选择6.2 %、6.5 %、6.8 %、7.1 %油石比组成4种沥青混凝土配合比,具体参数见表9,劈裂试验结果见表10及图3。

8号沥青混凝土劈裂试验曲线

表9 沥青混凝土配合比参数

表10 8、3、9、10号沥青混凝土劈裂试验结果

由试验结果可见,控制级配指数与填料含量不变,油石比越大而间接拉伸强度逐渐减小,但是间接拉伸应变逐渐增大。

2.4 天然砂的影响

根据以上试验结果,控制级配指数0.40、填料含量12 %,油石比6.8 %因素不变。取0 %、30 %、50 %的天然砂分别组成3种不同的配合比沥青混凝土,具体参数见表11,混凝土理论密度及孔隙率见表12,劈裂试验结果见表13及图4。

9号沥青混凝土劈裂试验曲线

表11 沥青混凝土配合比参数

表12 沥青混凝土理论密度及孔隙率结果

表13 3种配合比沥青混凝土劈裂试验结果

根据试验结果显示,在细骨料中掺加天然砂间接拉伸强度略有增大,天然砂占细骨料百分比对间接拉伸应变的影响不大。

2.5 优选的沥青混凝土配合比

配合比材料与级配参数见表14,矿料级配见表15。

表14 9、12号配合比沥青混凝土参数

表15 9、12号配合比矿料级配参数

综合考虑变形、试件强度、施工难易度、耐久性与经济合理性因素,参考沥青混凝土配合比的各项试验结果,结合马鞍山水库实际工程情况,优选9号和12号配合比沥青混凝土做进一步性能试验,根据试验结果发现填料含量的变化对沥青混凝土性能影响相比其他因素更大。

3 沥青混凝土性能试验分析

对9号、12号配合比混凝土进行物理力学性能试验结果见表16～表18,研究结果表明9号、12号配合比沥青混凝土的各项物理力学参数均满足大坝沥青混凝土心墙规范标准。

表16 推荐的9、12号沥青混凝土配合比力学性能

表17 沥青混凝土非线性E-B模型参数

表18 沥青混凝土非线性E-μ模型参数

推荐9号、12号配合比沥青混凝土需进行现场摊铺试验验证,沥青混凝土性能满足规范和设计要求,方可用于大坝心墙施工。

4 结论

通过不同配合比试验得出适用于马鞍山水库大坝沥青混凝土心墙的最佳配合比,对比分析初选配合比的沥青混凝土进行性能试验结果:

(1)级配指数对沥青混凝土的间接拉伸强度影响不大,但级配指数为0.40时沥青混凝土强度略大且分布较为集中,并且级配指数对间接拉伸应变影响不大。

(2)随着填料含量增加间接拉伸应变也在逐渐增大,但当填料含量为12 %时,沥青混凝土的间接拉伸强度最大,同时发现填料含量的变化对沥青混凝土的性能影响最大。

(3)随着油石比的增大而间接拉伸强度逐渐减小,油石比的增大而间接拉伸应变逐渐增大。

(4)在细骨料中掺加天然砂间接拉伸强度略有增大,天然砂占细骨料百分比对间接拉伸应变的影响不大,说明设计方案中针对细骨料采取天然砂和人工砂混合的方案是可行的,同时也可以降低沥青混凝土经济成本。

总归来说,马鞍山水库大坝采取沥青混凝土心墙方案防渗是可行的,且利用天然砂和人工砂混合细骨料可以节约成本,对类似工程具有一定的参考价值。