新疆KSTH水库工程沥青心墙混凝土配合比试验研究

何乔意

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

沥青混凝土具有抗渗性能高、抵抗变形能力好、施工周期短等特点［1］，普遍应用在新疆北疆地区，本文以博乐市KSTH 水库为研究对象， 通过开展沥青混凝土心墙配合比试验， 选出孔隙率、 劈裂抗压强度、稳定度及流值等指标较优的组合，作为工程的推荐配合比。

1 项目概况

博乐市KSTH 水库工程项目从博尔塔拉河中游河段已建新布哈渠首上引水，由水库引水渠、水源水库工程和供水管道工程组成。KSTH 水库是调蓄水库工程，设计库容1973 万m3。新疆KSTH 水库工程是调蓄水库工程主要承担向博乐市以西规划1626.67 hm2生态林及博乐市城市绿化供水任务。

2 沥青混凝土心墙配合比设计

2.1 原材料选择

沥青原材采用的是克拉玛依90 号道路石油沥青。骨料采用当地较好的碱性灰岩料场经轧制、筛分后的开采料，骨料均质地坚硬、新鲜，在加热过程中未出现开裂、分解等现象。碾压式沥青混凝土心墙坝中骨料宜采用碱性岩石破碎料， 且骨料最大粒径不宜大于19 mm。碱性岩石粗骨料与沥青的黏附性好，在长期与水接触中，其水稳定性较好，所检测项目能满足SL501—2010 《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》［2］骨料的技术（质量）要求。填料主要采用石灰岩粉、白云岩粉等碱性岩石加工的石粉，普通硅酸盐水泥也可以作为填料， 因为它本身是一种抗剥离剂，可以改善酸性骨料与沥青的黏结力，本次的填料选用当地生产的P.O 42.5 普硅水泥。原材料确定后对沥青和同一骨料进行沥青混凝土配合比试验研究。

2.2 沥青混凝土配合比设计

根据规定［3-5］，并参考国内一些沥青混凝土心墙坝的经验， 初步拟定新疆KSTH 水库工程碾压式沥青混凝土心墙对沥青混凝土主要技术性能指标列于表1。

表1 碾压式沥青混凝土的主要技术指标

2.3 配合比试验方案设计及试验结果

根据不同的级配指数、填料用量和沥青含量，水利工程中的沥青混凝土配合比需进行设计， 通过优选选择孔隙率、马歇尔稳定度、流值、劈裂强度、三轴、小梁弯曲等多方面的性能指标，以达到综合性能优秀的目的。由于完全试验的组数较多，本次试验采用正交设计试验方案， 利用正交表科学地安排与分析多因素试验的方法， 而正交表具有正交性、 均匀分散性和综合可比性等特点， 能够反映各因素和不同水平对试验结果的影响， 是最常用的试验设计方法之一。

本次设计选择沥青混凝土配合比的3 个参数：即矿料级配指数（0.36、0.38、0.40、0.42）、填料用量（18%、16%、14%、12%）沥青用量（7.0%、6.8%、6.6%、6.4%）为影响因素， 每个因素取4 个水平，按L16 （45）正交表安排的试验方案。根据正交表排列的16 种方案一次只做马歇尔试件，然后进行孔隙率、马歇尔稳定度和流值、劈裂抗压强度等线管试验。

马歇尔试验方法：将试件置于40±1 ℃的恒温水槽中恒温30～40 min，同时将马歇尔稳定度试验仪的上、下压头置于水槽中恒温，然后将试件直接置于试验机上，启动加载试验设备，以50±5 mm/min 速率加载，在荷载达到最大值开始减小的瞬间自动停机，分别读取压力值和位移值。 从水槽中取出试件起至试验结束，时间不应超过30 s。荷载测定装置读取的最大荷载即为试样的稳定度，精确至0.01 kN；由稳定度流值计或位移传感器测定装置读取的试件变形量，即为试件的流值，精确至0.1 mm。

劈裂试验方法：将试件在常温下放置24 h 后，再置于5.7 ℃恒温室中恒温不少于4 h，然后将试件放置于万能试验机中， 启动加载试验设备， 以50 mm/min加载速率加载， 当荷载达到最大值开始减小停止加载，记录最大荷载PT(N) ，并计算得到劈裂抗压强度RT(MPa)。计算公式如下：

式中RT 为劈裂强度（MPa）；PT 为试验最大值（N）；h为试件高度（mm）。

在沥青混凝土初步配合比选定试验中以孔隙率、马歇尔稳定度和流值、劈裂抗压强度为考核指标，选出满足工程要求的配合比。具体试验成果如表2。

表2 沥青混凝土配合比试验成果

2.4 极差方差分析

2.4.1 沥青含量的影响

孔隙率随着沥青含量的增加呈逐渐减小趋势；劈裂抗压强度随着沥青含量的增加呈逐渐减小趋势，当沥青含量达到6.8%后，对劈裂抗压强度影响减缓；沥青含量为6.8%时稳定度最大；流值随着沥青含量的增加而增大。综合各个考核指标来看，沥青含量为6.8～7.0%时较好。

2.4.2 级配指数的影响

孔隙率随着级配指数的增加呈先增大后减小趋势，级配指数为0.38 时孔隙率最小；劈裂抗压强度随着级配指数的增加呈逐渐增大趋势， 级配指数为0.42 时劈裂抗压强度最大；随着级配指数的增加，稳定度先减小后增大， 级配指数为0.38 时稳定度最小；级配指数为0.40 时流值较大；综合各个考核指标，级配指数为0.40 和0.38 较为稳定。

2.4.3 填料用量的影响

孔隙率随着填料用量减小而逐渐减小， 填料用量为12%～15%时孔隙率相差不大；劈裂抗压强度随着填料用量的减小呈先增大后减小趋势； 随着填料用量的减小， 稳定度先减小后增大， 最终又逐渐减小，12%～14%的填料用量稳定度试验结果较为稳定；流值随着填料用量的减小而减小；综合各个考核指标来看，填料用量为12%时各项检测指标更为稳定。

通过对各因素水平的综合分析， 得出较好的配合比方案：沥青含量6.8%、级配指数0.38、填料用量12%。即为正交方案中试验标号为10 号的沥青混凝土配合比。

2.5 推荐配合比的沥青混凝土各项性能试验

对初定的16 个沥青混凝土配合比，进行配合比选择试验，根据试验得到的沥青混凝土的孔隙率、马歇尔、流值、劈裂强度，对于KSTH 水库工程，从防渗、变形、抗震、强度、施工、耐久性和经济性等考虑，初选出一个综合性能最优的10 号配合比为了验证所选的配合比是否能够满足设计要求， 对该试验编号为10 号的沥青配合比进行沥青混凝土压缩试验、沥青混凝土水稳定性试验、沥青混凝土拉伸试验、沥青混凝土小梁弯曲试验、沥青混凝土拉伸试验、沥青混凝土渗透试验、 沥青混凝土静三轴试验等多项试验。通过验证，所选配合比的各项物理力学性能能够满足设计要求。试验结果如表3。

表3 推荐配合比沥青混凝土主要性能试验结果汇总

3 结语

（1）本文结合新疆KSTH 水库沥青心墙混凝土配合比试验研究， 研究结果表明沥青含量为6.8%～7.0%、级配置数为0.40 和0.38、填料用量为12%时在可获得孔隙率、劈裂抗压强度、稳定度及流值等较优的指标参数。 本文推荐的配合比方案： 沥青含量6.8%、级配指数0.38、填料用量12%。即为正交方案中试验标号为10 号的沥青混凝土配合比。

（2）对于本次沥青混凝土配合比设计，冬季施工时考虑在推荐配合比的基础上增大油石比用量至8%，并同时开展现场碾压试验进一步调整实用适用的施工配合比。 建议心墙冬季施工过程温度控制标准为：拌和系统预热温度110～120 ℃［6］；沥青加热温度在160～170 ℃；骨料加热温度180±10 ℃；拌和时间为先投骨料和矿粉干拌15 s， 再喷洒沥青湿拌45 s；出机口温度170±5 ℃； 运输过程温度损失15±2 ℃；入仓温度150～160 ℃；初碾温度140～150 ℃；终碾温度110～125 ℃；层间温度70～80 ℃；无损检测时表层温度90 ℃以下；取芯样时表面温度接近自然温度。