浅谈土石坝沥青混凝土心墙材料的冬季施工配合比

陈智渊

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 引言

心墙沥青混凝土是一种在水利工程中广泛应用的建筑材料,它具有耐久性好,抗渗性强,施工方便且具有一定的变形能力等特点[1]。由于心墙沥青混凝土施工质量受工程所在地的气温影响较大,特别是在冬季气温较低的条件下施工一定要做好防寒保温等措施来保证心墙的施工质量。特别在西北寒冷地区,一年中冬季时间较大,大部分时间内气温在-5℃以下,平均气温达到-15℃,冬季施工质量就显得尤为重要[2]。冶勒水利工程冬季施工开创了我国心墙沥青混凝土在零度以下施工的先河,为冬季施工提供工程经验[3]。张庆春对库什塔依水利工程冬季施工心墙沥青混凝土的压实度、分离度、上下层结合面的渗透性及力学性能进行研究,可知心墙沥青混凝土的各项性能指标都满足设计要求[4]。何建新等通过3种不同施工工艺对心墙沥青混凝土冬季施工结合面质量进行研究,得出采用高温热骨料加热的方法施工结合面的质量最好[5]。马敬等对照壁山水库冬季施工层间采用涂刷冷底油的方法,待沥青混凝土表面温度降至110℃～120℃时层间结合最好[6]。心墙沥青混凝土冬季施工方法及温控措施方面研究比较深入,而冬季施工配合比方面的研究较少,本文从配合比的方面入手选择适合冬季施工的心墙沥青混凝土配合比,对于保证施工质量,提高工程效益具有十分重要的意义。

2 常温下沥青混凝土配合比

2.1 原材料

沥青混凝土的原材料包括粗、细骨料,填料及沥青。粗、细骨料是由质地坚硬的碱性岩石破碎制成,骨料最大粒径为19 mm；填料选用矿粉,由磨粉机加工而成,粒径＜0.075 mm；选用克拉玛依石化公司生产的90号沥青；各种原材料技术性能指标均满足规范要求[7],可用于心墙沥青混凝土中。

2.2 配合比设计

心墙沥青混凝土配合比设计主要是确定矿料级配和沥青用量,而矿料级配在配合比设计中更为关键[8]。采用丁朴荣级配公式计算矿料级配时,可选用3～4种填料用量和2～3级配指数进行计算,对于每种矿料级配选取4～5种油石比进行配合比试验。参照已建工程经验并结合本次试验原材料的实际情况,选取级配指数为0.35、0.38、0.41、0.44,填料用量为11%、13%、15%,油石比为6.2%、6.5%、6.8%、7.1%、7.4%,共组成60种配合比。在相同的试验条件下每种配合比制备3个马歇尔试件测定其密度和孔隙率,并进行劈裂抗拉试验,分析各个参数对混凝土性能影响。

2.3 试验结果分析

2.3.1 级配指数对沥青混凝土性能影响

在骨料最大粒径Dmax=19 mm,初选填料用量=13%,油石比=6.8%不变的情况下分析不同级配指数对孔隙率和间接拉伸强度的影响,见图1、图2。4组沥青混凝土的孔隙率都＜2%,满足规范要求,当级配指数为0.38时孔隙率最小为1.39%；间接拉伸强度在0.46 MPa～0.52 MPa之间随着级配指数的增加呈增长趋势。

图1 级配指数与孔隙率关系

图2 级配指数与间接拉伸强度关系

2.3.2 填料用量对沥青混凝土性能影响

根据不同级配指数的配合比试验结果,选择沥青混凝土矿料级配指数为0.38,填料用量为11%、13%、15%,油石比为6.8%的配合比试验结果,分析填料用量对孔隙率和间接拉伸强度的影响,见图3、图4。当填料用量为11%时,孔隙率为2.11%超出了规范＜2%的要求,且随着填料用量的增加孔隙率逐渐减小；随着填料用量的增加间接拉伸强度先减小后增大,且填料用量为13%时,间接拉伸强度最小为0.47 MPa。

图4 填料用量与间接拉伸强度关系

2.3.3 油石比对沥青混凝土性能影响

根据沥青混凝土不同级配指数和不同填料用量的配合比试验结果选择级配指数为0.38,填料用量为13%时,分别取油石比为6.2%、6.5%、6.8%、7.1%、7.4%时的配合比试验结果分析不同油石比对孔隙率和间接拉伸强度的影响,见图5、图6。当油石比为6.2%时,孔隙率为2.54%远超规范＜2%的要求,随着油石比的增加孔隙率呈减小趋势,在油石比为7.1%时孔隙率最小,为1.27%；间接拉伸强度在0.47 MPa～0.57 MPa范围内随着油石比的增加先减小后增大,在油石比为6.8%时间接拉伸强度最小,为0.47 MPa。

图5 油石比与孔隙率关系

图6 油石比与间接拉伸强度关系

根据上述配合比试验结果,并从沥青混凝土防渗、变形、强度以及施工安全的角度出发初步推荐常温下配合比参数分别为：级配指数=0.38,填料用量=13%,油石比=7.1%。

3 冬季条件下沥青混凝土配合比

3.1 冬季施工配合比初选

根据常温条件下沥青混凝土配合比试验结果,选择骨料最大粒径Dmax=19 mm,级配指数=0.38,填料用量=13%,在此基础上选取7.0%、7.3%、7.6%、7.9%、8.2%、8.5%六个不同油石比,制备沥青混凝土试件测定其密度、孔隙率、间接拉伸强度及位移,初步推荐冬季施工配合比参数,试验结果见表1和图7～图9。结果可知：孔隙率随着油石比的增加呈下降趋势,当油石比=7.0%时,孔隙率为2.42%,不满足规范要求,其余5组都小于2%满足规范要求,当油石比=7.9%时,孔隙率最小,为0.94%；随着油石比的增加间接拉伸强度呈下降趋势,在油石比为7.6%～8.2%之间间接拉伸强度下降不明显；随着油石比的增加间接拉伸位移呈先增大后减小再增大的趋势；当油石比为7.9%和8.2%时,孔隙率较小在1%左右,间接拉伸强度和位移适中。综合考虑冬季施工沥青混凝土的强度、变形及防渗性要求,以及从施工安全与经济的角度出发并参考以往工程经验推荐本次试验冬季施工配合比编号D4,即级配指数=0.38,填料用量=13%,油石比=7.9%。

表1 冬季沥青混凝土配合比试验结果

图7 油石比与孔隙率关系

图8 油石比与间接拉伸强度关系

图9 油石比与间接拉伸位移关系

3.2 室内模拟冬季施工工况

对初步选取的冬季施工配合比在室内进行-20℃工况下冬季施工模拟试验,进一步验证上下两层沥青混凝土的层间防渗性与力学性能。

模拟试验方法：上下两层沥青混凝土尺寸为50 cm×50 cm×10 cm,采用击实的方法成型,试件孔隙率控制在≤3%。先将下层混凝土制备完成后放在恒温箱中冷却,待温度达到-20℃时恒温8 h。下层沥青混凝土拌合温度控制在170℃左右,击实温度控制在150℃左右。待下层试件冷却完成后取出用喷枪对表面进行加热至80℃左右时铺筑上层沥青混凝土并用帆布覆盖,表面以下3 cm处温度下降至150℃时开始击实,击实成型后放在恒温室中冷却降温,观察上下层结合面的粘结情况,并进行防渗性和力学性能检测。

钻取结合层面处芯样进行渗透试验和直剪试验,试验结果见表2。结果可知：3个试件孔隙率都小于3%,满足规范对沥青混凝土芯样的要求；3个试件在50 m水头作用下均没有出现渗水现象,说明上下层沥青混凝土结合良好,所选配合比模拟冬季工况下的沥青混凝土试件结合面满足防渗性要求；结合面处剪应力为0.259 MPa,非结合面处剪应力为0.298 MPa,相差0.039 MPa,相差不明显,剪应力比为86.9%,说明D4号配合比模拟冬季工况下的沥青混凝土试件上下层结合良好。而在实际的工程施工中,每层摊铺的热沥青混合料质量更多,体积更大,一般心墙每层摊铺宽度在50 cm～100 cm,厚度20 cm～30 cm,沿坝轴线摊铺距离很长,使得其热量更多,散热速度比试验时更慢,只要在施工过程中严格控制摊铺温度,选择合理的施工方法及时覆盖保温,冬季施工心墙沥青混凝土质量就能够得到保障。因此,在本次试验范围内冬季施工条件下的心墙沥青混凝土配合比参数：级配指数为0.38,填料用量为13%,油石比为7.9%。

表2 冬季沥青混凝土结合面性能试验结果

4 结论

在常温条件下的沥青混凝土配合比基础上,通过改变油石比的用量,初步选定了冬季施工配合比,并在室内模拟-20℃时冬季施工工况,验证配合比的可行性,结果可知：冬季施工沥青混凝土配合比中沥青用量较多,上下层沥青混凝土结合良好,结合面处芯样试件的孔隙率、抗渗性满足要求,结合面处芯样试件的抗剪强度是非结合面芯样试件抗剪强度的86.9%。