工心墻瀝青混凝土骨料綜合性能分析

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摘要:為探明大理巖能否用作心墻瀝青混凝土骨料,該文分別用新疆且末縣石門水庫大理巖和奇臺縣碧流河水庫灰巖,在相同的破碎方式和配合比條件下配制瀝青混凝土,并進行了馬歇爾穩定度流值、劈裂、滲透、水穩定性、壓縮、小梁和靜三軸等試驗。結果表明:破碎大理巖碎石制備的瀝青混凝土單軸平均抗拉強度為0.4MPa,低于破碎灰巖0.5MPa;抗壓和抗彎強度平均值分別為2.5MPa和2.4MPa,高出破碎灰巖0.41MPa和0.9MPa;粘聚力和內摩擦角分別為459kPa和28.3°,低于破碎灰巖6.0kPa和0.7°,兩者力學性能差別不明顯。因此,大理巖碎石用于水工心墻瀝青混凝土是完全可行的。

關鍵詞:心墻瀝青混凝土;大理巖;灰巖;力學性能

1概述

心墻瀝青混凝土由于具有良好的拌和性及防滲性,施工時機械攤鋪、碾壓,施工進度快等優點[1],因此,瀝青混凝土心墻壩在新疆分布越來越廣泛。相關規定中建議瀝青混凝土骨料宜采用堿性巖石破碎的碎石。大理巖雖是堿性骨料,但在新疆的水利工程中應用很少,一般選用灰巖作為瀝青混凝土人工骨料。堿性骨料與酸性瀝青在拌和過程中,兩者發生化學反應,形成了不溶于水的化合物,因此,抗水剝離性能好[2]。大理巖破碎后棱角分明,用其配制的水工心墻瀝青混凝土與灰巖骨料相比,兩者的綜合性能有待研究論證。國內外目前對大理巖在水工瀝青混凝土中系統的試驗研究相對匱乏。楊耀輝[3]等研究了大理巖礦料和天然礫石骨料對瀝青混凝土性能的影響,結果表明兩者配制的瀝青混凝土力學性能差別不大。王德輝[4]通過對天然粗骨料進行篩分處理,配制了3種顆粒形狀指數不同的粗骨料,將其用于瀝青混凝土。結果表明隨著粗骨料形狀指數的增大,瀝青混凝土的力學性能越好。潘琨[5]分別制備了針片狀含量不同的粗骨料用于瀝青混凝土,結果表明粗骨料中針片狀顆粒含量與瀝青混凝土的力學性能成反比關系;溫喜廉[6]等運用數字圖形處理技術和掃描電鏡技術研究了粗骨料的微觀結構,發現粗骨料表面越粗糙,瀝青混凝土的抗折強度越大。在新疆且末石門水庫前期勘察過程中以及總結類似工程中發現,西北地區一些適合建設瀝青混凝土心墻壩的地區沒有灰巖,大理巖卻非常豐富,若棄用大理巖選擇長途運輸灰巖骨料往往增加工程成本,影響工程進度。本文在相同的破碎方法和配合比條件下,以破碎大理巖與破碎灰巖為基礎制備瀝青混凝土試件,對2種試件的性能進行試驗與分析,為大理巖碎石在水工心墻瀝青混凝土中的推廣應用提供參考依據。

2原材料和試驗方法

2.1原材料

本次試驗所用瀝青為克拉瑪依石化公司生產的90A級道路石油瀝青,針入度(25℃,100g,5s)為6.8mm,延度(5cm/min,15℃)>100cm,環球法軟化點為49.5℃;填料為普通硅酸鹽水泥;骨料分別為新疆且末縣石門水庫破碎大理巖骨料和奇臺縣碧流河水庫灰巖骨料,填料和粗細骨料的技術性能指標見表1~2,各項技術性能均滿足規范要求。粗骨料酸堿性判定主要有巖相法、堿度模數法及SiO2含量法[7]。為準確測定大理巖的酸堿性,本次試驗通過室內試驗測定大理巖堿值為0.98,灰巖堿值為0.95。一般認為,當骨料堿值大于0.80時,該骨料與瀝青的粘附性為良好;堿值為0.70~0.80時,粘附性為合格;堿值小于0.70時,粘附性較差[7]。通過測定的堿值可以得出大理巖與瀝青的粘附性良好。

2.2試驗方法

2.2.1配合比設計本次試驗采用均勻正交設計試驗設計方案,選擇瀝青用量、礦料級配指數、和填料用量作為瀝青混凝土配合比的3個參數,試驗結果見表3。碾壓式心墻瀝青混凝土中瀝青用量通常為6.0%~7.5%[8],瀝青與填料通過拌和形成具有粘結力的瀝青膠漿。堿性的水泥或者消石灰粉可以提高瀝青與骨料的粘附性,合適的瀝青膠漿對瀝青混凝土的強度和結構有相當重要的影響[9]。瀝青與填料在拌和以后形成一定厚度的“結構瀝青”,結構瀝青之外的稱為“自由瀝青”[10]。通過顎式破碎機所得的兩組顆粒級配相當,選擇最優配合比時,以試件密度、孔隙率、馬歇爾穩定度和流值作為評判指標,通過極差和方差分析,最終確定灰巖和大理巖破碎料的配合比如下:級配指數為0.39,9.5~19mm小石含量為24%(592.8kg/m3),4.75~9.5mm、2.36~4.75mm細石含量均為17%(419.9kg/m3),0.75~2.36mm砂含量為29%(716.3kg/m3),填料含量為13%(321.1kg/m3);瀝青含量為6.7%(165.5kg/m3)。2.2.2單軸壓縮試驗單軸壓縮試驗需要制備直徑為101±1mm的瀝青混凝土試件,將試件置于新疆大部分水庫的運行溫度為10.0℃恒溫4h,然后放置在萬能試驗機上以加載速率為1mm/min的慢速法進行,通過電腦測讀試驗數據。2.2.3水穩定性試驗水穩定性試驗需要制備直徑和高度均為100±2mm的試件,將1組試件在60℃的水中浸泡48h,另1組試件在20℃的空氣中恒溫48h,將2組試件進行單軸抗壓強度試驗,兩者比值即為水穩定性系數。2.2.4拉伸和小梁彎曲試驗瀝青混凝土拉伸試件的尺寸為200mm×40mm×40mm,彎曲試件尺寸為250mm×40mm×35mm,將小梁彎曲和拉伸試件放置于10℃水中恒溫不小于3h,試驗加載速率為1.0mm/min,計算機直接采集試驗數據。依據規范中相應的試驗方法對拉伸強度、抗彎強度、彎曲應變及撓跨比均進行處理計算[11]。2.2.5靜三軸試驗瀝青混凝土靜三軸試驗需要將試件提前放置在10.0℃的恒溫空氣環境中靜置4h,試驗的軸向加載速率為0.18mm/min,應變速率為0.09%/min。試件放入壓力室以后,調整試件位置至正中心,打開圍壓閥門,并對試件保持恒壓30min進行固結。試驗的圍壓分級不少于4級,每個圍壓下做3個試件。當軸向壓力出現峰值并下降以后,該試件試驗結束;若試驗一直未出現峰值,則按試件高度的20%應變值停止試驗。

3結果與分析

3.1馬歇爾穩定度流值及劈裂試驗

2種骨料配制的瀝青混凝土馬歇爾劈裂抗拉強度結果見表4。大理巖碎石配制的瀝青混凝土穩定度高出灰巖破碎料7.9%,流值低于灰巖破碎料14.6%,劈裂抗拉強度兩者差別不大。在優選最佳瀝青混凝土配合比時,馬歇爾穩定度應選取相對大的值,而流值應選取相對小的值。顯然,用大理巖碎石配制的瀝青混凝土馬歇爾穩定度性能略優于灰巖破碎料。

3.2壓縮試驗

壓縮試驗結果如圖1所示,破碎大理巖骨料配制的瀝青混凝土壓縮強度平均值為2.55MPa,比破碎灰巖骨料配制的瀝青混凝土壓縮強度平均值2.14MPa提高了19.2%,但破碎灰巖骨料配制的瀝青混凝土壓縮應變比破碎大理巖骨料配制的瀝青混凝土高出2%,由壓縮試驗表明,破碎大理巖骨料配制的瀝青混凝土強度高但柔性不如破碎灰巖骨料配制的瀝青混凝土,但2種破碎骨料配制的瀝青混凝土壓縮性均滿足規范要求。

3.3滲透試驗

滲透性試驗結果見表5所示,2種骨料配制的瀝青混凝土試件滲透系數基本相同?？紫堵适怯绊憺r青混凝土滲透系數的關鍵因素,灰巖破碎料配制的瀝青混凝土孔隙率為1.12,大理巖破碎料配制的瀝青混凝土孔隙率為0.97,兩者的孔隙率都小于2%且非常接近,因此,兩者滲透系數差別不大。

3.4水穩定性試驗

水穩定性試驗應力—應變結果見表6所示,灰巖破碎料瀝青混凝土空氣中抗壓強度為1.26MPa,在60℃的水中浸泡48h后,試件的抗壓強度為1.17MPa,水穩定系數為0.93;大理巖巖破碎料瀝青混凝土空氣中抗壓強度為1.63MPa,在60℃的水中浸泡48h后,試件的抗壓強度為1.49MPa,水穩定系數為0.91;兩者的水穩定性系數均大于規范要求的0.90,并且相差不大,這表明大理巖破碎后作為瀝青混凝土骨料,經過高溫浸泡以后,強度損失不大。

3.5拉伸和小梁彎曲試驗

拉伸和小梁彎曲試驗應力—應變曲線見圖2和圖3。從圖2中可以看出破碎大理巖配制的瀝青混凝土拉伸強度為0.5MPa,小于破碎灰巖配制的瀝青混凝土抗拉強度,但是承受的抗變形能力高于破碎灰巖配制的瀝青混凝土。從圖3中可以看出破碎大理巖配制的瀝青混凝土抗彎強度為2.4MPa,高出破碎灰巖抗彎強度約0.9MPa,這也表明破碎大理巖在試驗溫度10℃的低溫條件下柔性、與骨料的膠結性能均略強于破碎灰巖骨料配制的瀝青混凝土。

3.6靜力三軸試驗

靜力三軸試驗莫爾應力圓試驗結果見圖4和圖5。由圖4、5可知,破碎大理巖骨料配制的瀝青混凝土的粘聚力和內摩擦角分別為459kPa和28.3°,比破碎灰巖骨料配制的瀝青混凝土低6.0kPa和0.7°。一方面是由于在不同的圍壓作用下,破碎粗骨料咬合嵌擠,粗骨料之間的咬合力相對提高,楊耀輝[3]等研究發現,瀝青混凝土力學性能的提高,主要與骨料粒形和表面粗糙度有關,破碎礫石骨料配制的瀝青混凝土抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、水穩定系數分別提高了19%、36%、26%和10%左右,粘聚力和內摩擦角分別提高了171kPa和2.1°。試驗結果也表面了2種骨料配制瀝青混凝土靜三軸力學性能差別不明顯,均能滿足規范要求。

4結語

1)通過試驗研究發現,破碎大理巖配制的瀝青混凝土抗拉強度低于破碎灰巖0.5MPa,抗壓和抗彎強度分別高出破碎灰巖0.41MPa和0.9MPa,粘聚力和內摩擦角低于破碎灰巖6.0kPa和0.7°,力學性能差別不明顯。說明以破碎大理巖配制瀝青混凝土是完全可行的,且力學性能均滿足規范要求。2)大理巖碎石主要礦物成分為方解石,粘附性為5級,使用其配制的瀝青混凝土單軸抗壓強度和抗彎強度有一定的提高。

參考文獻:

[1]岳躍真,郝巨濤,孫志恒等.水工瀝青混凝土防滲技術[M].北京:化學工業出版社,2007.

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[3]楊耀輝,蔡寶柱,何建新等.天然礫石與大理巖礦料對瀝青混凝土性能的影響[J].新疆農業大學學報2017,40(3):229-234.

[4]王德輝.粗骨料對自密實混凝土工作性能的影響[J].重慶建筑,2010(5):20-23.

[5]潘琨.針片狀粗骨料對混凝土性能的影響[J].四川建材,2007(3):5-6.

[6]溫喜廉,歐陽東,李建友.細骨料顆粒形貌特征、顯微及微觀結構研究[J].混凝土,2013(6):62-63.

[7]楊耀輝,何建新,王懷義.心墻瀝青混凝土配制中礫石骨料酸堿性判定方法的探討[J].水電能源科學,2015,33(9);117-120.

[8]朱西超.低溫環境下瀝青混凝土碾壓結合層面性能試驗研究[D].烏魯木齊:新疆農業大學,2014.

[9]楊耀輝.天然礫石骨料界面與瀝青膠漿粘附性能的研究[D].烏魯木齊:新疆農業大學,2015.

作者：仝衛超 單位：新疆水利水電勘測設計研究院地質勘察研究所