基于水穩定性綜合分析的瀝青混凝土配合比試驗研究

陳曉佳

(塔城地區水利水電勘察設計院，新疆 塔城 834700)

0 引 言

隨著水利工程建設技術的發展和進步，碾壓瀝青混凝土壩成為水利工程中的重要壩型。在碾壓式瀝青混凝土大壩設計及施工中，其基本要求是良好的防滲、抗變形、抗裂以及耐久性[1]。其中，水穩定性是耐久性研究的重要環節。瀝青混凝土的使用過程中，會受到水和外力的綜合作用，從而造成骨料和瀝青的剝離現象，從而使瀝青混凝土結構造成整體性結構破壞[2]。水穩定性破壞是瀝青混凝土大壩最為常見的破壞現象，這種破壞的原因比較復雜，材料性質、黏附程度、孔隙率以及拌合條件均會對水文性性質造成顯著影響[3]。因此，瀝青混凝土的水穩定性研究成為廣大學者關注的研究的重要領域。在這方面，國外研究開始較早，在上世紀初，Hveen就通過研究認為瀝青與骨料的黏結性是瀝青混凝土水穩定性的重要影響因素，在水的作用下，瀝青和骨料的黏附以及瀝青本身的內聚力會不斷減弱[4]。在國內，關于瀝青混凝土的黏附性問題，主要是同濟大學、東南大學和長安大學研究較多，并取得了一系列重要的研究成果。劉紅瑛通過灰關聯熵分析研究了影響瀝青混合料的水穩定性的主要因素為瀝青的酸值和瀝青的黏度，以及石料的堿值和石料的比表面積[5]。何建新等則研究了水泥填料對心墻混凝土長期水穩定性的影響展開研究，認為用水泥替代部分石灰石粉作填料可有效改善心墻瀝青混凝土的長期水穩定性[6]。當然，在具體的工程實踐中，由于地域空間等諸多因素的限制，工程材料，特別是粗骨料的選取空間極為有限。因此，通過合理選擇配比與控制施工質量來提高瀝青混凝土的水穩定性就顯得尤為重要。文章利用正交試驗的方法，研究瀝青混凝土配合比參數對孔隙率、應變和強度指標的影響，并根據試驗結果獲得最佳配合比，試圖為瀝青混凝土配合比設計和應用提供有益借鑒。

1 試驗的材料與設計

1.1 試驗材料

試驗用基質瀝青為遼河石化90號A級瀝青，按照《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》對其進行檢測，結果顯示其各項技術指標均符合要求，可以作為后續的溫拌瀝青混凝土試驗的基質瀝青。

試驗用瀝青混凝土粗骨料和細骨料為研究對象工程的骨料。性能鑒定試驗結果顯示，選用的粗骨料為石灰巖巖質，堿性，質地堅硬，在加熱至最高拌合溫度過程中沒有出現開裂和分解現象，同時與瀝青之間具有良好的黏附力，堅固性好，滿足《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》對粗骨料的技術要求。

試驗用填料為研究對象工程用石灰巖礦粉，對其進行的密度、含水率、親水系數以及級配篩分試驗結果均滿足相關規范要求，可以用于本次試驗研究。

1.2 試驗方案

在水工瀝青混凝土配合比設計中，級配指數、填料用量以及油石比是最重要的影響因素[7]。因此，研究中利用正交試驗的方法來研究上述三個配合比參數對瀝青混凝土性能的影響。根據相關研究結論和工程經驗，選取級配指數、填料用量以及油石比三個因素的不同水平，獲得如表1所示的正交試驗設計表[8]。

表1 正交試驗設計表

1.3 試驗過程

按照上節設計的正交試驗方案，每種方案制作6個試件，共9組，54個試件。試件制作的模具為內徑100mm，高100mm的圓柱形鋼模。試驗過程中將模具清理干凈，放在烘箱內加熱后，在其內側涂刷一層脫模劑，然后將按照試驗設計標準制備的瀝青混合料倒入模具，并插搗密實。試件按層高50mm分上下兩層單面擊實，再自然冷卻至常溫后脫模。脫模后的試件在常溫下靜置24h，然后將每組方案的6個試件分成兩組，分別在空氣條件和水浴條件下進行孔隙率、應變和抗壓強度試驗，將3個試件的試驗數據的均值作為每種試驗方案的最終試驗結果。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

對正交試驗設計中的9組54個試件，分兩組分別在空氣條件和水浴條件下進行水穩定試驗，結果如表2所示。由表中的試驗數據可知，無論空氣條件下還是水浴條件下，試件的抗壓強度和應變的變化大致呈相反的趨勢，也就是試件的抗壓強度大時應變較小，而抗壓強度小時應變較大。此外，無論是空氣條件還是水浴條件，在方案1下，試件的抗壓強度最大，同時應變最小。

表2 水穩定性試驗結果

2.2 水穩定性系數分析

綜合空氣條件和水浴條件下的試驗結果，利用如下公式進行水穩定性系數計算，試驗結果如表3所示。

(1)

式中：kw為瀝青混凝土水穩定性系數；R2為水浴條件下試件的抗壓強度，MPa；R1為空氣條件下試件抗壓強度均值，MPa。

由計算結果可知，所有9組試驗的試件水穩定性系數均>1，因此都滿族規范的要求。同時，水穩定性系數越大，表明試件的浸水后抗壓強度值增加的幅度越大。

表3 試驗水穩定性系數計算結果

方差法可以估計多因素試驗過程中各因素之間的交互作用的主次顯著性，從而給出結論的置信度。對上表中的試驗結果進行方差分析，結果如表4所示。由計算結果可知，級配系數對水穩定性系數的影響最為顯著，而其余兩個因素對水穩定性系數的影響并不顯著。

表4 水穩定性系數方差分析結果

2.3 水穩定性因素綜合分析

瀝青混凝土屬于柔性混凝土，具有良好的防滲作用。鑒于應變對瀝青混凝土的防滲性能具有重要影響。因此在水穩定性研究中應該充分考慮應變的影響。傳統的水穩定性評價指標為水穩定性系數，本質上是應力系數，沒有將應變指標考慮進去。本節通過考慮應變的影響，提出水穩定綜合系數的概念，計算公式如下：

Z=w1X+w2Y

(2)

式中：Z為瀝青混凝土水穩定綜合系數；X為瀝青混凝土應變系數，為水浴和空氣條件下應變值之比；Y為應力系數，也就是上節的水穩定系數；w1、w2分別為應變系數和應力系數權重。

按照變異系數法確定應變系數權重和應力系數的權重值，分別為0.585和0.415。結合原始數據，對水穩定綜合系數進行計算，結果如表5所示。由表中的結果可知，從應變系數，也就是原始的水穩定系數值來看，方案9的綜合評分最高，但是該方案主要是由于應變系數值較高，因此拉高了綜合指標值。從兩種評價指標的具體數值來看，方案4的比較穩定，無論是水穩定系數(應變系數)還是水穩定綜合系數，均呈現出上升趨勢且位于峰值范圍之內，因此水穩定性最好。綜合以上分析，認為方案4，也就是級配指數0.38、填料用料12%、油石比6.8%的配合比參數設計為最佳方案。

表5 水穩定綜合系數計算結果

3 結 論

本次研究通過正交試驗方式，利用實驗室試驗的方法研究了級配指數、填料用量以及油石比等三個主要的配合比參數對瀝青混凝土水穩定性的影響，并獲得如下主要結論：

1)無論空氣條件下還是水浴條件下，試件的抗壓強度和應變的變化大致呈相反的趨勢，與相關研究成果一致。

2)所有試驗的試件水穩定性系數均>1，都滿族規范的要求，對水穩定系數影響最大的參數是級配指數。

3)在考慮應變影響的基礎上提出水穩定綜合系數，根據計算結果，綜合系數和水穩定系數的變化趨勢總體相近；綜合考慮兩種計算成果嗎，認為方案4，也就是級配指數0.38、填料用料12%、油石比6.8%的配合比參數設計為最佳方案。