粗骨料最大粒徑對心墻瀝青混凝土力學性能影響研究

王麗峰

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,烏魯木齊 830000)

0 引 言

瀝青混凝土本身具有極好的防滲性能、超強的適應變形的能力和一定的自愈能力而被廣泛應用于土石壩瀝青混凝土心墻材料中,目前正在設計和修建的這種壩型也非常多[1-2]。在《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》SL501-2010中規定粗骨料最大粒徑≤19mm[3],該規定主要根據道路瀝青混凝土路面設計思想,在一般市政道路中瀝青混凝土面層厚度一般約為10cm,面層較薄,骨料粒徑不宜過大,而在心墻瀝青混凝土中心墻的厚度是根據壩高確定的都在幾十米以上,每層的鋪筑厚度也在30cm左右,能否適當提高骨料粒徑需要進一步試驗研究。提高瀝青混凝土中粗骨料的最大粒徑,既可以提高骨料的利用率又可以降低瀝青混凝土中瀝青的用量,很好的起到了降低工程成本的作用。何建新等設計了粗骨料最大粒徑為31.5mm的澆注式心墻瀝青混凝土配合比,試驗結果表明,粗骨料最大粒徑對澆筑式心墻瀝青混凝土的力學性能影響不大[4];楊曉征研究了粗骨料最大粒徑對澆注式心墻瀝青混凝土材料的性能影響,結果表明,粗骨料最大粒徑為31.5mm的澆筑式心墻瀝青混凝土的各項性能指標均能滿足規范要求[5];倫聚斌通過心墻瀝青混凝土力學性能試驗分析骨料最大粒徑對其抗剪性能影響。可知:骨料粒徑越大心墻瀝青混凝土在發生剪切破壞時的應變越大,破壞面的角度也越大[6];應榮華等通過平面有限元的方法很好的解釋了瀝青混凝土抗裂性能于骨料粒徑的關系,即骨料粒徑越大其抗裂性能越好[7];楊志豪分析了大粒徑水工瀝青混凝土離析特性,結果表明,骨料最大粒徑對所配制的瀝青混合料離析的影響最大,溫度影響次之,瀝青用量變幅影響最小[8];王中良等通過綜合極差分析、瀝青薄膜厚度對比分析以及PPR單因素分析方法優選出骨料最大粒徑為42mm瀝青混凝土配合比[9]。文章通過配合比試驗優選出粗骨料最大粒徑為315mm和19mm的兩組心墻瀝青混凝土配合比參數,制備相應的試件進行試驗,分析其力學性能差異,為大粒徑骨料應用于心墻瀝青混凝土中的研究提供參考依據。

1 原材料及最優配合比

本次試驗范圍內選用的原材料主要有礦料和瀝青。礦料中的粗骨料是由堿性的巖石破碎加工而成,粒徑為236～315mm,細骨料是由堿性巖石破碎加工制成的人工砂,粒徑為0.075～2.36mm,填料選用石粉,粒徑<0.075mm;瀝青選用克拉瑪依AH-70號瀝青,對各種原材料的技術性能指標進行了整理,粗骨料性能試驗成果,見表1;細骨料性能試驗成果,見表2;填料性能試驗成果,見表3;瀝青性能試驗成果,見表4。

表1 粗骨料性能試驗成果

表2 細骨料性能試驗成果

表3 填料性能試驗成果

表4 瀝青性能試驗成果

由檢測結果可知:粗、細骨料質地堅硬,性能優良,與瀝青黏附性較好。填料及瀝青各項技術指標均滿足規范要求,因此,該原材料可以制備心墻瀝青混凝土。

心墻瀝青混凝土的礦料級配設計采用丁樸榮教授提出的最大密實度理論公式計算,以級配指數、填料用量、瀝青用量為影響因素,孔隙率、馬歇爾穩定度及流值和間接拉伸強度為考核標,采用極差方差分析方法優選出骨料最大粒徑不同的兩組最優配合比參數,見表5。

表5 心墻瀝青混凝土配合比參數

2 試驗結果與分析

嚴格按照上述兩組瀝青混凝土配合比制備相應的試件,并參照《水工瀝青混凝土試驗規程》DL/T5362-2018中規定[10]進行滲透試驗、水穩定性試驗、拉伸試驗、小梁彎曲試驗對比兩組試驗結果,分析粗骨料最大粒徑對心墻瀝青混凝土力學能的影響。

2.1 滲透試驗結果及分析

滲透試驗結果,見表6。由表6結果可以看出:骨料最大粒徑為19mm和31.5mm的瀝青混凝土滲透系數分別為5.33×10-9cm/s和6.82×10-9cm/s,差值為1.49×10-9cm/s,相對差值28.0%,相差較明顯,但均<1.0×10-8cm/s滿足規范要求。這說明兩組瀝青混凝土級配良好,瀝青膠漿能夠充分的填充細骨料和粗骨料之間的空隙,使得水很難進入瀝青混凝土試件內部,從而達到防滲的效果。

表6 滲透試驗結果

2.2 水穩定性試驗結果及分析

水穩定性試驗結果,見表7。由表7可知:骨料最大粒徑為19mm和31.5mm的瀝青混凝土水穩定性系數分別為0.94和0.93,相對差值為1.1%,相差不明顯且均滿足規范≥0.9的要求,這說明粗骨料最大粒徑對心墻瀝青混凝土水穩定性能影響不明顯。根據相關研究結果表明,瀝青用量>5.5%時,粗骨料就會被一層瀝青膜包裹[11],即使心墻瀝青混凝土試件中存在較大的孔隙,其水穩定性也依舊良好。

表7 水穩定性試驗結果

2.3 拉伸試驗結果及分析

拉伸試驗結果,見表8。由表8可知:骨料最大粒徑為19mm和31.5mm的兩組瀝青混凝土抗拉強度分別為0.51MPa和0.21MPa,差值為0.30MPa,相差58.8%,相差明顯。這是因為瀝青混凝土在拉伸試驗過程中主要是由粗骨料與結構瀝青的黏結力在起作用,而骨料與瀝青的接觸面為薄弱面容易破壞。在同樣的心墻瀝青混凝土試件中,粗骨料粒徑越大,薄弱面所占的比例相對越高,表現為心墻瀝青混凝土的抗拉強度就越小,因此心墻瀝青混凝土的抗拉強度隨著粗骨料粒徑的增大而減小。

表8 拉伸試驗結果

3.4 小梁彎曲試驗結果及分析

小梁彎曲試驗結果,見表9。由表9試驗結果表明:骨料最大粒徑為19mm和31.5mm的瀝青混凝土試件抗彎強度分別為1.92MPa和1.32MPa,相差0.60MPa,相對差值為31.2%,相差明顯;最大彎拉應變分別為2.20%和1.75%,相對差值為20.5%,相差較明顯,但均滿足規范抗彎強度≥0.4MPa和最大彎拉應變≥1%的要求。這說明骨料最大粒徑為31.5mm的心墻瀝青混凝土抵抗彎曲破壞的能力比較差。因為在心墻瀝青混凝土試件中粗骨料與瀝青的黏結力主要是由結構瀝青在起作用,而粗骨料粒徑越大比表面積越小,粗骨料表面的結構瀝青就越少,具體表現為抵抗彎曲破壞的能力較差。

表9 小梁彎曲試驗結果

3 結 論

對比分析粗骨料最大粒徑為19mm和31.5mm兩組心墻瀝青混凝土的力學性能,主要得出以下結論:

1)粗骨料最大粒徑為31.5mm的瀝青混凝土滲透系數較大,但小于規范規定,抗滲性能滿足要求。

2)由于心墻瀝青混凝土中瀝青用量較多,粗骨料被一層厚厚的瀝青膜包裹,使得水穩定性能變化不大。

3)粗骨料最大粒徑為31.5mm的心墻瀝青混.凝土抗拉強度和抗彎強度較小,主要因.為粗骨.料與瀝青的黏結力比較小,抵抗拉伸與彎曲破壞能力較差。