新疆KSTH水庫工程瀝青心墻混凝土配合比試驗研究

何喬意

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，烏魯木齊 830000）

瀝青混凝土具有抗滲性能高、抵抗變形能力好、施工周期短等特點［1］，普遍應用在新疆北疆地區，本文以博樂市KSTH 水庫為研究對象， 通過開展瀝青混凝土心墻配合比試驗， 選出孔隙率、 劈裂抗壓強度、穩定度及流值等指標較優的組合，作為工程的推薦配合比。

1 項目概況

博樂市KSTH 水庫工程項目從博爾塔拉河中游河段已建新布哈渠首上引水，由水庫引水渠、水源水庫工程和供水管道工程組成。KSTH 水庫是調蓄水庫工程，設計庫容1973 萬m3。新疆KSTH 水庫工程是調蓄水庫工程主要承擔向博樂市以西規劃1626.67 hm2生態林及博樂市城市綠化供水任務。

2 瀝青混凝土心墻配合比設計

2.1 原材料選擇

瀝青原材采用的是克拉瑪依90 號道路石油瀝青。骨料采用當地較好的堿性灰巖料場經軋制、篩分后的開采料，骨料均質地堅硬、新鮮，在加熱過程中未出現開裂、分解等現象。碾壓式瀝青混凝土心墻壩中骨料宜采用堿性巖石破碎料， 且骨料最大粒徑不宜大于19 mm。堿性巖石粗骨料與瀝青的黏附性好，在長期與水接觸中，其水穩定性較好，所檢測項目能滿足SL501—2010 《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》［2］骨料的技術（質量）要求。填料主要采用石灰巖粉、白云巖粉等堿性巖石加工的石粉，普通硅酸鹽水泥也可以作為填料， 因為它本身是一種抗剝離劑，可以改善酸性骨料與瀝青的黏結力，本次的填料選用當地生產的P.O 42.5 普硅水泥。原材料確定后對瀝青和同一骨料進行瀝青混凝土配合比試驗研究。

2.2 瀝青混凝土配合比設計

根據規定［3-5］，并參考國內一些瀝青混凝土心墻壩的經驗， 初步擬定新疆KSTH 水庫工程碾壓式瀝青混凝土心墻對瀝青混凝土主要技術性能指標列于表1。

表1 碾壓式瀝青混凝土的主要技術指標

2.3 配合比試驗方案設計及試驗結果

根據不同的級配指數、填料用量和瀝青含量，水利工程中的瀝青混凝土配合比需進行設計， 通過優選選擇孔隙率、馬歇爾穩定度、流值、劈裂強度、三軸、小梁彎曲等多方面的性能指標，以達到綜合性能優秀的目的。由于完全試驗的組數較多，本次試驗采用正交設計試驗方案， 利用正交表科學地安排與分析多因素試驗的方法， 而正交表具有正交性、 均勻分散性和綜合可比性等特點， 能夠反映各因素和不同水平對試驗結果的影響， 是最常用的試驗設計方法之一。

本次設計選擇瀝青混凝土配合比的3 個參數：即礦料級配指數（0.36、0.38、0.40、0.42）、填料用量（18%、16%、14%、12%）瀝青用量（7.0%、6.8%、6.6%、6.4%）為影響因素， 每個因素取4 個水平，按L16 （45）正交表安排的試驗方案。根據正交表排列的16 種方案一次只做馬歇爾試件，然后進行孔隙率、馬歇爾穩定度和流值、劈裂抗壓強度等線管試驗。

馬歇爾試驗方法：將試件置于40±1 ℃的恒溫水槽中恒溫30～40 min，同時將馬歇爾穩定度試驗儀的上、下壓頭置于水槽中恒溫，然后將試件直接置于試驗機上，啟動加載試驗設備，以50±5 mm/min 速率加載，在荷載達到最大值開始減小的瞬間自動停機，分別讀取壓力值和位移值。 從水槽中取出試件起至試驗結束，時間不應超過30 s。荷載測定裝置讀取的最大荷載即為試樣的穩定度，精確至0.01 kN；由穩定度流值計或位移傳感器測定裝置讀取的試件變形量，即為試件的流值，精確至0.1 mm。

劈裂試驗方法：將試件在常溫下放置24 h 后，再置于5.7 ℃恒溫室中恒溫不少于4 h，然后將試件放置于萬能試驗機中， 啟動加載試驗設備， 以50 mm/min加載速率加載， 當荷載達到最大值開始減小停止加載，記錄最大荷載PT(N) ，并計算得到劈裂抗壓強度RT(MPa)。計算公式如下：

式中RT 為劈裂強度（MPa）；PT 為試驗最大值（N）；h為試件高度（mm）。

在瀝青混凝土初步配合比選定試驗中以孔隙率、馬歇爾穩定度和流值、劈裂抗壓強度為考核指標，選出滿足工程要求的配合比。具體試驗成果如表2。

表2 瀝青混凝土配合比試驗成果

2.4 極差方差分析

2.4.1 瀝青含量的影響

孔隙率隨著瀝青含量的增加呈逐漸減小趨勢；劈裂抗壓強度隨著瀝青含量的增加呈逐漸減小趨勢，當瀝青含量達到6.8%后，對劈裂抗壓強度影響減緩；瀝青含量為6.8%時穩定度最大；流值隨著瀝青含量的增加而增大。綜合各個考核指標來看，瀝青含量為6.8～7.0%時較好。

2.4.2 級配指數的影響

孔隙率隨著級配指數的增加呈先增大后減小趨勢，級配指數為0.38 時孔隙率最小；劈裂抗壓強度隨著級配指數的增加呈逐漸增大趨勢， 級配指數為0.42 時劈裂抗壓強度最大；隨著級配指數的增加，穩定度先減小后增大， 級配指數為0.38 時穩定度最小；級配指數為0.40 時流值較大；綜合各個考核指標，級配指數為0.40 和0.38 較為穩定。

2.4.3 填料用量的影響

孔隙率隨著填料用量減小而逐漸減小， 填料用量為12%～15%時孔隙率相差不大；劈裂抗壓強度隨著填料用量的減小呈先增大后減小趨勢； 隨著填料用量的減小， 穩定度先減小后增大， 最終又逐漸減小，12%～14%的填料用量穩定度試驗結果較為穩定；流值隨著填料用量的減小而減小；綜合各個考核指標來看，填料用量為12%時各項檢測指標更為穩定。

通過對各因素水平的綜合分析， 得出較好的配合比方案：瀝青含量6.8%、級配指數0.38、填料用量12%。即為正交方案中試驗標號為10 號的瀝青混凝土配合比。

2.5 推薦配合比的瀝青混凝土各項性能試驗

對初定的16 個瀝青混凝土配合比，進行配合比選擇試驗，根據試驗得到的瀝青混凝土的孔隙率、馬歇爾、流值、劈裂強度，對于KSTH 水庫工程，從防滲、變形、抗震、強度、施工、耐久性和經濟性等考慮，初選出一個綜合性能最優的10 號配合比為了驗證所選的配合比是否能夠滿足設計要求， 對該試驗編號為10 號的瀝青配合比進行瀝青混凝土壓縮試驗、瀝青混凝土水穩定性試驗、瀝青混凝土拉伸試驗、瀝青混凝土小梁彎曲試驗、瀝青混凝土拉伸試驗、瀝青混凝土滲透試驗、 瀝青混凝土靜三軸試驗等多項試驗。通過驗證，所選配合比的各項物理力學性能能夠滿足設計要求。試驗結果如表3。

表3 推薦配合比瀝青混凝土主要性能試驗結果匯總

3 結語

（1）本文結合新疆KSTH 水庫瀝青心墻混凝土配合比試驗研究， 研究結果表明瀝青含量為6.8%～7.0%、級配置數為0.40 和0.38、填料用量為12%時在可獲得孔隙率、劈裂抗壓強度、穩定度及流值等較優的指標參數。 本文推薦的配合比方案： 瀝青含量6.8%、級配指數0.38、填料用量12%。即為正交方案中試驗標號為10 號的瀝青混凝土配合比。

（2）對于本次瀝青混凝土配合比設計，冬季施工時考慮在推薦配合比的基礎上增大油石比用量至8%，并同時開展現場碾壓試驗進一步調整實用適用的施工配合比。 建議心墻冬季施工過程溫度控制標準為：拌和系統預熱溫度110～120 ℃［6］；瀝青加熱溫度在160～170 ℃；骨料加熱溫度180±10 ℃；拌和時間為先投骨料和礦粉干拌15 s， 再噴灑瀝青濕拌45 s；出機口溫度170±5 ℃； 運輸過程溫度損失15±2 ℃；入倉溫度150～160 ℃；初碾溫度140～150 ℃；終碾溫度110～125 ℃；層間溫度70～80 ℃；無損檢測時表層溫度90 ℃以下；取芯樣時表面溫度接近自然溫度。