淺談土石壩瀝青混凝土心墻材料的冬季施工配合比

陳智淵

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

心墻瀝青混凝土是一種在水利工程中廣泛應用的建筑材料,它具有耐久性好,抗滲性強,施工方便且具有一定的變形能力等特點[1]。由于心墻瀝青混凝土施工質量受工程所在地的氣溫影響較大,特別是在冬季氣溫較低的條件下施工一定要做好防寒保溫等措施來保證心墻的施工質量。特別在西北寒冷地區,一年中冬季時間較大,大部分時間內氣溫在-5℃以下,平均氣溫達到-15℃,冬季施工質量就顯得尤為重要[2]。冶勒水利工程冬季施工開創了我國心墻瀝青混凝土在零度以下施工的先河,為冬季施工提供工程經驗[3]。張慶春對庫什塔依水利工程冬季施工心墻瀝青混凝土的壓實度、分離度、上下層結合面的滲透性及力學性能進行研究,可知心墻瀝青混凝土的各項性能指標都滿足設計要求[4]。何建新等通過3種不同施工工藝對心墻瀝青混凝土冬季施工結合面質量進行研究,得出采用高溫熱骨料加熱的方法施工結合面的質量最好[5]。馬敬等對照壁山水庫冬季施工層間采用涂刷冷底油的方法,待瀝青混凝土表面溫度降至110℃～120℃時層間結合最好[6]。心墻瀝青混凝土冬季施工方法及溫控措施方面研究比較深入,而冬季施工配合比方面的研究較少,本文從配合比的方面入手選擇適合冬季施工的心墻瀝青混凝土配合比,對于保證施工質量,提高工程效益具有十分重要的意義。

2 常溫下瀝青混凝土配合比

2.1 原材料

瀝青混凝土的原材料包括粗、細骨料,填料及瀝青。粗、細骨料是由質地堅硬的堿性巖石破碎制成,骨料最大粒徑為19 mm；填料選用礦粉,由磨粉機加工而成,粒徑＜0.075 mm；選用克拉瑪依石化公司生產的90號瀝青；各種原材料技術性能指標均滿足規范要求[7],可用于心墻瀝青混凝土中。

2.2 配合比設計

心墻瀝青混凝土配合比設計主要是確定礦料級配和瀝青用量,而礦料級配在配合比設計中更為關鍵[8]。采用丁樸榮級配公式計算礦料級配時,可選用3～4種填料用量和2～3級配指數進行計算,對于每種礦料級配選取4～5種油石比進行配合比試驗。參照已建工程經驗并結合本次試驗原材料的實際情況,選取級配指數為0.35、0.38、0.41、0.44,填料用量為11%、13%、15%,油石比為6.2%、6.5%、6.8%、7.1%、7.4%,共組成60種配合比。在相同的試驗條件下每種配合比制備3個馬歇爾試件測定其密度和孔隙率,并進行劈裂抗拉試驗,分析各個參數對混凝土性能影響。

2.3 試驗結果分析

2.3.1 級配指數對瀝青混凝土性能影響

在骨料最大粒徑Dmax=19 mm,初選填料用量=13%,油石比=6.8%不變的情況下分析不同級配指數對孔隙率和間接拉伸強度的影響,見圖1、圖2。4組瀝青混凝土的孔隙率都＜2%,滿足規范要求,當級配指數為0.38時孔隙率最小為1.39%；間接拉伸強度在0.46 MPa～0.52 MPa之間隨著級配指數的增加呈增長趨勢。

圖1 級配指數與孔隙率關系

圖2 級配指數與間接拉伸強度關系

2.3.2 填料用量對瀝青混凝土性能影響

根據不同級配指數的配合比試驗結果,選擇瀝青混凝土礦料級配指數為0.38,填料用量為11%、13%、15%,油石比為6.8%的配合比試驗結果,分析填料用量對孔隙率和間接拉伸強度的影響,見圖3、圖4。當填料用量為11%時,孔隙率為2.11%超出了規范＜2%的要求,且隨著填料用量的增加孔隙率逐漸減??；隨著填料用量的增加間接拉伸強度先減小后增大,且填料用量為13%時,間接拉伸強度最小為0.47 MPa。

圖4 填料用量與間接拉伸強度關系

2.3.3 油石比對瀝青混凝土性能影響

根據瀝青混凝土不同級配指數和不同填料用量的配合比試驗結果選擇級配指數為0.38,填料用量為13%時,分別取油石比為6.2%、6.5%、6.8%、7.1%、7.4%時的配合比試驗結果分析不同油石比對孔隙率和間接拉伸強度的影響,見圖5、圖6。當油石比為6.2%時,孔隙率為2.54%遠超規范＜2%的要求,隨著油石比的增加孔隙率呈減小趨勢,在油石比為7.1%時孔隙率最小,為1.27%；間接拉伸強度在0.47 MPa～0.57 MPa范圍內隨著油石比的增加先減小后增大,在油石比為6.8%時間接拉伸強度最小,為0.47 MPa。

圖5 油石比與孔隙率關系

圖6 油石比與間接拉伸強度關系

根據上述配合比試驗結果,并從瀝青混凝土防滲、變形、強度以及施工安全的角度出發初步推薦常溫下配合比參數分別為：級配指數=0.38,填料用量=13%,油石比=7.1%。

3 冬季條件下瀝青混凝土配合比

3.1 冬季施工配合比初選

根據常溫條件下瀝青混凝土配合比試驗結果,選擇骨料最大粒徑Dmax=19 mm,級配指數=0.38,填料用量=13%,在此基礎上選取7.0%、7.3%、7.6%、7.9%、8.2%、8.5%六個不同油石比,制備瀝青混凝土試件測定其密度、孔隙率、間接拉伸強度及位移,初步推薦冬季施工配合比參數,試驗結果見表1和圖7～圖9。結果可知：孔隙率隨著油石比的增加呈下降趨勢,當油石比=7.0%時,孔隙率為2.42%,不滿足規范要求,其余5組都小于2%滿足規范要求,當油石比=7.9%時,孔隙率最小,為0.94%；隨著油石比的增加間接拉伸強度呈下降趨勢,在油石比為7.6%～8.2%之間間接拉伸強度下降不明顯；隨著油石比的增加間接拉伸位移呈先增大后減小再增大的趨勢；當油石比為7.9%和8.2%時,孔隙率較小在1%左右,間接拉伸強度和位移適中。綜合考慮冬季施工瀝青混凝土的強度、變形及防滲性要求,以及從施工安全與經濟的角度出發并參考以往工程經驗推薦本次試驗冬季施工配合比編號D4,即級配指數=0.38,填料用量=13%,油石比=7.9%。

表1 冬季瀝青混凝土配合比試驗結果

圖7 油石比與孔隙率關系

圖8 油石比與間接拉伸強度關系

圖9 油石比與間接拉伸位移關系

3.2 室內模擬冬季施工工況

對初步選取的冬季施工配合比在室內進行-20℃工況下冬季施工模擬試驗,進一步驗證上下兩層瀝青混凝土的層間防滲性與力學性能。

模擬試驗方法：上下兩層瀝青混凝土尺寸為50 cm×50 cm×10 cm,采用擊實的方法成型,試件孔隙率控制在≤3%。先將下層混凝土制備完成后放在恒溫箱中冷卻,待溫度達到-20℃時恒溫8 h。下層瀝青混凝土拌合溫度控制在170℃左右,擊實溫度控制在150℃左右。待下層試件冷卻完成后取出用噴槍對表面進行加熱至80℃左右時鋪筑上層瀝青混凝土并用帆布覆蓋,表面以下3 cm處溫度下降至150℃時開始擊實,擊實成型后放在恒溫室中冷卻降溫,觀察上下層結合面的粘結情況,并進行防滲性和力學性能檢測。

鉆取結合層面處芯樣進行滲透試驗和直剪試驗,試驗結果見表2。結果可知：3個試件孔隙率都小于3%,滿足規范對瀝青混凝土芯樣的要求；3個試件在50 m水頭作用下均沒有出現滲水現象,說明上下層瀝青混凝土結合良好,所選配合比模擬冬季工況下的瀝青混凝土試件結合面滿足防滲性要求；結合面處剪應力為0.259 MPa,非結合面處剪應力為0.298 MPa,相差0.039 MPa,相差不明顯,剪應力比為86.9%,說明D4號配合比模擬冬季工況下的瀝青混凝土試件上下層結合良好。而在實際的工程施工中,每層攤鋪的熱瀝青混合料質量更多,體積更大,一般心墻每層攤鋪寬度在50 cm～100 cm,厚度20 cm～30 cm,沿壩軸線攤鋪距離很長,使得其熱量更多,散熱速度比試驗時更慢,只要在施工過程中嚴格控制攤鋪溫度,選擇合理的施工方法及時覆蓋保溫,冬季施工心墻瀝青混凝土質量就能夠得到保障。因此,在本次試驗范圍內冬季施工條件下的心墻瀝青混凝土配合比參數：級配指數為0.38,填料用量為13%,油石比為7.9%。

表2 冬季瀝青混凝土結合面性能試驗結果

4 結論

在常溫條件下的瀝青混凝土配合比基礎上,通過改變油石比的用量,初步選定了冬季施工配合比,并在室內模擬-20℃時冬季施工工況,驗證配合比的可行性,結果可知：冬季施工瀝青混凝土配合比中瀝青用量較多,上下層瀝青混凝土結合良好,結合面處芯樣試件的孔隙率、抗滲性滿足要求,結合面處芯樣試件的抗剪強度是非結合面芯樣試件抗剪強度的86.9%。