超大粒徑瀝青混凝土配合比設計方法探討

王中良，楊 麗，翁雨薇

(1.四川省紅魚洞水庫建設管理局，四川 巴中 636600；2. 四川水利職業(yè)技術學院，四川 成都 611231；3. 中國葛洲壩集團市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

碾壓式瀝青混凝土心墻具有較好的防滲性能、良好的抗震性能、適應變性能力和力學性能等優(yōu)點[1- 5]，在土石壩壩型的選擇中占據(jù)著主導地位。在施工過程中配合比的設計極為重要，對骨料的級配要求嚴格。瀝青混凝土的配合比設計與試驗的最終目標是確定級配指數(shù)、瀝青摻量及礦粉用量。各個標準參數(shù)的合理選擇，可以使瀝青混凝土內部的孔隙達到最小，并且使各骨料能夠均勻的被瀝青包裹，從而使得配制的瀝青混凝土綜合技術性能達到最優(yōu)的狀態(tài)[5- 7]。

針對瀝青混凝土的最大粒徑而言，規(guī)范[8]中有明確的定義：工程中常采用的骨料最大粒徑不宜大于19mm。賀傳卿、何建新[9]等通過正交試驗的方法分析了各因素對瀝青混凝土孔隙率、穩(wěn)定度、流值影響結果，并對優(yōu)選的配合比進行了相關力學性能試驗，為瀝青混凝土配合比設計提供了可靠理論依據(jù)；白傳貞、何建新[10]研究表明：自由瀝青的多少是其性能的最主要的原因，瀝青用量過大將會造成強度下降，同時變形性能增強；閆小虎、姚新華[11]等研究表明：固定填料用量與骨料級配指數(shù)不變的情況下，瀝青混凝土的孔隙率隨著瀝青含量增大而減小，馬歇爾穩(wěn)定度隨瀝青含量的增大而減小，流值隨瀝青含量的增大而增大；保持瀝青含量及填料用量的不變，級配指數(shù)在0.4～0.5之間變化時，瀝青混凝土的孔隙率隨級配指數(shù)的增大而增大。近年來，施工技術、建筑材料(尤其是瀝青品質)與機械設備取得了長足進步與發(fā)展。但在瀝青混凝土心墻壩的施工中，瀝青心墻的施工較為緩慢，耗費時間較長，若能提高骨料的最大粒徑，那么在施工中可使瀝青用量減小、攤鋪厚度增加、建設工期縮短、工程造價降低，以達到快速、安全、穩(wěn)定、經濟的施工方式。

對于水工瀝青混凝土，骨料最大粒徑保持在19mm已不是最為理想的方式，提高骨料粒徑對瀝青混凝土而言，首要任務是確定配合比參數(shù)。因此，本文進行骨料最大粒徑為42mm的瀝青混凝土配合比試驗研究，探討骨料增大后的超大粒徑瀝青混凝土的各項性能，得出了對實際工程具有指導意義的成果。

1 材料與配合比設計參數(shù)

1.1 試驗材料

本次試驗選用的瀝青材料為克拉瑪依90A[12]，經檢測瀝青的樣品的技術性能指標見表1。

粗骨料采用某工程現(xiàn)場制備的粒徑為2.36～42mm的灰?guī)r骨料，骨料最大粒徑控制在Dmax=42mm。骨料各項性能指標見表2。

表2 粗骨料的技術性能

試驗所用細骨料(粒徑0.075～2.36mm)為灰?guī)r骨料破碎的人工砂。人工砂技術性能指標見表3中，細骨料級配良好，滿足規(guī)范要求。

表3 細骨料的技術性能

填料為石灰?guī)r粉。填料技術性能見表4。從表4可以看出，填料質量均滿足規(guī)范要求。

表4 填料技術性能

1.2 配合比設計參數(shù)

在碾壓式瀝青混凝土心墻設計中，對礦料級配指數(shù)選擇多在0.38～0.42之間，SL 501—2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規(guī)范》中推薦級配指數(shù)的多在0.35～0.44的范圍內，根據(jù)本研究的實際，粒徑增大，大于2.36mm粒徑的顆粒將增加，將本次研究的級配指數(shù)的下限值控制在常規(guī)配合比上限值中，下限選擇為0.42，按照以往的規(guī)律進行向上取值，以0.03為梯度，決定初擬級配指數(shù)為0.42、0.45、0.48。

設計規(guī)范中推薦的填料用量范圍為10%～16%；因骨料粒徑的增大，使得級配指數(shù)增加，細骨料用量降低，填料用量也應適當降低，根據(jù)前期的初步研究以及適當降低推薦用量的范圍，將填料用量定為8%、10%、12%。

骨料最大粒徑由19mm增大到42mm后，骨料的比表面積減小，瀝青用量應適當降低，在水工瀝青混凝土適宜的填料濃度下，以常規(guī)配合比的瀝青用量為上限值，以0.3%的瀝青用量作為梯度，向下降低，因此選取瀝青用量為5.2%、5.5%、5.8%、6.1%、6.4%五個水平。

2 試驗方案及配合比優(yōu)選

2.1 試驗方案

采用正交設計進行本次試驗[13]，具體參數(shù)見表5。在瀝青混凝土初步配合比選定試驗中，通過密度、劈裂抗拉強度、穩(wěn)定度和流值以及孔隙率作為考核指標[14]。

表5 因素水平表

2.2 配合比優(yōu)選

通過均勻正交試驗設計15個試驗組，試件成型方法：擊實成型，擊實錘尺寸為φ149.4±0.1mm，下落高度為457.2mm±2.5mm并保證自由下落，錘重量為10210g±10g，制作6個試件，試件尺寸為：φ152.4mm×95.3mm的圓柱體試件。將試件養(yǎng)護后進行各個試驗，試驗結果見表6。

表6 15組配合比試驗結果表

以孔隙率為考核指標，瀝青用量的影響程度最大，級配指數(shù)影響次之，填料用量的影響不顯著，誤差估計值為0.26%；以流值為考核指標，瀝青用量的影響程度最大，級配指數(shù)的影響次之，填料用量影響不顯著，誤差估計值為2.69mm；以穩(wěn)定度為考核指標，瀝青用量的影響程度最大，級配指數(shù)對影響次之，瀝青用量的影響不顯著，誤差估計值為3.5kN；以劈裂抗拉強度為考核指標，瀝青用量的影響程度最大，級配指數(shù)影響次之，填料用量影響不顯著。劈裂抗拉強度實驗誤差值為0.39MPa。

從四個考核指標可以看出：采用大尺寸的馬歇爾穩(wěn)定度和流值是在瀝青混凝土工程中的首次采用，因此缺乏一定的標準，為了和以往的試驗結果進行充分的對比。本次研究參考近幾年已經建設的8座典型工程的配合比設計參數(shù)，見表7，以級配指數(shù)的平均值0.38、填料用量的平均值12.5%、油石比的平均值6.8%作為本次試驗研究使用的配合比，進行各項試驗的試樣成型。

按上述典型配合比分別進行馬歇爾試驗和劈裂抗拉強度試驗，試驗結果見表8。

表7 新疆建設的典型工程設計配合比統(tǒng)計表

表8 兩種試件試驗結果對比表

為進一步探尋42mm骨料對各項性能的影響，采用無假定建模技術(PPR)進行分析[14- 16]，計算方法如下：

設y是因變量，x是p維自變量，PPR模型可表示為：

(1)

對本次試驗中得到的15組數(shù)據(jù)進行PPR投影尋蹤回歸分析，光滑系數(shù)取0.50。投影方向，初始值M=5，最優(yōu)值MU=3。模型參數(shù)為：N，P，Q，M，MU分別為15，3，1，4，3。

對于穩(wěn)定度的嶺函數(shù)權重系數(shù)β=(1.0290，0.3557，0.3390)，各個自變量的相對貢獻權重為(按從大到小排序)：瀝青用量、級配指數(shù)、填料用量；投影方向αi為：

(2)

對于流值的嶺函數(shù)權重系數(shù)β=(0.9749，0.0.2749，0.5505)，各個自變量的相對貢獻權重為(按從大到小排序)：瀝青用量、級配指數(shù)、填料用量；投影方向αi為：

(3)

對于劈裂抗拉強度的嶺函數(shù)權重系數(shù)β=(0.9503，0.1927，0.1914)，各個自變量的相對貢獻權重為(按從大到小排序)：瀝青用量、級配指數(shù)、填料用量；投影方向αi為：

(4)

投影尋蹤回歸分析結果見表9。

表9 瀝青混合料考核指標仿真結果

利用實測的14組配合比試驗結果和PPR仿真分析的31組配合比結果。

隨著級配指數(shù)的增加，流值有增大的趨勢；級配指數(shù)一定，填料用量和瀝青用量增加時，流值增大。其原因是級配指數(shù)的增大，礦料的比表面積減小，瀝青混合料中的瀝青膠漿所占比例增大，瀝青混凝土的流動性增大，柔性增強。

隨著級配指數(shù)的增大，瀝青混凝土的穩(wěn)定度減小的規(guī)律；級配指數(shù)一定時，隨著瀝青用量、填料用量的增加，穩(wěn)定度隨之減小。說明級配指數(shù)的增大，礦料的比表面積減小，瀝青混合料中的瀝青膠漿所占比例增大，瀝青混凝土的穩(wěn)定度減小。

通過正交試驗進行了各項性能的試驗，并采用極差分析對試驗結果進行分析，優(yōu)選出了兩組瀝青混凝土配合比；在此要求研究的基礎上，首次在配合比的研究中采用薄膜厚度作為判定依據(jù)，進一步通過PPR回歸分析進行的綜合對比分析，同時考慮強度和變形的前提下，最終確定四組配合比，即6號、7號、23號以及41號。

3 結語

基于超大粒徑瀝青混凝土的配合比設計研究，得出以下結論：

(1)引入瀝青薄膜厚度的分析可達到進一步選優(yōu)的目的，瀝青膜厚度在6～8μm之間時，力學性能、變形性能較好，因此將瀝青薄膜厚度作為瀝青混凝土配合比設計優(yōu)選的判斷依據(jù)是合理且可靠的。

(2)通過PPR無假定模型分析，可將正交試驗未實測結果進行仿真，優(yōu)選出的瀝青混凝土配合比均能夠表現(xiàn)出較強的性能，大大降低了配合比設計工作的難度，提高工作效率。

(3)優(yōu)選出的大粒徑瀝青混凝土配合比的性能與常規(guī)粒徑在同類工程中的性能處于同一水平上，驗證了配合比設計方法的可靠性。