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(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)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(yīng)用的建筑材料,它具有耐久性好,抗?jié)B性強(qiáng),施工方便且具有一定的變形能力等特點(diǎn)[1]。由于心墻瀝青混凝土施工質(zhì)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(zhì)量。特別在西北寒冷地區(qū),一年中冬季時(shí)間較大,大部分時(shí)間內(nèi)氣溫在-5℃以下,平均氣溫達(dá)到-15℃,冬季施工質(zhì)量就顯得尤為重要[2]。冶勒水利工程冬季施工開創(chuàng)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(jīng)驗(yàn)[3]。張慶春對(duì)庫什塔依水利工程冬季施工心墻瀝青混凝土的壓實(shí)度、分離度、上下層結(jié)合面的滲透性及力學(xué)性能進(jìn)行研究,可知心墻瀝青混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求[4]。何建新等通過3種不同施工工藝對(duì)心墻瀝青混凝土冬季施工結(jié)合面質(zhì)量進(jìn)行研究,得出采用高溫?zé)峁橇霞訜岬姆椒ㄊ┕そY(jié)合面的質(zhì)量最好[5]。馬敬等對(duì)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(shí)層間結(jié)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(duì)于保證施工質(zhì)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(xì)骨料,填料及瀝青。粗、細(xì)骨料是由質(zhì)地堅(jiān)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(jī)加工而成,粒徑＜0.075 mm；選用克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的90號(hào)瀝青；各種原材料技術(shù)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求[7],可用于心墻瀝青混凝土中。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

心墻瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)主要是確定礦料級(jí)配和瀝青用量,而礦料級(jí)配在配合比設(shè)計(jì)中更為關(guān)鍵[8]。采用丁樸榮級(jí)配公式計(jì)算礦料級(jí)配時(shí),可選用3～4種填料用量和2～3級(jí)配指數(shù)進(jìn)行計(jì)算,對(duì)于每種礦料級(jí)配選取4～5種油石比進(jìn)行配合比試驗(yàn)。參照已建工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本次試驗(yàn)原材料的實(shí)際情況,選取級(jí)配指數(shù)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(yàn)條件下每種配合比制備3個(gè)馬歇爾試件測(cè)定其密度和孔隙率,并進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn),分析各個(gè)參數(shù)對(duì)混凝土性能影響。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 級(jí)配指數(shù)對(duì)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(jí)配指數(shù)對(duì)孔隙率和間接拉伸強(qiáng)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(guī)范要求,當(dāng)級(jí)配指數(shù)為0.38時(shí)孔隙率最小為1.39%；間接拉伸強(qiáng)度在0.46 MPa～0.52 MPa之間隨著級(jí)配指數(shù)的增加呈增長趨勢(shì)。

圖1 級(jí)配指數(shù)與孔隙率關(guān)系

圖2 級(jí)配指數(shù)與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系

2.3.2 填料用量對(duì)瀝青混凝土性能影響

根據(jù)不同級(jí)配指數(shù)的配合比試驗(yàn)結(jié)果,選擇瀝青混凝土礦料級(jí)配指數(shù)為0.38,填料用量為11%、13%、15%,油石比為6.8%的配合比試驗(yàn)結(jié)果,分析填料用量對(duì)孔隙率和間接拉伸強(qiáng)度的影響,見圖3、圖4。當(dāng)填料用量為11%時(shí),孔隙率為2.11%超出了規(guī)范＜2%的要求,且隨著填料用量的增加孔隙率逐漸減小；隨著填料用量的增加間接拉伸強(qiáng)度先減小后增大,且填料用量為13%時(shí),間接拉伸強(qiáng)度最小為0.47 MPa。

圖4 填料用量與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系

2.3.3 油石比對(duì)瀝青混凝土性能影響

根據(jù)瀝青混凝土不同級(jí)配指數(shù)和不同填料用量的配合比試驗(yàn)結(jié)果選擇級(jí)配指數(shù)為0.38,填料用量為13%時(shí),分別取油石比為6.2%、6.5%、6.8%、7.1%、7.4%時(shí)的配合比試驗(yàn)結(jié)果分析不同油石比對(duì)孔隙率和間接拉伸強(qiáng)度的影響,見圖5、圖6。當(dāng)油石比為6.2%時(shí),孔隙率為2.54%遠(yuǎn)超規(guī)范＜2%的要求,隨著油石比的增加孔隙率呈減小趨勢(shì),在油石比為7.1%時(shí)孔隙率最小,為1.27%；間接拉伸強(qiáng)度在0.47 MPa～0.57 MPa范圍內(nèi)隨著油石比的增加先減小后增大,在油石比為6.8%時(shí)間接拉伸強(qiáng)度最小,為0.47 MPa。

圖5 油石比與孔隙率關(guān)系

圖6 油石比與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系

根據(jù)上述配合比試驗(yàn)結(jié)果,并從瀝青混凝土防滲、變形、強(qiáng)度以及施工安全的角度出發(fā)初步推薦常溫下配合比參數(shù)分別為：級(jí)配指數(shù)=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(jù)常溫條件下瀝青混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果,選擇骨料最大粒徑Dmax=19 mm,級(jí)配指數(shù)=0.38,填料用量=13%,在此基礎(chǔ)上選取7.0%、7.3%、7.6%、7.9%、8.2%、8.5%六個(gè)不同油石比,制備瀝青混凝土試件測(cè)定其密度、孔隙率、間接拉伸強(qiáng)度及位移,初步推薦冬季施工配合比參數(shù),試驗(yàn)結(jié)果見表1和圖7～圖9。結(jié)果可知：孔隙率隨著油石比的增加呈下降趨勢(shì),當(dāng)油石比=7.0%時(shí),孔隙率為2.42%,不滿足規(guī)范要求,其余5組都小于2%滿足規(guī)范要求,當(dāng)油石比=7.9%時(shí),孔隙率最小,為0.94%；隨著油石比的增加間接拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),在油石比為7.6%～8.2%之間間接拉伸強(qiáng)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(shì)；當(dāng)油石比為7.9%和8.2%時(shí),孔隙率較小在1%左右,間接拉伸強(qiáng)度和位移適中。綜合考慮冬季施工瀝青混凝土的強(qiáng)度、變形及防滲性要求,以及從施工安全與經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)并參考以往工程經(jīng)驗(yàn)推薦本次試驗(yàn)冬季施工配合比編號(hào)D4,即級(jí)配指數(shù)=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(yàn)結(jié)果

圖7 油石比與孔隙率關(guān)系

圖8 油石比與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系

圖9 油石比與間接拉伸位移關(guān)系

3.2 室內(nèi)模擬冬季施工工況

對(duì)初步選取的冬季施工配合比在室內(nèi)進(jìn)行-20℃工況下冬季施工模擬試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證上下兩層瀝青混凝土的層間防滲性與力學(xué)性能。

模擬試驗(yàn)方法：上下兩層瀝青混凝土尺寸為50 cm×50 cm×10 cm,采用擊實(shí)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(dá)到-20℃時(shí)恒溫8 h。下層瀝青混凝土拌合溫度控制在170℃左右,擊實(shí)溫度控制在150℃左右。待下層試件冷卻完成后取出用噴槍對(duì)表面進(jìn)行加熱至80℃左右時(shí)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(shí)開始擊實(shí),擊實(shí)成型后放在恒溫室中冷卻降溫,觀察上下層結(jié)合面的粘結(jié)情況,并進(jìn)行防滲性和力學(xué)性能檢測(cè)。

鉆取結(jié)合層面處芯樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)和直剪試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表2。結(jié)果可知：3個(gè)試件孔隙率都小于3%,滿足規(guī)范對(duì)瀝青混凝土芯樣的要求；3個(gè)試件在50 m水頭作用下均沒有出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,說明上下層瀝青混凝土結(jié)合良好,所選配合比模擬冬季工況下的瀝青混凝土試件結(jié)合面滿足防滲性要求；結(jié)合面處剪應(yīng)力為0.259 MPa,非結(jié)合面處剪應(yīng)力為0.298 MPa,相差0.039 MPa,相差不明顯,剪應(yīng)力比為86.9%,說明D4號(hào)配合比模擬冬季工況下的瀝青混凝土試件上下層結(jié)合良好。而在實(shí)際的工程施工中,每層攤鋪的熱瀝青混合料質(zhì)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(yàn)時(shí)更慢,只要在施工過程中嚴(yán)格控制攤鋪溫度,選擇合理的施工方法及時(shí)覆蓋保溫,冬季施工心墻瀝青混凝土質(zhì)量就能夠得到保障。因此,在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)冬季施工條件下的心墻瀝青混凝土配合比參數(shù)：級(jí)配指數(shù)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(jié)合面性能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

在常溫條件下的瀝青混凝土配合比基礎(chǔ)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(nèi)模擬-20℃時(shí)冬季施工工況,驗(yàn)證配合比的可行性,結(jié)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(jié)合良好,結(jié)合面處芯樣試件的孔隙率、抗?jié)B性滿足要求,結(jié)合面處芯樣試件的抗剪強(qiáng)度是非結(jié)合面芯樣試件抗剪強(qiáng)度的86.9%。