克孜加爾大壩瀝青混凝土心墻材料選擇

張宏軍

(新疆水利水電勘測設計研究院 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

克孜加爾大壩位于新疆克蘭河峽谷口上游3km處，庫容1.67億m3，屬于Ⅱ等大 (2)型綜合利用水利樞紐工程，壩高64m，壩頂長度355m。壩址處河谷呈U形，河床寬120m，覆蓋層厚1～3m，下覆基巖為花崗片麻巖，兩岸山體高出河谷80～100m，基巖裸露，地形地質條件較好，適宜建造土石壩及重力壩。峽谷口下游砂礫石料儲量充足，距離樞紐60km范圍內有3處堿性灰巖料場，當地材料滿足筑壩材料質量與儲量需求。經過多種壩型比較，設計選擇了碾壓式瀝青混凝土防滲心墻砂礫石壩。

2 瀝青的選擇

水利工程主要采用道路石油瀝青，是市場上供應量最大和應用最廣泛的瀝青。石油瀝青認為是無毒的，對于水質與環境基本無污染，在與水源有關的工程建筑上，這一特性是很重要的。土石壩中作為防滲體結構的碾壓式瀝青混凝土，它的物理力學性能在很大程度上受到瀝青性能的影響，瀝青的技術指標與道路瀝青相近?？紤]到作為水工建筑物中的瀝青混凝土防滲體要起到全面的防滲作用，因此，在耐老化、抗裂、適應變形等方面，水工使用的石油瀝青應比一般道路瀝青有更高的要求。水工上選用道路石油瀝青時比較關心瀝青的針入度、軟化點和延伸度，即所謂瀝青三大指標。目前，國內外各種碾壓式瀝青混凝土防滲墻所用的石油瀝青多為道路瀝青，其針入度為40～100(1/10mm)。在氣溫較高的地方，大多采用針入度較小的瀝青;在氣溫較低的地方，則采用針入度較大的瀝青。因此，石油瀝青的品種應根據工程的類型、等級，以及氣候條件、工作條件和材料價格等因素，并遵循針入度較小、軟化點較低和延度較大的原則作如下選用。

(1)一般碾壓式瀝青混凝土所用的瀝青，宜選用《道路石油瀝青》 (SY 1661—77)中的100甲和60甲兩個標號。

(2)在大型和重要的碾壓式瀝青混凝土防滲工程中，選用的瀝青應事先進行試驗和論證。選擇適當的瀝青生產單位，產品實測指標要爭取優于現行道路瀝青標準，可采用《重交通道路石油瀝青技術要求》中的AH—90、AH—70、AH—50三個標號。

(3)澆注式瀝青混凝土所用瀝青技術指標可以放得更寬，對延度可不提要求，重點放在針入度和軟化點方面。

(4)當上述瀝青產品的技術指標不能滿足工程的需要時，通過試驗可采用黏稠瀝青與氧化瀝青進行摻配，調整瀝青的技術參數，最終確定選用的瀝青。

由于各地氣象條件、工程條件等差別較大，很難設想有某一種瀝青能夠滿足各種變化的條件，因此，在選用瀝青時要做到因地制宜，取長避短，在必要時還可采用摻配瀝青，或者是摻加外加劑等有效措施?？俗渭訝柎髩文雺菏綖r青混凝土心墻選擇了新疆克拉瑪依生產的AH70石油瀝青，除了具有針入度較小、軟化點較低和延度較大的基本特點外，主要優點是含蠟量較低，國內其他地區的石油瀝青含蠟量普遍偏高，容易使瀝青混凝土產生流淌現象。現場瀝青材料檢測結果與相關規范要求指標對照見表1。

表1 克孜加爾大壩AH70瀝青性能檢測成果表

3 礦料的選擇

瀝青混凝土粗骨料、細骨料和填充料通常均由堿性礦料加工而成，統稱為礦料，是瀝青混凝土的主要組成部分。過去國內水工瀝青混凝土骨料曾采用5mm作為粗細骨料的界限，應用上雖無不可，但不能確切地反映細粒礦料的影響和作用，我國現行水工瀝青混凝土技術標準，按照向國際標準接軌，已經采用2.5mm作為粗細骨料的界限，將粒徑大于2.5mm的粒料定義為粗骨料，粒徑為0.074～2.5mm的粒料定義為細骨料，小于0.074mm的粒料為填充料。

3.1 骨料作用與特性

骨料占瀝青混凝土組成的80%，一般要求用清潔、堅硬、耐久、均勻的巖石加工制作，并且粗骨料與瀝青的黏結力及細骨料的水穩定性優良。骨料與瀝青黏附性的優劣是瀝青混凝土結構形成的決定因素，它直接關系到瀝青混凝土的強度、溫度穩定性、水穩定性及老化速度等重要性能。瀝青混凝土對礦料有以下基本要求。

(1)骨料顆粒質地堅固，在瀝青混凝土中組成骨架結構，使瀝青混凝土獲得必要的強度以承受外力的作用，形成的骨架結構才能經受一定的外力作用。但瀝青防滲墻不同于道路工程，既沒有車輪那樣的集中荷載，也不經受道路上那樣的沖擊、磨損作用，因此并不要求骨料有過高的強度。但施工中，攤鋪機、振動碾等機械要在其上運行并實施作業，骨料的堅固性應足以承受這些荷載的作用而不致顆粒破碎。

(2)制備瀝青混合料時，骨料要進行烘干、加熱，骨料的性質應能保持穩定。雖然骨料加熱溫度一般不超過200℃，但天然巖石的組成、構造極其復雜，應考慮到加熱過程不致給骨料帶來的不利影響。

(3)骨料骨架結構的特性，除骨料顆粒的質地外，還可用骨料的密實度 (或空隙率)及內摩擦力等指標來表征。骨料的密實度對瀝青混凝土的性質有著重要的影響。骨料密實度愈小，即空隙率愈大，瀝青用量也愈大，而自由瀝青的含量增多，瀝青混凝土的塑性則急劇增大，熱穩定性將顯著降低。合理選擇級配可以增大骨料的密實度。

(4)骨料的內摩擦力隨粒徑的增大而提高，采用棱角尖銳的碎石，特別是采用堅實巖石破碎的人工砂，能有效地提高內摩擦力。骨料的內摩擦力隨瀝青用量的增加，尤其是自由瀝青的數量增大而減小。針片狀顆粒的存在可以降低骨料的密實度和骨料相互嵌擠的程度，因此粗骨料應有合適的粒形。

(5)瀝青與礦料表面的黏附力，取決于界面上所發生的物理化學作用，也影響到瀝青混凝土的性質。酸性巖石與瀝青主要是物理吸附作用，故黏附性較差。碳酸鹽或堿性巖石可以與瀝青中的表面活性物質酸性膠質或其他表面活性摻料產生化學吸附，故能較好地相互黏附。因此，水工瀝青混凝土的礦料，一般多由碳酸鹽或堿性巖石制成。

(6)采用多孔礦料時，由于瀝青滲入孔隙內部，使黏附性得到顯著改善，但應注意到礦料孔隙對瀝青選擇性吸附的影響，微孔結構的礦料具有極大的吸附勢能，在礦料表面吸附著瀝青質，微孔中吸收膠質，而油分則滲入微孔的深處。選擇性吸附的結果將大大改變瀝青的性質，使其強度、熱穩定性等提高，塑性降低，從而表現出硬化的傾向。對粗孔結構的礦料，由于吸附勢能低，瀝青主要是向粗孔內部滲透，選擇性吸附的影響甚小，雖然要增加瀝青用量，但對其性質沒有明顯的影響。

3.2 填料作用與特性

填料主要特點就是具有很大的表面積，占瀝青混凝土礦料總表面積約90%～95%。填料的作用是與瀝青共同組成膠結料，將骨料黏結成整體，并填充骨料的空隙，使原來容積狀的瀝青變為薄膜狀的瀝青，隨著填料濃度的增大，填料表面形成的瀝青膜的厚度減薄，瀝青膠結料的黏度和強度隨之提高，從而使骨料顆粒之間的黏結也增強。填料具有極大的表面能，對瀝青的吸附作用比粗骨料、細骨料要大得多，如果填料本身的黏附性良好，它與瀝青就能牢固結合。因此，工程上多使用石灰巖、白云巖或其他碳酸鹽巖石作為加工填料的原巖。

在加入一定量的填料條件下，瀝青混凝土將獲得最大的強度。當填料用量較多時，瀝青混凝土內部能夠形成許多細小的封閉孔隙。填料用量少時，則多形成連通的開口孔隙。因此，填料用量影響著瀝青混凝土的結構和性質，是配合比設計的重要參數之一。填料的顆粒愈細，表面積愈大，它對瀝青膠結料和瀝青混凝土的影響也就愈大，所以填料必須有足夠的細度。從概念上來說，填料比水泥還應稍細一些，至少應和水泥的細度相同，有資料提出填料的最佳細度相應的比表面積應為4000～5000cm2/g。但對填料細度提出過高的要求不僅會使加工費用顯著增加，而且過細的填料顆粒易聚集成團而不易分散，反而有損于瀝青混凝土的耐久性。

3.3 礦料技術指標

克孜加爾大壩采用石灰巖人工破碎制備成瀝青混凝土需要的堿性礦料。細骨料采用了石灰巖破碎的人工砂和天然河砂，填料采用當地水泥廠生產的成品礦粉。現場檢測技術指標見表2～表4。

表2 石灰巖粗骨料檢測結果

由表2得知，石灰巖破碎的粗骨料在加熱過程中未出現開裂、分解等現象，骨料呈堿性，與瀝青黏結力強，所選石灰巖能夠滿足相關規范要求。

表3 天然河砂與人工砂檢測結果

由表3得知，人工砂在加熱過程中沒有開裂、分界等現象，級配良好，滿足瀝青混凝土細骨料的技術指標要求。天然河砂級配不夠均勻，粗粒含量較多，且呈酸性，水穩定性較差。但通過進一步試驗，當天然河砂與人工砂采取對半混合使用時，水穩定性可以滿足要求指標。

由表4得知，填料質量滿足規范要求，可以作為瀝青混凝土的填料。

表4 填料檢測結果

4 瀝青混凝土配合比選擇

瀝青混凝土作為土石壩防滲心墻，必須具有足夠的防滲性和變形能力。瀝青混凝土防滲性可以通過優化瀝青混凝土配合比、提高施工質量等措施獲得。由工程實踐得知，當瀝青混凝土的孔隙率小于3%、滲透系數小于10－7cm/s時，心墻基本上認為是不透水的，即便是施工期間的瀝青混凝土心墻層間有結合不良的缺陷，或在變形的情況下依然是不透水的。在選擇瀝青混凝土配合比時，瀝青混凝土的可施工操作性是至關重要的，只有配制了施工性能好、易于攤鋪和壓實的瀝青混凝土，才能達到設計的孔隙率。

4.1 礦料級配與瀝青混凝土配合比

根據克孜加爾大壩料源加工情況，選用礦料級配最大粒徑Dmax=19mm，礦料級配指數選取0.35、0.38、0.41，油石比6.3%、6.6%、6.9%、7.2%，填料用量12%、14%、16%。利用以上參數對人工砂初選了20組配合比，對混合砂初選了6組配合比，進行瀝青混凝土配合比試驗。通過試驗結論［1］推薦的碾壓式瀝青混凝土心墻配合比與性能指標見表5、表6。

表5 碾壓式瀝青混凝土心墻使用的配合比

在選擇瀝青混凝土配合比時，不能忽視工程區的氣候因素，新疆大部分區域屬于高寒地區，選擇配合比時要考慮在一定的低溫條件下的施工要求，宜選擇偏高一些的油石比。

水工使用的瀝青混凝土材料力學性質復雜，其室內試驗制樣方法、試驗加載速度以及試驗溫度等因素，都對瀝青混凝土的力學性質產生重要影響。若大壩實際瀝青混凝土心墻材料力學參數過低時，會因壩殼料的拱效應使得心墻應力降低，可能導致心墻產生水力劈裂破壞;相反，若大壩實際瀝青混凝土心墻材料力學參數過高時，則可能由于心墻應力集中，使得兩側過渡料的剪切作用較強而出現剪切破壞。目前，在設計階段最直接的判斷方法是借鑒已建工程實例進行對比，在施工階段密切跟蹤大壩施工期應變與應力變化，對瀝青混凝土心墻的力學參數進行動態反演分析，隨時優化設計方案或指導施工，確保大壩運行安全。

表6 碾壓式瀝青混凝土性能試驗指標

續表

4.2 配合比參數對瀝青混凝土的影響分析

瀝青混凝土的強度取決于其黏聚力和內摩擦力的大小，而內摩擦力又取決于骨料的粒形、粒度、級配、顆粒的表面特性以及瀝青的用量。瀝青與礦料表面的相互作用具有重要的影響，改善它們之間的黏附作用，加強膠凝結構的鍵合特性，可以有效地改善瀝青混凝土的各種技術性質。選擇瀝青混凝土配合比時，主要的控制指標為孔隙率，其次是劈裂位移變形值，最后是間接拉伸強度值。以下就不同的油石比、填料用量、級配指數和細骨料特性對瀝青混凝土性能的影響進行分析。

(1)油石比從6.6%、6.9%、7.2%變化時:瀝青混凝土的孔隙率有明顯的差異，人工砂瀝青混凝土孔隙率小于河砂瀝青混凝土，其中油石比為6.9%時，兩者孔隙率基本相同;瀝青混凝土的間接拉伸強度減小，人工砂瀝青混凝土間接拉伸強度小于混合砂瀝青混凝土間接拉伸強度;瀝青混凝土的劈裂位移增大，人工砂瀝青混凝土劈裂位移大于混合砂瀝青混凝土劈裂位移。本工程區多年平均氣溫4°C的偏低情況，對心墻瀝青混凝土的強度、變形性能及防滲性能的要求偏高為宜，選擇油石比為6.9%。

(2)級配指數一定時:在填料用量增加的情況下，瀝青混凝土的間接拉伸強度呈減小趨勢，瀝青混凝土的劈裂位移呈明顯變大的趨勢。填料用量12%、14%、瀝青含量大于6.6%以后孔隙率值較穩定;隨著油石比變大，瀝青混凝土的間接拉伸強度呈逐漸減小趨勢，但減小趨勢逐漸變緩，劈裂位移隨著油石比的增大逐漸增大。當填料用量大于14%時，瀝青混凝土的孔隙率有明顯增大;填料用量16%的瀝青混凝土的孔隙率值較大，且波動也大，不穩定。本工程的實際情況和對心墻瀝青混凝土的強度、變形性能及防滲性能的要求，選取填料用量為14%，在瀝青混凝土確保較小的孔隙率前提下，盡量使劈裂位移增大。

(3)級配指數變化時:在填料一定的情況下，級配指數從0.35～0.41之間變化時，瀝青混凝土的密度和孔隙率有明顯變化，級配指數為0.38時孔隙率最小，劈裂位移達到最大值;瀝青混凝土的間接拉伸強度呈先減小再緩慢增大的趨勢;瀝青混凝土的劈裂位移變化比較明顯。本工程選用級配指數0.38，使劈裂位移達到最大值。

(4)施工性能的影響:比較人工砂與混合砂兩種細骨料配置的瀝青混凝土的孔隙率、拉伸強度、劈裂位移指標，均能滿足相關規范對瀝青混凝土防滲心墻的要求;人工砂瀝青混凝土的孔隙率較小且性能穩定，間接拉伸變形能力略小，施工中的瀝青混凝土和易性比混合砂瀝青混凝土較差一些;混合砂成本略低。因此，在人工砂與混合砂配置的瀝青混凝土均能夠滿足設計要求前提下，考慮施工因素，選定了混合砂配置的瀝青混凝土作為填筑心墻的材料。

5 結語

新疆普遍有石灰巖礦作為水泥生產原料，一般均能滿足配置水工瀝青混凝土堿性礦料的性能要求，克拉瑪依生產的石油瀝青含蠟量較低，具備較好的針入度、軟化點和延度三大性能指標。粗骨料盡量采用堿性骨料，可以使瀝青混凝土中骨料具有較高的水穩定性，確保工程質量與安全;細骨料可以是人工砂或混合砂，也可以在細骨料中添加一部分天然砂，添加粉煤灰或其他活性材料，可以改善瀝青混凝土的和易性和壓實性能?，F代研究試驗已經提出，在堿性礦料奇缺的地區也可以考慮應用天然酸性骨料摻加堿性物料改善與瀝青的黏附性［2］。直接采用酸性骨料的瀝青混凝土，經試驗證明會在短期內出現嚴重剝蝕或破壞現象，當采用消石灰等對酸性骨料處理后，骨料與瀝青的黏附力顯著增強，理論上長期水穩定性有保證。這一結論目前還缺乏工程先例，有待于通過實際工程進行深入的研究工作，待充分論證后再進行使用。

1 王文進，王為標，余梁蜀，等.克孜加爾大壩瀝青混凝土配合比試驗報告［R］.西安理工大學，2009

2 岳躍真，郝巨濤，孫志恒，等.水工瀝青混凝土防滲技術［M］.北京:化學工業出版社，2007