水泥填料對心墻瀝青混凝土長期水穩定性的影響

何建新,楊 武,楊耀輝,游光明

(新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052)

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水泥填料對心墻瀝青混凝土長期水穩定性的影響

何建新,楊 武,楊耀輝,游光明

(新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052)

以優選的心墻瀝青混凝土配合比為基礎,分別采用質量分數為12%的石灰石粉、6%水泥+6%石灰石粉、12%水泥作為填料配制瀝青混凝土試件,研究水泥填料對采用天然礫石骨料的心墻瀝青混凝土長期水穩定性的影響。試驗結果表明:采用12%石灰石粉為填料的瀝青混凝土水穩定系數隨浸水時間的延長而不斷減小,且在浸水75 h后水穩定系數降至0.88,已不滿足心墻瀝青混凝土水穩定系數大于或等于0.90的要求;采用12%水泥、6%水泥+6%石灰石粉為填料的瀝青混凝土水穩定系數隨浸水時間的延長先增大后減小,且在浸水375 h后達到最大,分別為1.02和0.98,在浸水1 500 h后水穩定系數仍然能夠滿足規范要求;用水泥替代部分石灰石粉作填料也可有效改善心墻瀝青混凝土的長期水穩定性。

水泥填料;心墻;瀝青混凝土;水穩定系數;長期水穩定性

隨著瀝青混凝土配制技術的發展,依靠克拉瑪依高品質瀝青[1]的資源優勢,天然礫石骨料已逐漸應用到心墻瀝青混凝土中。由于天然礫石骨料巖性復雜,與瀝青的黏附性普遍低于堿性骨料,配制的瀝青混凝土的水穩定性較差[2-3],會影響瀝青混凝土心墻的防滲可靠性。工程中常采用添加抗剝落劑、消石灰或水泥等措施來提高瀝青混凝土的水穩定性。胺類和非胺類抗剝離劑可有效增強骨料與瀝青的黏附性[1,4],但存在熱穩定性和長期性能差的問題且不經濟[5];消石灰可有效提高瀝青混凝土的水穩定性[6],其摻入量和摻入方式不同效果會不一樣[7];張應波等[8]研究了采用礫石骨料配制心墻瀝青混凝土,并以水泥作填料兼作提高骨料黏附性的措施;何建新等[9-10]定量評價了新疆某工程礫石骨料的酸堿性,試驗表明水泥填料可有效改善礫石骨料與瀝青的黏附性,提高瀝青混凝土的水穩定性。然而,心墻瀝青混凝土屬富瀝青混凝土,孔隙率小于3%,若按DL/T 5362—2006《水工瀝青混凝土試驗規程》方法進行心墻瀝青混凝土的水穩定性試驗,水損害行為在短時間內很難表現,水穩定性很容易就滿足規范要求。但心墻瀝青混凝土有長期的浸水作用,在此條件下水泥作填料對心墻瀝青混凝土水穩定性的影響需進一步研究。本文借鑒前蘇聯提出的將瀝青混凝土試件浸水溫度由規范的60℃提高到80℃,建立的浸泡75 h相當于20℃水中浸泡1 a的定量關系[9],分別采用質量分數為12%的石灰石粉、6%水泥+6%石灰石粉、12%水泥配制瀝青混凝土試件,進行瀝青混凝土長期水穩定性試驗,對比分析了用水泥替代石灰石粉作填料對心墻瀝青混凝土長期水穩定性的影響。

1 試驗方案

試驗所用原材料為克拉瑪依石化公司生產的70號(A級)道路石油瀝青(技術性能見表1)、新疆屯河水泥廠生產的P·O42.5水泥、石灰石粉(CaCO3質量分數為87%,技術性能見表2)和新疆呼圖壁河天然礫石骨料,經檢測所有材料均滿足規范要求。保持配合比參數(級配指數、填料用量、瀝青用量)不變,填料分別采用12%石灰石粉、6%水泥+6%石灰石粉、12%水泥配制瀝青混凝土試件。不同填料分別制備6組壓縮試件,每組3個。第1組試件不浸水,置于20℃空氣中48 h后,在自動控溫萬能試驗機(UTM-5105型)上按DL/T 5362—2006《水工瀝青混凝土試驗規程》進行壓縮試驗,其余5組試件分別在80℃恒溫水槽中依次浸泡75 h、225 h、375 h、750 h、1 500 h后,置于20℃水中恒溫2 h后進行壓縮試驗。雖然瀝青與填料混合后形成的膠漿的熱穩定性顯著提高,但考慮到心墻瀝青混凝土的瀝青用量比道路瀝青混凝土大,為防止試件在80℃下長期浸水產生變形,采用帶孔篩網將試件包裹,使試驗能正常進行。

表1 瀝青的技術性能

表2 填料的技術性能

2 試驗結果及分析

2.1 材料壓縮應力應變特征

3種填料的瀝青混凝土試件在空氣中和水中(不同浸水時間)的壓縮試驗結果見表3,瀝青混凝土不同浸水時間壓縮應力-應變曲線見圖1。

表3 瀝青混凝土壓縮試驗結果

圖1 不同浸水時間的瀝青混凝土壓縮應力-應變曲線

圖1可以看出,未浸水時3種填料的瀝青混凝土壓縮應力-應變曲線均表現為彈塑性材料的破壞特征,分為3個階段,即線性上升階段、非線性上升階段和峰值點以后的緩慢下降階段;峰值強度幾乎相等,對應的應變均為8%左右,且隨著水泥摻量的增加,線性特征明顯增強。隨著浸水時間的增長,12%石灰石粉為填料的瀝青混凝土壓縮應力-應變曲線直線段斜率有減小的趨勢,且峰值強度不斷下降,破壞時的應變不斷增大;6%水泥+6%石灰石粉為填料的瀝青混凝土壓縮應力-應變曲線形狀基本相近,各曲線峰值強度變化不明顯,破壞時的應變略有增大,材料的壓縮性能變化不明顯;12%水泥為填料的瀝青混凝土壓縮應力-應變曲線的線性特征相對明顯,各曲線峰值強度變化不大,破壞時的應變不斷增大,材料適應變形能力也有所增大。

2.2 水穩定系數變化規律

通過測定瀝青混凝土浸水前后的抗壓強度,評價瀝青混凝土的長期水穩定性,計算方法參考DL/T 5362—2006《水工瀝青混凝土試驗規程》：

(1)

式中:KW為水穩定系數;R1為不浸水試件抗壓強度平均值,MPa;R2為不同浸水時間下試件抗壓強度平均值,MPa。水穩定系數計算結果見表4。

表4 瀝青混凝土的水穩定系數計算結果

由表4可以看出，隨著浸水時間的延長,采用12%石灰石粉為填料的瀝青混凝土水穩定系數逐漸減小,且水穩定性系數均小于0.90,已不能滿足規范KW≥0.90的要求。由于瀝青混凝土長期在80℃高溫環境下,加快了水介質進入試件內部,瀝青的極性小于水分子,水分子與瀝青混凝土中骨料的極性分子結合,使得瀝青與骨料的黏附性減小,導致瀝青與骨料快速剝離,瀝青混凝土的水穩定系數不斷減小。

采用6%水泥+6%石灰石粉和12%水泥為填料的瀝青混凝土水穩定性系數均大于0.90；隨著浸水時間的增長，瀝青混凝土水穩定性系數均呈先增大后減小的規律,在80℃水中浸泡375 h后(相當于20℃水中浸泡5 a)水穩定性系數均達到最大,分別為0.98和1.02,在80℃水中浸泡1 500 h后(相當于20℃水中浸泡20 a)水穩定系數仍然滿足規范要求。由于瀝青混凝土試件長期處于80℃高溫條件下，加快了水分子、瀝青、礦料之間的物理化學作用。一方面水更容易進入瀝青混凝土內部,使部分水泥填料與水加速發生水化反應,水溶液呈現堿性,再與酸性的瀝青發生化學反應,增強了瀝青與骨料的黏附性;另一方面隨著一些難溶于水的水化產物的增多而填充孔隙,使得瀝青混凝土更加密實。水分進入試件內部的多少直接影響水化的速率與程度,隨著浸水時間的增加,試件內部的水泥不斷水化,以水泥為填料的瀝青混凝土的水穩定系數有所增大;隨著時間繼續增加,水泥水化作用也逐漸越弱,同時水損害作用逐漸增強,水穩定系數又開始緩慢減小。可以看出,以水泥為填料對瀝青混凝土的水穩定性有較好的改善作用。

從表4還可以看出:6%水泥+6%石灰石粉為填料的瀝青混凝土試件的水穩定系數最大。由于石灰石粉后期具有較高的水化活性,加之80℃的水熱條件,石灰石粉中的CaCO3與水泥中的C3A繼續發生反應,即:CaCO3+3CaO·Al2O3+12H2O=4CaO·Al2O3·CO2·12H2O,生成的水化碳鋁酸鈣與其他水化產物相互搭接,結構更加密實,這樣也改變了瀝青混凝土的內部結構,促使瀝青混凝土水穩定性提高。以水泥和石灰石粉混合作為瀝青混凝土的填料更有利于心墻瀝青混凝土的長期水穩定性。

3 結 論

a. 以水泥為填料的瀝青混凝土壓縮應力-應變來看,長時間浸水后試件的抗壓強度下降不明顯,且水泥水化產物也沒有增強瀝青混凝土的脆性,相反,瀝青混凝土的柔性有所增強。

b. 水泥填料可明顯改善心墻瀝青混凝土的長期水穩定性,使得天然礫石骨料與瀝青之間的黏附作用明顯增強,所配制的心墻瀝青混凝土的長期水穩定性可以滿足規范的要求。

c. 用水泥替代部分石灰石粉作填料能很好地保證心墻瀝青混凝土的長期水穩定性,關鍵是選擇合適的替代量,這樣做也可節約工程成本。

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[ 2 ] 天然礫石骨料在瀝青混凝土心墻中的適用性研究[D].烏魯木齊:新疆農業大學,2014.

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[10] 楊耀輝,何建新,王懷義.心墻瀝青混凝土配制中礫石骨料酸堿性判定方法的探討[J].水電能源科學,2015(9):117-120. (YANG Yaohui, HE Jianxin, WANG Huaiyi. Discussion on the method of determining the acidity and alkalinity of the gravel aggregate to confect core wall asphalt concrete[J]. Water Resources and Power, 2015(9):117-120. (in Chinese))

Influence of cement filler on long-term water stability of core wall asphalt concrete

HE Jianxin, YANG Wu, YANG Yaohui, YOU Guangming

(College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

Based on the optimized mixture ratio of core wall asphalt concrete, asphalt concrete specimens were prepared using 12% limestone powder, 6% cement and 6% limestone powder, and 12% cement, respectively. The effect of cement fillers on long-term water stability of core wall asphalt concrete with the natural gravel aggregate was studied. The results show that the water stability coefficient of the specimen with 12% limestone powder decreases with the increase of the immersion time, and the water stability coefficient decreases to 0.88 when the immersion time is 75 h, indicating that it does not meet the requirement that the water stability coefficient of core wall asphalt concrete be greater than or equal to 0.90. The water stability coefficients of the specimens with 12% cement or 6% cement and 6% limestone powder first increase and then decrease with the increase of the immersion time, and reach their maximum values of 1.02 and 0.98, respectively, when the immersion time is 375 h. The water stability factor can still meet the specification requirements when the immersion time is 1 500 h. It can effectively improve the long-term water stability of core wall asphalt concrete to use cement to replace limestone powder.

cement filler; core wall; asphalt concrete; coefficient of water stability; long-term water stability

新疆維吾爾自治區高校科研計劃(XJEDU2014I016)

何建新(1973—),男,副教授,碩士,主要從事水利水電工程研究。E-mail:604690896@qq.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.011

TV431.5

A

1006-7647(2017)04-0059-04

2016-07-27 編輯：駱超)