集料粒形對防滲層水工瀝青混凝土高溫性能的影響

華 召，鄒長根，余 浩，閆小虎，磨煉同，肖 月

(1.中國葛洲壩集團市政工程有限公司，宜昌 443002；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室， 武漢 430070; 3.長江科學院水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心,武漢 430010)

水工瀝青混凝土防滲面板是抽水蓄能水庫重要的防滲結構形式，當前我國主要采用由整平膠結層、防滲層和封閉層組成的簡式結構，其中防滲層是最重要的結構層，要求具有良好的抗滲性、熱穩定性、水穩定性、抗裂性、耐久性和施工和易性[1-2]。為了達到上述功能，防滲層瀝青混凝土配合比設計多采用密級配，其特點是細料多、瀝青多和礦粉多以有利于保證防滲性、柔性和施工和易性，但柔性與抗高溫斜坡流淌往往相互制約，即抗高溫斜坡流淌需要較大的級配指數以有助于粗細集料形成較好的骨架結構，同時在滿足柔性的基礎上盡量采用低的瀝青用量和填料用量[3]。

高溫斜坡流淌是一個關鍵技術指標，設計規范要求斜坡流淌值在70 ℃保溫48 h條件下不大于0.8 mm，以保證運行期間夏季高溫時不發生流淌。高溫流淌與溫度密切相關，瀝青混凝土面板溫度可達到氣溫的1.6～2.0倍[4]。防滲層瀝青混凝土具有很高的溫度敏感性，應避免熱穩定性不足而導致剪切變形和斜坡流淌。在國內已建成的項目中，天荒坪抽水蓄能電站上水庫庫盆防滲型式系國內首次采用全庫盆瀝青混凝土護面防滲，防滲面板斜坡流淌值的設計指標為在70 ℃和1∶2坡度比下不大于5 mm，在60 ℃下斜坡流淌值不大于1.5 mm。為了防止早期高溫流淌，在壩頂設置了噴水管以便在夏季高溫時段噴水給壩面降溫[5]。張河灣的防滲層瀝青混凝土級配指數為0.24，瀝青油石比高達7.7%，設計要求在坡度1∶1.75，溫度70 ℃保溫48 h，斜坡流淌值不大于2.0 mm。因采用級配指數小，瀝青混凝土中粗集料被瀝青砂漿懸浮，不能形成相嵌咬合結構，而溫度升高時瀝青砂漿易于流變，從而降低了瀝青混凝土的斜坡熱穩定性[6]?；诘图壟渲笖祽腋〗Y構的不足，寶泉上水庫防滲面板提出采用較高級配指數(n=0.35～0.45)形成穩定骨架結構的理念以解決寶泉工程1∶1.7斜坡和極端最高氣溫43 ℃下(面板表面溫度達80 ℃)的面板高溫穩定問題，并通過摻纖維進一步改善瀝青混凝土熱穩定性[7]。西龍池抽水蓄能電站針對高溫流淌問題進行了大量試驗研究，其設計要求使用普通水工瀝青時斜坡流淌值不大于2.0 mm。當瀝青含量在6.5%～8.5%之間時，斜坡流淌值在0.39～2.97 mm范圍內，變異性較大，而采用改性瀝青后在選定瀝青含量7.5%時滿足防滲層高溫流淌值不超過 0.80 mm[8]。呼和浩特抽水蓄能電站為了解決極端低溫凍斷難題采用了改性水工瀝青和0.35～0.5的高級配指數以形成抗斜坡流淌變形的穩定骨架結構，突破了國內規范中給出的級配指數0.24～0.28的限制，其防滲層瀝青混凝土的斜坡流淌值在0～0.73 mm之間[9]。山東沂蒙抽水蓄能電站瀝青混凝土可研報告采用0.43級配指數和7.6%的油石比，當瀝青選用遼河石化SG90水工瀝青時，斜坡流淌值在0.19～2.10 mm之間，平均值為0.83 mm；瀝青選用遼河石化SG70水工瀝青時，斜坡流淌值在0.27～1.66 mm之間，平均值為0.70 mm。斜坡流淌值數據離散性大[10]。目前我國已建成的抽水蓄能水庫防滲層瀝青混凝土斜坡流淌值變異性大，因斜坡流淌值是反映防滲層瀝青混凝土熱穩定性能的唯一指標，其制定的標準目前仍有很大的爭議[11]。

瀝青混凝土高溫強度取決于瀝青粘聚力和骨料內摩擦力，因此集料的棱角性，特別是細集料將直接影響密實懸浮結構型防滲層瀝青混凝土的熱穩定性[12]。論文結合前期國內多個工程項目的實際應用情況，采用集料圖像測試系統精確客觀地分析了不同粗、細集料的形態特征，利用反擊破和沖擊破加工的粗集料、細集料以及天然砂開展防滲層瀝青混凝土斜坡流淌試驗，以分析不同集料粒形對抗斜坡流淌性能的影響。

1 試 驗

1.1 原材料

試驗采用京博SG70水工瀝青，集料采用山東沂蒙石灰巖集料，瀝青與集料的各種指標均滿足水工瀝青混凝土技術規范要求。其中石灰巖集料又分為反擊破方式加工和沖擊破方式加工兩種，最大粒徑為16 mm，粗集料有9.5～16 mm、4.75～9.5 mm和2.36～4.75 mm三種規格，細集料0.075～2.36 mm為采用石灰巖集料加工的機制砂和天然砂。填料采用石灰巖磨細的礦粉。

1.2 AIMS試驗

試驗采用集料圖像測量系統(Aggregate Image Measurement System，AIMS)分析粗細集料的形狀、棱角性及表面紋理。為了對比分析，集料分別采用反擊破方式加工和沖擊破方式加工的石灰巖粗集料和機制砂。AIMS用Form2D指數來表示細集料的二維形狀，Form2D的取值范圍為0～20。當集料Form2D小于6.5時，集料可以近似成圓形；當Form2D大于10時，集料的針片狀特性非常明顯。集料棱角性表示顆粒的邊緣銳度，其取值范圍為0～10 000，集料的棱角性越大，表示集料顆粒的邊緣越尖銳。

1.3 斜坡流淌試驗

為了分析骨料粒形對防滲層瀝青混凝土斜坡流淌的影響，分別以級配指數0.24、0.35和0.43設計了細、中和粗三種合成級配。三種合成級配以丁樸榮公式計算，其中最大粒徑取16 mm。為了簡化試驗，填料用量按規范要求的取值范圍取11%。為了對比不同加工方式獲得的集料對斜坡流淌的影響，結合以往工程項目經驗和設計規范要求，以京博SG70水工瀝青開展油石比為7.6%的斜坡流淌試驗。

2 結果與分析

2.1 AIMS試驗結果

圖1為兩種破碎加工方式得到的骨料粒形示意圖。從圖1中可以看出，反擊破加工的骨料棱角性大于沖擊破加工的骨料。圖2和圖3給出了沖擊破和反擊破加工條件下不同粒徑骨料的棱角性和Form2D檢測結果。對于沖擊破加工的粗骨料，4.75～9.5 mm骨料具有最高的棱角性3 247，大于同粒徑下反擊破加工的骨料的3 033，0.6～1.18 mm細骨料的Form2D最大為7.99，大于同粒徑下反擊破加工的骨料的7.32。對于反擊破加工的骨料，除 4.75～9.5 mm之外，其他幾種規格的骨料的棱角性都比沖擊破加工的骨料高，棱角性范圍在2 760～3 178之間；除0.6～1.18 mm之外，1.18～2.36 mm和2.36～4.75 mm骨料的Form2D都高于沖擊破加工的骨料，Form2D值分別為8.74和8.30。整體上骨料的棱角性、形狀等和骨料粒徑關系不明顯，而骨料的粒形特征與破碎加工方式關系顯著，表現為反擊破加工的骨料粒形明顯優于沖擊破加工的骨料。

2.2 斜坡流淌試驗結果

水工瀝青混凝土的斜坡流淌試驗結果見表1 。集料分別采用沖擊破加工的骨料和反擊破加工的骨料。當采用0.24級配指數時，沖擊破加工的骨料制成的瀝青混凝土的斜坡流淌值在0.58～2.66 mm范圍內，平均值為1.34 mm，而反擊破加工的骨料的斜坡流淌值的平均值為0.43 mm，且波動范圍在0.14～0.69 mm范圍內；當采用0.35級配指數時，沖擊破加工的骨料制成的瀝青混凝土的斜坡流淌值在0.78～2.89 mm范圍內，平均值為1.71 mm，而反擊破加工的骨料的斜坡流淌值的平均值為0.61 mm，且波動范圍在0.19～1.40 mm范圍內；當采用0.43級配指數時，沖擊破加工的骨料制成的瀝青混凝土的斜坡流淌值在0.18～1.85 mm范圍內，平均值為0.8 mm，而反擊破加工的骨料的斜坡流淌值的平均值為0.35 mm，且波動范圍在0.11～0.81 mm范圍內。通過對比不同級配指數下的斜坡流淌值，反擊破加工的骨料制成的水工瀝青混凝土的斜坡流淌值都能滿足小于0.8 mm的規范要求，而沖擊破加工的骨料只有在0.43級配指數下才能勉強滿足技術要求?？傮w上棱角性高的骨料有利于提升密實懸浮結構型水工瀝青混凝土的斜坡穩定性，而棱角性較差時，需采用較高級配指數以提高瀝青混凝土骨架結構來提高高溫穩定性。

表1 沖擊破加工和反擊破加工的骨料的斜坡流淌試驗結果 /mm

集料的形態特征對瀝青混合料的高溫穩定性能有著較大的影響，具有豐富棱角性及表面粗糙的集料，能夠提供較大的內摩擦力及與瀝青的粘附力，可增強瀝青混合料的高溫抗剪切性能。研究表明集料的骨架作用對高溫性能起到大于70%的貢獻，瀝青的貢獻相對較小，因此優化骨料級配和棱角性對其高溫性能改善效果最為顯著[11]。破碎加工方式影響集料的棱角性和球形度，反擊破加工的集料棱角性高，球形度低，而沖擊破加工的集料棱角性低，球形度高。由于棱角性小和球形度高的集料內摩擦力不如棱角性大和球形度小的集料，在瀝青混合料中形成的骨架結構穩定性也相對較差，不利于瀝青混凝土的抗高溫斜坡流淌。

防滲層瀝青混凝土對施工和易性有較高的要求，為此前期項目中普遍采用摻配天然砂的形式加以改善和易性，常用比例是天然砂∶機制砂=1∶1。由于天然砂偏橢圓，表面紋理少，其摻入對高溫斜坡流淌有不利影響。為了進一步驗證天然砂的棱角性和粒形，開展AIMS分析，結果表明1.18～2.36 mm和0.6～1.18 mm的天然砂Form2D分別為0.58和0.62，明顯低于沖擊破和反擊破加工的機制砂。為了驗證天然砂對瀝青混凝土斜坡流淌的影響，采用0.35和0.43級配指數，細集料部分采用天然砂∶機制砂=1∶1制成瀝青混凝土試件并開展斜坡流淌試驗，其中粗骨料和機制砂為反擊破方式加工，斜坡流淌試驗結果見表2。由表2可知，摻入天然砂的瀝青混凝土的斜坡流淌值均大于技術要求的0.8 mm。0.35和0.43級配指數下的斜坡流淌值分別為1.82 mm和1.00 mm，均大于反擊破加工的骨料的斜坡流淌值，并且大于沖擊破加工骨料的1.71 mm和0.80 mm。進一步驗證了細骨料粒形對防滲層水工瀝青混凝土斜坡流淌值有顯著的影響。在采用天然砂提高瀝青混凝土施工和易性的同時應注意檢驗其對高溫斜坡流淌的影響。

3 結 論

a.集料粒形對水工瀝青混凝土的抗斜坡流淌性能影響顯著，而破碎加工方式往往決定了集料的粒形。采用集料圖像測量系統可很好地表征集料的棱角性，反擊破比沖擊破能更好加工出棱角性高和粒形好的集料，其更有利于改善瀝青混凝土的抗斜坡流淌性能。

b.防滲層瀝青混凝土屬于密實懸浮結構，細集料粒形對高溫斜坡流淌性能影響顯著，反擊破加工的機制砂優于沖擊破加工的機制砂，而機制砂整體優于天然砂。

c.為了保證防滲層瀝青混凝土的抗高溫斜坡流淌性能，在配合比設計時應優先采用高棱角性的集料，同時選用較高級配指數進行級配設計以利用骨架結構來進一步提升高溫穩定性。