天然砂礫石骨料心墻瀝青混凝土耐久性試驗研究

董蕓　熊澤斌　王曉軍　閆小虎

摘要：天然砂礫石多為酸性巖石，通過添加水泥、抗剝落劑等可使應用天然砂礫石骨料的心墻瀝青混凝土水穩定性合格，然而目前針對天然砂礫石骨料瀝青混凝土長期耐久性的研究相對較少，使工程上應用天然砂礫石骨料仍多有疑慮。通過分析在高溫水浸泡及凍融循環條件下天然砂礫石瀝青混凝土力學變形性能的變化規律，探討了使用天然砂礫石骨料的心墻瀝青混凝土長期耐久性。試驗結果表明：摻加抗剝落劑的天然砂礫石骨料瀝青混凝土的長期水穩定性能與灰巖骨料瀝青混凝土相當，且具有良好的抗凍融特性；孔隙率對天然砂礫石骨料瀝青混凝土的小梁彎曲強度及其凍融損傷變量、最大彎拉應變、最大壓縮應變等指標均有較大影響；提高瀝青混凝土的壓實度，減小孔隙率，對于保證心墻瀝青混凝土的彎曲強度和變形性能具有重要意義。

關 鍵 詞：酸性骨料； 瀝青混凝土； 長期水穩定性； 凍融； 抗剝落劑； 損傷變量

中圖法分類號： TV431

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.031

0 引 言

瀝青混凝土心墻砂礫石壩具有適應變形能力強、結構簡單、防滲性好、造價低、施工快捷且不易受天氣影響等優勢，成為防滲土料稀缺而砂礫石料儲量豐富的西藏、新疆等西部地區水利水電工程建設的主力壩型［1-2］。據中國大壩工程學會統計，截至2019年，新疆已建瀝青混凝土心墻壩71座，分別占中國已建119座和世界已建217座該壩型的60%和33%。其中，高度在100 m以上的有8座。伴隨著西部地區瀝青混凝土心墻砂礫石壩的建設發展，配制心墻瀝青混凝土所要用到的堿性骨料短缺成為制約當地壩工建設的重要因素。天然砂礫石在西部地區分布廣泛、儲量豐富，但由于其組成巖石種類復雜，且多為酸性巖石，為工程應用帶來諸多疑慮。若能合理應用天然砂礫石骨料，對于解決工程上心墻瀝青混凝土骨料料源短缺難題、避免由于石場開采對當地脆弱生態環境的破壞具有重要意義。

瀝青與骨料的黏附性是影響瀝青混凝土水穩定性的關鍵因素，也是決定瀝青混凝土力學變形性能和耐久性能的主要因素［3-4］。國內外學者已經開展了大量研究以提高酸性骨料與瀝青的黏附性和瀝青混凝土的水穩定性。研究表明，胺類和非胺類抗剝落劑可有效增強骨料與瀝青的黏附性［5-6］，抗剝落劑的加入增加了瀝青的表面自由能，提高了瀝青與集料的黏附能力［7］。消石灰可有效提高瀝青混凝土的水穩定性，但其摻入量和摻入方式不同，導致的效果會不一樣［8-9］。此外，采用水泥部分或全部替代石灰石粉填料也可有效改善礫石骨料與瀝青的黏附性，瀝青混凝土水穩定系數隨浸水時間的延長而先增大后減小，且最長浸水1 500 h后水穩定系數仍然能夠滿足規范要求［10］。由于心墻瀝青混凝土孔隙率較小，在常壓下水很難進入瀝青混凝土內部，水損害行為在短時間內不易表現出來。然而，心墻瀝青混凝土服役期間將經受長期水荷載作用，作為典型的剪脹性材料，心墻瀝青混凝土在水荷載長期作用下會產生一定的體積變形，孔隙率隨之增大，對長期水穩定性產生較大影響，但針對天然砂礫石骨料瀝青混凝土長期耐久性的研究相對較少。

本文采用嚴苛的水損害試驗，通過80 ℃高溫水長期浸泡和多次凍融循環，研究不同孔隙率下，摻抗剝落劑天然砂礫石骨料心墻瀝青混凝土的長期水穩定性、力學與變形性能隨水損害過程的變化規律，以為工程上心墻瀝青混凝土應用天然砂礫石骨料提供參考依據。

1 原材料與試驗方案

試驗采用的庫車70號瀝青性能指標見表1，灰巖石粉填料性能指標見表2。非胺類抗剝落劑生產廠家為江蘇博特新材料有限公司，其分解溫度高于250 ℃，摻量與砂礫石骨料瀝青混凝土水穩定性系數關系如圖1所示，根據試驗結果，選擇0.3%的抗剝落劑摻量。

骨料采用最大粒徑為19 mm的灰巖碎石和西部地區破碎天然砂礫石。灰巖骨料表觀密度為2 700 kg/m3，黏附性等級為5級，各項指標滿足SL 501-2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》要求。天然砂礫石主要由石英砂巖、粗粒花崗巖、白色花崗巖和角閃片巖等酸性巖石組成，并含有少量灰巖，表觀密度2 750 kg/m3，吸水率 0.6%～1.0%，堅固性1.7%，將天然砂礫石混勻后磨成石粉測得堿度模數為0.21，表明其為酸性骨料，天然砂礫石的化學成分見表3。砂礫石中的石英砂巖、白色花崗巖和粗粒花崗巖的黏附性等級分別為4級、3級、3級，添加0.3%抗剝落劑后，石英砂巖、白色花崗巖和粗粒花崗巖與瀝青的黏附性等級均提高至5級，天然砂礫石骨料黏附性試驗典型照片見圖2。

心墻瀝青混凝土的配合比通過馬歇爾穩定度和流值試驗確定（見表4）。灰巖和破碎天然砂礫石骨料礦料級配分布見圖3～4。心墻瀝青混凝土室內試驗孔隙率通常低于2%，現場通常控制低于3%，通過擊實次數調整，將灰巖和砂礫石制備的瀝青混凝土試件的孔隙率分別控制在1.5%和4.0%左右。

2 試驗方法

2.1 長期水穩定性試驗

長期水穩定性試驗方法是參照學者提出的將瀝青混凝土在80 ℃水中浸泡75 h，相當于在20 ℃水中浸泡一年的定量關系制定的。試件成型、尺寸及試驗方法參照DL/T 5362-2006《水工瀝青混凝土試驗規程》進行。按擊實法制備試件，每個配合比制備21個試件，分為7組，第一組試件在（20±1）℃的空氣中養護48 h，隨后進行抗壓強度試驗；第二組試件在（60±1）℃的恒溫水箱中浸泡48 h，再在（20±1）℃水中恒溫4 h，隨后進行抗壓強度試驗，計算初始水穩定系數；其余5組瀝青混凝土試件在（80±1）℃恒溫水箱中分別浸泡750，1 500，2 250，3 000，3 750 h后取出，在（20±1）℃水中恒溫4 h，進行抗壓強度試驗，測定其抗壓強度Rn。

長期水穩定系數計算公式為

Kn0=Rn/R0（1）

2.2 凍融試驗

每種配合比分別制備4組劈裂試件、4組小梁彎曲試件和4組單軸壓縮試件。將不同類型試件各1組放置在（4.7±0.5）℃的恒溫水浴中養護24 h后分別進行劈裂、小梁彎曲和單軸壓縮試驗，測定其劈裂抗拉強度及劈裂拉伸應變、抗彎強度及最大彎拉應變、抗壓強度及最大應力時應變。其余試件按JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0717標準的飽水試驗方法真空飽水，在真空度為97.3～98.7 kPa條件下保持15 min，恢復常壓，將試件在水中放置0.5 h。取出試件放入塑料袋中，加入約10 mL的水，扎緊袋口，將試件放入恒溫冰箱，冷凍溫度為（-16±2）℃，保持（24±1）h。將試件取出后，立即放入（60±0.5）℃的恒溫水槽中，撤去塑料帶，保溫24 h。重復以上凍融循環步驟，分別在10，20，30次凍融循環后，取出不同類型試件各1組，浸入溫度為（4.7±0.5）℃的恒溫水槽24 h后，進行劈裂、彎曲和單軸壓縮試驗。

2.3 力學性能試驗

凍融前后心墻瀝青混凝土的劈裂試驗按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行，試件尺寸為φ100 mm×63.5 mm。

凍融前后心墻瀝青混凝土的小梁彎曲及單軸壓縮試驗按照DL/T 5362-2006《水工瀝青混凝土試驗規程》相關規定進行，小梁彎曲及單軸壓縮試件尺寸分別為250 mm×35 mm×40 mm和φ100 mm×100 mm。

3 試驗結果與分析

3.1 長期水穩定性

灰巖骨料與天然砂礫石破碎骨料瀝青混凝土長期水穩定系數及其與初始水穩定系數相比的降低比率如圖5～6所示。

相同的低孔隙率下，摻抗剝落劑的砂礫石骨料瀝青混凝土初始水穩定系數為0.99，高于灰巖瀝青混凝土的0.94。從圖5可以看到，隨著在80 ℃水中浸泡時間的增加，瀝青混凝土的長期水穩定系數下降。低孔隙率下，各浸泡齡期灰巖骨料瀝青混凝土與砂礫石破碎骨料瀝青混凝土的水穩定系數相差不大，說明摻加合適摻量、合適品種的抗剝落劑后，天然砂礫石骨料瀝青混凝土的長期耐久性可達到灰巖骨料瀝青混凝土的水平。從圖6可以看到，除1 500 h外，低孔隙率砂礫石骨料瀝青混凝土在不同浸泡時間下的長期水穩定系數降低比率均高于灰巖骨料瀝青混凝土。

從圖5和圖6還可以看到，孔隙率對瀝青混凝土長期水穩定系數影響較大，對于砂礫石骨料瀝青混凝土，大孔隙率試件的初始水穩定系數低于小孔隙率試件，750 h后，隨浸泡時間增加，其長期水穩定系數降低比率均大于小孔隙率試件。

3.2 凍融次數對強度的影響

在凍融循環作用下，瀝青混凝土孔隙率和體積開始增大，內部由于凍脹應力會出現損傷，并不斷發展，且在水分的侵蝕作用下瀝青與集料界面性能也逐步衰減，導致其力學性能下降［11-13］，因此可以通過測試凍融過程中材料力學性能指標的變化來表征材料內部的損傷程度。由損傷力學可知，損傷變量D可表達為［14-15］

D=1－En/E0（2）

式中：En為凍融n次后的瀝青混凝土試件強度；E0為未凍融試件的強度。

不同孔隙率下砂礫石破碎骨料瀝青混凝土劈裂抗拉強度、單軸壓縮強度和小梁彎曲強度及其損傷變量隨凍融循環次數的變化如圖7～9所示。

由圖7～9可知：劈裂抗拉強度、單軸壓縮強度和小梁彎曲強度均隨著凍融循環次數的增加而降低，而相應的損傷變量則隨著凍融次數的增加而增大。同時可以看到，凍融作用對心墻瀝青混凝土的劈裂抗拉強度、單軸壓縮強度和小梁彎曲強度的影響規律不同。劈裂抗拉強度和單軸壓縮強度在初始凍融作用下快速降低，在20次凍融循環后，強度降低速率趨緩。而瀝青混凝土小梁彎曲強度則隨凍融循環次數增加緩慢下降，且小孔隙率試件在10次凍融循環內彎曲強度基本不降低。經30次凍融循環后，小孔隙率試件劈裂抗拉強度、單軸壓縮強度和小梁彎曲強度的損傷變量分別為0.21，0.22和0.11，大孔隙率試件則分別為0.20，0.18和0.19。摻抗剝落劑的砂礫石瀝青混凝土具有較好的抗凍融損傷特性。

可以看到，孔隙率變化對瀝青混凝土劈裂強度和單軸壓縮強度及其損傷變量的影響較小。經10次凍融循環后，大孔隙率試件的劈拉強度和單軸壓縮強度比小孔隙率試件分別降低5%和4%；經20次凍融循環后，兩者的劈裂抗拉強度和單軸壓縮強度差距縮小；經30次凍融循環后，大孔隙率試件單軸壓縮強度甚至略高于小孔隙率試件。但孔隙率對瀝青混凝土小梁彎曲強度有明顯影響，且大孔隙試件小梁彎曲強度隨凍融次數增加的下降幅度略高于小孔隙率試件。孔隙率變化對小梁彎曲強度的影響明顯高于凍融作用。大孔隙率試件經0，10，20，30次凍融循環后，其小梁彎曲強度比小孔隙率試件的分別低42%，45%，46%，48%。

3.3 凍融次數對力學變形性能的影響

不同孔隙率下砂礫石破碎骨料瀝青混凝土經多次凍融循環后的劈裂破壞拉伸應變、最大壓縮應變和最大彎拉應變及其與初始破壞應變的比值見圖10～15。

圖10和圖11試驗結果表明：大孔隙率瀝青混凝土的初始劈裂破壞拉伸應變要高于小孔隙率混凝土，經10，20次和30次凍融后，大孔隙率試件的凍融劈裂破壞拉伸應變先降低后小幅增加再降低，但均小于初始拉伸應變；而小孔隙率試件相反，其凍融劈裂破壞拉伸應變先增加后降低再小幅增加，且均高于初始拉伸應變。

從圖12和圖13可以看到：大孔隙率瀝青混凝土的初始最大壓縮應變明顯低于小孔隙率混凝土，是其初始最大壓縮應變的79%，兩者差值明顯高于兩者初始壓縮強度的差值。隨著凍融次數的增加，尤其是10次凍融后，小孔隙率試件的最大壓縮應變快速降低，而大孔隙率試件的最大壓縮應變隨著凍融次數的增加而降低緩慢，兩者在30次凍融后最大壓縮應變基本相當，小孔隙率試件的最大壓縮應變降低了33%，而大孔隙率試件僅降低了14%。

從圖14和圖15可以看到：孔隙率對瀝青混凝土的最大彎拉應變有較大影響，大孔隙率試件初始最大彎拉應變為小孔隙率試件的62%，且凍融作用對大孔隙率試件的最大彎拉應變的影響高于小孔隙率試件，隨凍融次數增加，大孔隙率試件的最大彎拉應變下降幅度高于小孔隙率試件，尤其20次凍融后，大孔隙率試件的最大彎拉應變下降了20%，為初始值的55%，而小孔隙率試件僅小幅下降了2%，為初始值的77%。

綜上，提高心墻瀝青混凝土的壓實度，減小孔隙率，對于保證心墻混凝土的彎曲強度和變形性能具有重要意義。

4 結 論

（1） 低孔隙率下，摻加抗剝落劑的天然砂礫石骨料心墻瀝青混凝土的長期耐久性可達到灰巖骨料心墻瀝青混凝土的水平。

（2） 大孔隙率下，砂礫石破碎骨料心墻瀝青混凝土的初始水穩定系數低于小孔隙率的瀝青混凝土，隨著浸泡時間增加，其長期水穩定系數降低比率高于小孔隙率瀝青混凝土。

（3） 瀝青混凝土的劈裂抗拉強度、單軸壓縮強度和小梁彎曲強度均隨著凍融循環次數的增加而降低，相應的損傷變量隨著凍融次數的增加而增大。

（4） 凍融作用對瀝青混凝土的劈裂抗拉強度、單軸壓縮強度和小梁彎曲強度的影響規律不一，劈裂抗拉強度和單軸壓縮強度在初始凍融作用下快速降低，20次凍融循環后，強度降低速率趨緩；而小梁彎曲強度則隨凍融循環次數增加緩慢下降。

（5） 摻抗剝落劑的砂礫石瀝青混凝土具有較好的抗凍融性能，經30次凍融循環后，小孔隙率的試件劈裂抗拉強度、單軸壓縮強度和小梁彎曲強度的損傷變量分別為0.21，0.22和0.11，大孔隙率的試件則分別為0.20，0.18和0.19。

（6） 孔隙率對心墻瀝青混凝土劈裂強度、單軸壓縮強度及其凍融損傷變量，以及劈裂拉伸應變影響較小，但對小梁彎曲強度及其凍融損傷變量、最大彎拉應變、最大壓縮應變有較大影響。提高心墻瀝青混凝土的壓實度，減小孔隙率，對于保證心墻混凝土的彎曲強度和變形性能具有重要意義。

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（編輯：胡旭東）

Experiment on durability of core wall asphalt concrete with natural gravel aggregate

DONG Yun1，2，XIONG Zebing2，3，WANG Xiaojun1，2，YAN Xiaohu1，2

（1.Institute of Material and Structure，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.National Research Center on Dam Safety Engineering，Wuhan 430010，China； 3.CISPDR，Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Natural gravel is mainly acidic rock.Adding cement，anti-stripping agent and other measures can make the water stability of core wall asphalt concrete with gravel aggregate qualified.However，there were relatively few studies on the long-term durability of core wall asphalt concrete with natural gravel aggregate，so the application of natural gravel aggregate in engineering is still doubtful.In this paper，the evolution law of mechanical and deformation performance of asphalt concrete with gravel aggregate under long-term immersion in high temperature water and after freeze-thaw cycles was systematically analyzed.And the durability of asphalt concrete with gravel aggregate for core wall was further investigated.The results showed that the long-term water stability of asphalt concrete with gravel aggregate and anti-stripping agent is similar to that of asphalt concrete with limestone aggregate，which also possesses excellent freeze-thaw resistance.In addition，the porosity of asphalt concrete has great influence on the bending strength and its freeze-thaw damage variables，maximum flexural strain and maximum compressive strain.Therefore，it is of great significance to improve the compacting degree and decrease the porosity of the asphalt concrete in the core wall to ensure the bending strength and deformation performance of the asphalt concrete for core wall.

Key words： acid aggregate；asphalt concrete；long-term water stability；freeze-thaw；anti-stripping agent；damage variable

收稿日期：2022-05-11

作者簡介：董 蕓，女，正高級工程師，碩士，主要從事水工材料方面的研究。E-mail：910613876@qq.com