高寒地區瀝青混凝土心墻配合比設計

田 艷

（中國水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710016）

0 引言

瀝青混凝土是由礦料與瀝青結合料拌和而成的多相復合材料,因其具有優良的防滲性能、適應變形能力和裂縫自愈能力而廣泛應用于心墻壩中[1]。

瀝青混凝土配合比選擇是從力學、防滲及耐久性等方面分析材料的性能與配合比設計參數的關系,從而確定油石比、級配指數以及填料用量[2]。國內外最早使用的配合比設計方法是馬歇爾試驗[3],但是隨著科學研究的進步和深入,西安理工大學[4]通過分析大量工程試驗資料發現,馬歇爾試驗溫度高達60℃與心墻長期所處環境溫度相差較大,其加載速度也相對較快,且瀝青含量與其變形成正比。張應波等[5-6]以間接拉伸強度為目標進行瀝青混凝土配合比選擇,瀝青混凝土心墻在壩體中主要受彎拉作用,該試驗方法符合瀝青混凝土心墻在壩體中的受力特點。余梁蜀等[7]通過對墊層的剪切抗滲配合比進行了性能驗證,結果表明防滲效果非常好。潘登科[8]通過小梁彎曲試驗來選擇瀝青混凝土配合比,研究了抗彎性能在不同加載速率下和不同溫度下的變化特征,提出了該方法可以高效的選擇瀝青混凝土配合比因為其符合心墻的受力特點。余梁蜀等[9-10]研究了配合比各因素對瀝青混凝土強度、變形能力及防滲性的影響規律,并采用單一因素分析獲取了最優配合比。

在瀝青混凝土心墻壩的施工過程中,環境因素對工程質量的影響不容忽視,尤其在高寒高海拔復雜的氣候條件下混凝土配合比性能會出現失效現象,本文以為托帕水庫工程為背景,進行水工瀝青混凝土配合比設計,豐富高寒地區水工瀝青混凝土配合比設計理論。

1 試驗方案與步驟

托帕水庫工程壩址位于新疆恰克瑪克河上,托帕水庫工程由攔河壩、溢洪洞、泄洪沖沙洞和灌溉放水洞等組成。攔河壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩。瀝青混凝土心墻壩壩頂高程2397.5 m,壩頂寬度為8.0 m：最大壩高61.5 m,大壩長431.42 m。

1.1 原材料

粗骨料：為粒徑大于2.36 mm 的破碎粗骨料；細骨料：為粒徑0.075 mm~2.36 mm 的人工砂；填料：采用粗骨料加工的堿性礦粉；瀝青：采用道路90#A 瀝青。

1.2 配合比方案設計

依據《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》（SL 501-2010）[11]中給出配合比參數范圍,本文擬選用級配指數為0.33、0.39、0.45,填料含量為9%、11%、13%、15%,油石比為6.5、6.8、7.1、7.4,進行水工瀝青混凝土配合比設計見表1。

表1 瀝青混凝土配合比參數表

本文試驗最大骨料粒徑選用Dmax=19 mm,試驗溫度為9.1℃。依據《水工瀝青混凝土試驗規程》（DL/T 5362-2006）[12]要求,每組試驗設置三個平行試樣見圖1。考慮瀝青混凝土配合比參數的不同,分別對試件的理論密度、孔隙率和間接拉伸強度及其對應的應變進行測試。劈裂試驗加載速度為1.0 mm/min,試驗結果見表2。

圖1 馬歇爾試件

表2 瀝青混凝土理論密度、孔隙率結果表

2 材料參數對瀝青混凝土力學性能的影響

2.1 級配指數對瀝青混凝土性能的影響

結合編號為1、2、3 的配合比試驗結果見表2。當油石比為6.8%、填料含量為13%時,三組瀝青混凝土孔隙率分別為1.4%、1.0%、1.0%,平均最大間接拉伸強度為0.37 MPa、0.37 MPa、0.34 MPa,平均間接拉伸應變分別為1.59%、1.43%、1.17%,由此得出,且級配指數為0.39 時,配合比較優。

2.2 填料含量對瀝青混凝土性能的影響

結合編號為2、4、5、6 的配合比試驗結果見表2。當級配指數為0.39、油石比為6.8%時,9%、11%、13%、15%填料含量下瀝青混凝土孔隙率分別為1.7%、1.6%、1.0%、1.2%,間接拉伸強度分別為0.34 MPa、0.31 MPa、0.36 MPa、0.24 MPa,間接拉伸應變分別為1.43%、1.51%、1.43%、1.87%。由此可知,當填料含量為13%時,瀝青混凝土間接拉伸強度最優。

2.3 油石比對瀝青混凝土性能的影響

結合編號為7、2、8、9 的配合比試驗結果見表2。當級配指數為0.39、填料含量為13%時,6.5%、6.8%、7.1%、7.4%四組油石比下瀝青混凝土孔隙率為1.3%、1.0%、0.8%、0.4%,間接拉伸強度分別為0.29 MPa、0.37 MPa、0.36 MPa、0.35 MPa,間接拉伸應變分別為1.37%、1.43%、1.30%、1.36%。可以發現,隨著油石比的增大,瀝青混凝土孔隙率逐漸減小,且油石比為6.8%時,瀝青混凝土間接拉伸強度最優。

由上述試驗結果和工程需求方面考慮,編號2 配合比為托帕水庫心墻瀝青混凝土推薦配合比。其材料和級配參數見表3,礦料級配見表4 和圖2。

圖2 2 號瀝青混凝土礦料級配曲線

表3 推薦配合比參數表

表4 推薦配合比的礦料級配表

3 推薦配合比瀝青混凝土性能試驗

在配合比初選的基礎上,對推薦的2 號瀝青混凝土配合比開展驗證試驗

3.1 小梁彎曲試驗

對瀝青混凝土板切割成小梁彎曲試件（35 mm×40 mm×250 mm）,設置10℃的試驗溫度,變形速率設定為1.67 mm/min。

推薦配合比瀝青混凝土小梁彎曲試驗結果見表5。

表5 推薦配合比瀝青混凝土小梁彎曲試驗結果

由上述結果可知,2 號配合比瀝青混凝土試件的孔隙率為1.0%,強度為2.10 MPa,強度對應的應變為2.140%。

3.2 單軸壓縮試驗

將選取配合比瀝青混凝土制備成φ100 mm×100 mm 尺寸試件,在測試溫度為10℃,變形速度為1.0 mm/min 條件下進行抗壓試驗。推薦配合比瀝青混凝土抗壓試驗結果見表6。

表6 推薦配合比瀝青混凝土試件抗壓試驗結果表

由上述結果可知,2 號配合比瀝青混凝土具有較大的壓縮強度和壓縮應變。

3.3 水穩定性能試驗

水穩定性能試驗是將同一批尺寸為φ100 mm×100 mm的試件分2 組,1 組試件在60±1℃的水中浸泡48 小時后,再在20±1℃的水中恒溫2 小時,然后進行抗壓試驗；另1 組在20±1℃空氣中恒溫不少于48 小時進行抗壓試驗,2 組抗壓強度之比為水穩定系數。試驗中變形速度為1.0 mm/min。推薦配合比瀝青混凝土水穩定試驗結果見表7。

表7 瀝青混凝土試件水穩定試驗結果表

由上述試驗結果可知,推薦的配合比水穩定系數為0.91,滿足>0.9 的設計要求。

3.4 三軸試驗

推薦配合比瀝青混凝土靜三軸試驗結果見表8,根據試驗結果繪制不同圍壓下的偏應力（σ1-σ3）與軸向應變關系曲線及軸向應變（ε1）與體積應變（εν）關系曲線。推薦配合比瀝青混凝土靜三軸試驗結果見表8。

表8 推薦配合比瀝青混凝土靜三軸試驗結果表

根據試驗結果繪制不同圍壓下的應力圓,作諸圓包絡線,從而求得推薦配合比瀝青混凝土的剪切強度參數C 和φ值。試驗得到的所選配合比瀝青混凝土靜三軸非線性E-B 模型和E-模型參數分別見表9、表10。

表9 瀝青混凝土非線性E-B 模型參數表

表10 瀝青混凝土非線性E-模型參數表

瀝青心墻混凝土的目標配合比設計所得的瀝青混合料小梁彎曲試驗、單軸壓縮試驗、水穩定性試驗的性能試驗結果均符合《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》（SL 501-2010）[11]。

4 結論

（1）瀝青心墻混凝土最優配合比為油石比：6.8%,級配指數：0.39,填料含量：13%。

（2）瀝青心墻混凝土的目標配合比設計所得的瀝青混合料小梁彎曲試驗、單軸壓縮試驗、水穩定性試驗的性能試驗結果均符合《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》要求。