克孜加尔大坝沥青混凝土心墙材料选择

张宏军

(新疆水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

克孜加尔大坝位于新疆克兰河峡谷口上游3km处，库容1.67亿m3，属于Ⅱ等大 (2)型综合利用水利枢纽工程，坝高64m，坝顶长度355m。坝址处河谷呈U形，河床宽120m，覆盖层厚1～3m，下覆基岩为花岗片麻岩，两岸山体高出河谷80～100m，基岩裸露，地形地质条件较好，适宜建造土石坝及重力坝。峡谷口下游砂砾石料储量充足，距离枢纽60km范围内有3处碱性灰岩料场，当地材料满足筑坝材料质量与储量需求。经过多种坝型比较，设计选择了碾压式沥青混凝土防渗心墙砂砾石坝。

2 沥青的选择

水利工程主要采用道路石油沥青，是市场上供应量最大和应用最广泛的沥青。石油沥青认为是无毒的，对于水质与环境基本无污染，在与水源有关的工程建筑上，这一特性是很重要的。土石坝中作为防渗体结构的碾压式沥青混凝土，它的物理力学性能在很大程度上受到沥青性能的影响，沥青的技术指标与道路沥青相近。考虑到作为水工建筑物中的沥青混凝土防渗体要起到全面的防渗作用，因此，在耐老化、抗裂、适应变形等方面，水工使用的石油沥青应比一般道路沥青有更高的要求。水工上选用道路石油沥青时比较关心沥青的针入度、软化点和延伸度，即所谓沥青三大指标。目前，国内外各种碾压式沥青混凝土防渗墙所用的石油沥青多为道路沥青，其针入度为40～100(1/10mm)。在气温较高的地方，大多采用针入度较小的沥青;在气温较低的地方，则采用针入度较大的沥青。因此，石油沥青的品种应根据工程的类型、等级，以及气候条件、工作条件和材料价格等因素，并遵循针入度较小、软化点较低和延度较大的原则作如下选用。

(1)一般碾压式沥青混凝土所用的沥青，宜选用《道路石油沥青》 (SY 1661—77)中的100甲和60甲两个标号。

(2)在大型和重要的碾压式沥青混凝土防渗工程中，选用的沥青应事先进行试验和论证。选择适当的沥青生产单位，产品实测指标要争取优于现行道路沥青标准，可采用《重交通道路石油沥青技术要求》中的AH—90、AH—70、AH—50三个标号。

(3)浇注式沥青混凝土所用沥青技术指标可以放得更宽，对延度可不提要求，重点放在针入度和软化点方面。

(4)当上述沥青产品的技术指标不能满足工程的需要时，通过试验可采用黏稠沥青与氧化沥青进行掺配，调整沥青的技术参数，最终确定选用的沥青。

由于各地气象条件、工程条件等差别较大，很难设想有某一种沥青能够满足各种变化的条件，因此，在选用沥青时要做到因地制宜，取长避短，在必要时还可采用掺配沥青，或者是掺加外加剂等有效措施。克孜加尔大坝碾压式沥青混凝土心墙选择了新疆克拉玛依生产的AH70石油沥青，除了具有针入度较小、软化点较低和延度较大的基本特点外，主要优点是含蜡量较低，国内其他地区的石油沥青含蜡量普遍偏高，容易使沥青混凝土产生流淌现象。现场沥青材料检测结果与相关规范要求指标对照见表1。

表1 克孜加尔大坝AH70沥青性能检测成果表

3 矿料的选择

沥青混凝土粗骨料、细骨料和填充料通常均由碱性矿料加工而成，统称为矿料，是沥青混凝土的主要组成部分。过去国内水工沥青混凝土骨料曾采用5mm作为粗细骨料的界限，应用上虽无不可，但不能确切地反映细粒矿料的影响和作用，我国现行水工沥青混凝土技术标准，按照向国际标准接轨，已经采用2.5mm作为粗细骨料的界限，将粒径大于2.5mm的粒料定义为粗骨料，粒径为0.074～2.5mm的粒料定义为细骨料，小于0.074mm的粒料为填充料。

3.1 骨料作用与特性

骨料占沥青混凝土组成的80%，一般要求用清洁、坚硬、耐久、均匀的岩石加工制作，并且粗骨料与沥青的黏结力及细骨料的水稳定性优良。骨料与沥青黏附性的优劣是沥青混凝土结构形成的决定因素，它直接关系到沥青混凝土的强度、温度稳定性、水稳定性及老化速度等重要性能。沥青混凝土对矿料有以下基本要求。

(1)骨料颗粒质地坚固，在沥青混凝土中组成骨架结构，使沥青混凝土获得必要的强度以承受外力的作用，形成的骨架结构才能经受一定的外力作用。但沥青防渗墙不同于道路工程，既没有车轮那样的集中荷载，也不经受道路上那样的冲击、磨损作用，因此并不要求骨料有过高的强度。但施工中，摊铺机、振动碾等机械要在其上运行并实施作业，骨料的坚固性应足以承受这些荷载的作用而不致颗粒破碎。

(2)制备沥青混合料时，骨料要进行烘干、加热，骨料的性质应能保持稳定。虽然骨料加热温度一般不超过200℃，但天然岩石的组成、构造极其复杂，应考虑到加热过程不致给骨料带来的不利影响。

(3)骨料骨架结构的特性，除骨料颗粒的质地外，还可用骨料的密实度 (或空隙率)及内摩擦力等指标来表征。骨料的密实度对沥青混凝土的性质有着重要的影响。骨料密实度愈小，即空隙率愈大，沥青用量也愈大，而自由沥青的含量增多，沥青混凝土的塑性则急剧增大，热稳定性将显著降低。合理选择级配可以增大骨料的密实度。

(4)骨料的内摩擦力随粒径的增大而提高，采用棱角尖锐的碎石，特别是采用坚实岩石破碎的人工砂，能有效地提高内摩擦力。骨料的内摩擦力随沥青用量的增加，尤其是自由沥青的数量增大而减小。针片状颗粒的存在可以降低骨料的密实度和骨料相互嵌挤的程度，因此粗骨料应有合适的粒形。

(5)沥青与矿料表面的黏附力，取决于界面上所发生的物理化学作用，也影响到沥青混凝土的性质。酸性岩石与沥青主要是物理吸附作用，故黏附性较差。碳酸盐或碱性岩石可以与沥青中的表面活性物质酸性胶质或其他表面活性掺料产生化学吸附，故能较好地相互黏附。因此，水工沥青混凝土的矿料，一般多由碳酸盐或碱性岩石制成。

(6)采用多孔矿料时，由于沥青渗入孔隙内部，使黏附性得到显著改善，但应注意到矿料孔隙对沥青选择性吸附的影响，微孔结构的矿料具有极大的吸附势能，在矿料表面吸附着沥青质，微孔中吸收胶质，而油分则渗入微孔的深处。选择性吸附的结果将大大改变沥青的性质，使其强度、热稳定性等提高，塑性降低，从而表现出硬化的倾向。对粗孔结构的矿料，由于吸附势能低，沥青主要是向粗孔内部渗透，选择性吸附的影响甚小，虽然要增加沥青用量，但对其性质没有明显的影响。

3.2 填料作用与特性

填料主要特点就是具有很大的表面积，占沥青混凝土矿料总表面积约90%～95%。填料的作用是与沥青共同组成胶结料，将骨料黏结成整体，并填充骨料的空隙，使原来容积状的沥青变为薄膜状的沥青，随着填料浓度的增大，填料表面形成的沥青膜的厚度减薄，沥青胶结料的黏度和强度随之提高，从而使骨料颗粒之间的黏结也增强。填料具有极大的表面能，对沥青的吸附作用比粗骨料、细骨料要大得多，如果填料本身的黏附性良好，它与沥青就能牢固结合。因此，工程上多使用石灰岩、白云岩或其他碳酸盐岩石作为加工填料的原岩。

在加入一定量的填料条件下，沥青混凝土将获得最大的强度。当填料用量较多时，沥青混凝土内部能够形成许多细小的封闭孔隙。填料用量少时，则多形成连通的开口孔隙。因此，填料用量影响着沥青混凝土的结构和性质，是配合比设计的重要参数之一。填料的颗粒愈细，表面积愈大，它对沥青胶结料和沥青混凝土的影响也就愈大，所以填料必须有足够的细度。从概念上来说，填料比水泥还应稍细一些，至少应和水泥的细度相同，有资料提出填料的最佳细度相应的比表面积应为4000～5000cm2/g。但对填料细度提出过高的要求不仅会使加工费用显著增加，而且过细的填料颗粒易聚集成团而不易分散，反而有损于沥青混凝土的耐久性。

3.3 矿料技术指标

克孜加尔大坝采用石灰岩人工破碎制备成沥青混凝土需要的碱性矿料。细骨料采用了石灰岩破碎的人工砂和天然河砂，填料采用当地水泥厂生产的成品矿粉。现场检测技术指标见表2～表4。

表2 石灰岩粗骨料检测结果

由表2得知，石灰岩破碎的粗骨料在加热过程中未出现开裂、分解等现象，骨料呈碱性，与沥青黏结力强，所选石灰岩能够满足相关规范要求。

表3 天然河砂与人工砂检测结果

由表3得知，人工砂在加热过程中没有开裂、分界等现象，级配良好，满足沥青混凝土细骨料的技术指标要求。天然河砂级配不够均匀，粗粒含量较多，且呈酸性，水稳定性较差。但通过进一步试验，当天然河砂与人工砂采取对半混合使用时，水稳定性可以满足要求指标。

由表4得知，填料质量满足规范要求，可以作为沥青混凝土的填料。

表4 填料检测结果

4 沥青混凝土配合比选择

沥青混凝土作为土石坝防渗心墙，必须具有足够的防渗性和变形能力。沥青混凝土防渗性可以通过优化沥青混凝土配合比、提高施工质量等措施获得。由工程实践得知，当沥青混凝土的孔隙率小于3%、渗透系数小于10－7cm/s时，心墙基本上认为是不透水的，即便是施工期间的沥青混凝土心墙层间有结合不良的缺陷，或在变形的情况下依然是不透水的。在选择沥青混凝土配合比时，沥青混凝土的可施工操作性是至关重要的，只有配制了施工性能好、易于摊铺和压实的沥青混凝土，才能达到设计的孔隙率。

4.1 矿料级配与沥青混凝土配合比

根据克孜加尔大坝料源加工情况，选用矿料级配最大粒径Dmax=19mm，矿料级配指数选取0.35、0.38、0.41，油石比6.3%、6.6%、6.9%、7.2%，填料用量12%、14%、16%。利用以上参数对人工砂初选了20组配合比，对混合砂初选了6组配合比，进行沥青混凝土配合比试验。通过试验结论［1］推荐的碾压式沥青混凝土心墙配合比与性能指标见表5、表6。

表5 碾压式沥青混凝土心墙使用的配合比

在选择沥青混凝土配合比时，不能忽视工程区的气候因素，新疆大部分区域属于高寒地区，选择配合比时要考虑在一定的低温条件下的施工要求，宜选择偏高一些的油石比。

水工使用的沥青混凝土材料力学性质复杂，其室内试验制样方法、试验加载速度以及试验温度等因素，都对沥青混凝土的力学性质产生重要影响。若大坝实际沥青混凝土心墙材料力学参数过低时，会因坝壳料的拱效应使得心墙应力降低，可能导致心墙产生水力劈裂破坏;相反，若大坝实际沥青混凝土心墙材料力学参数过高时，则可能由于心墙应力集中，使得两侧过渡料的剪切作用较强而出现剪切破坏。目前，在设计阶段最直接的判断方法是借鉴已建工程实例进行对比，在施工阶段密切跟踪大坝施工期应变与应力变化，对沥青混凝土心墙的力学参数进行动态反演分析，随时优化设计方案或指导施工，确保大坝运行安全。

表6 碾压式沥青混凝土性能试验指标

续表

4.2 配合比参数对沥青混凝土的影响分析

沥青混凝土的强度取决于其黏聚力和内摩擦力的大小，而内摩擦力又取决于骨料的粒形、粒度、级配、颗粒的表面特性以及沥青的用量。沥青与矿料表面的相互作用具有重要的影响，改善它们之间的黏附作用，加强胶凝结构的键合特性，可以有效地改善沥青混凝土的各种技术性质。选择沥青混凝土配合比时，主要的控制指标为孔隙率，其次是劈裂位移变形值，最后是间接拉伸强度值。以下就不同的油石比、填料用量、级配指数和细骨料特性对沥青混凝土性能的影响进行分析。

(1)油石比从6.6%、6.9%、7.2%变化时:沥青混凝土的孔隙率有明显的差异，人工砂沥青混凝土孔隙率小于河砂沥青混凝土，其中油石比为6.9%时，两者孔隙率基本相同;沥青混凝土的间接拉伸强度减小，人工砂沥青混凝土间接拉伸强度小于混合砂沥青混凝土间接拉伸强度;沥青混凝土的劈裂位移增大，人工砂沥青混凝土劈裂位移大于混合砂沥青混凝土劈裂位移。本工程区多年平均气温4°C的偏低情况，对心墙沥青混凝土的强度、变形性能及防渗性能的要求偏高为宜，选择油石比为6.9%。

(2)级配指数一定时:在填料用量增加的情况下，沥青混凝土的间接拉伸强度呈减小趋势，沥青混凝土的劈裂位移呈明显变大的趋势。填料用量12%、14%、沥青含量大于6.6%以后孔隙率值较稳定;随着油石比变大，沥青混凝土的间接拉伸强度呈逐渐减小趋势，但减小趋势逐渐变缓，劈裂位移随着油石比的增大逐渐增大。当填料用量大于14%时，沥青混凝土的孔隙率有明显增大;填料用量16%的沥青混凝土的孔隙率值较大，且波动也大，不稳定。本工程的实际情况和对心墙沥青混凝土的强度、变形性能及防渗性能的要求，选取填料用量为14%，在沥青混凝土确保较小的孔隙率前提下，尽量使劈裂位移增大。

(3)级配指数变化时:在填料一定的情况下，级配指数从0.35～0.41之间变化时，沥青混凝土的密度和孔隙率有明显变化，级配指数为0.38时孔隙率最小，劈裂位移达到最大值;沥青混凝土的间接拉伸强度呈先减小再缓慢增大的趋势;沥青混凝土的劈裂位移变化比较明显。本工程选用级配指数0.38，使劈裂位移达到最大值。

(4)施工性能的影响:比较人工砂与混合砂两种细骨料配置的沥青混凝土的孔隙率、拉伸强度、劈裂位移指标，均能满足相关规范对沥青混凝土防渗心墙的要求;人工砂沥青混凝土的孔隙率较小且性能稳定，间接拉伸变形能力略小，施工中的沥青混凝土和易性比混合砂沥青混凝土较差一些;混合砂成本略低。因此，在人工砂与混合砂配置的沥青混凝土均能够满足设计要求前提下，考虑施工因素，选定了混合砂配置的沥青混凝土作为填筑心墙的材料。

5 结语

新疆普遍有石灰岩矿作为水泥生产原料，一般均能满足配置水工沥青混凝土碱性矿料的性能要求，克拉玛依生产的石油沥青含蜡量较低，具备较好的针入度、软化点和延度三大性能指标。粗骨料尽量采用碱性骨料，可以使沥青混凝土中骨料具有较高的水稳定性，确保工程质量与安全;细骨料可以是人工砂或混合砂，也可以在细骨料中添加一部分天然砂，添加粉煤灰或其他活性材料，可以改善沥青混凝土的和易性和压实性能。现代研究试验已经提出，在碱性矿料奇缺的地区也可以考虑应用天然酸性骨料掺加碱性物料改善与沥青的黏附性［2］。直接采用酸性骨料的沥青混凝土，经试验证明会在短期内出现严重剥蚀或破坏现象，当采用消石灰等对酸性骨料处理后，骨料与沥青的黏附力显著增强，理论上长期水稳定性有保证。这一结论目前还缺乏工程先例，有待于通过实际工程进行深入的研究工作，待充分论证后再进行使用。

1 王文进，王为标，余梁蜀，等.克孜加尔大坝沥青混凝土配合比试验报告［R］.西安理工大学，2009

2 岳跃真，郝巨涛，孙志恒，等.水工沥青混凝土防渗技术［M］.北京:化学工业出版社，2007