掺不同细骨料的碾压式沥青混凝土的力学试验研究

慈 军,李双喜,努尔开力·依孜特罗甫

(新疆农业大学 水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐830052)

0 引 言

目前,在组成沥青混凝土的细骨料中主要采用人工砂和天然砂[1-2]。人工砂是将块石破碎、粉磨后得到的,加工时需要耗费一定的人力、物力及时间,其特点是洁净、有棱角。使用人工砂的沥青混凝土的强度和稳定性在满足设计要求方面有较大的保障,很多沥青混凝土配合比设计把细骨料作为人工砂摆在首选位置[3];天然砂分布较广,无需加工,成本低,相对人工砂而言级配较好,但含酸性矿物和泥质较多,然而,品质符合要求的天然砂和人工砂掺配使用后既可以改善沥青混凝土的级配和施工压实性,同时一定比例的天然砂取代部分人工砂后减少了人工砂的用量,在满足碾压式沥青混凝土施工和易性[4-5]及各项力学性能的基础上也相应降低了整个沥青混凝土的成本。

1 设计方案

针对新疆鄯善县某碾压式沥青混凝土心墙坝本次试验采用两种方案进行:方案一是选用级配指数为0.42、填料用量为16%、沥青用量为7.2%,细骨料全部采用人工砂;方案二是选用级配指数为0.42、填料用量为16%、沥青用量为7.2%,细骨料采用三分之二的人工砂和三分之一的天然砂;对以上两种方案分别进行马歇尔稳定度、流值试验、压缩试验、水稳试验及小梁弯曲等试验。

2 试验研究

2.1 马歇尔试验

根据两种方案的配合比,按照马歇尔试件成型方法各制成5个马歇尔试件,测定试件的密度、孔隙率及试件在40℃和60℃[6]时的马歇尔稳定度和流值,整理后试验结果见表1。

表1 马歇尔稳定度及流值试验结果

从上述结果中可以看出,40℃时:人工砂和天然砂混掺后的沥青混凝土的马歇尔稳定度及流值与单掺人工砂的沥青混凝土的马歇尔稳定度及流值相当,而且混掺后的稳定度甚至稍有提高,流值则略有降低。60℃时:两种方案马歇尔稳定度均较40℃时有明显的下降,流值也均有较大幅度的增加。人工砂和天然砂混掺后沥青混凝土的马歇尔稳定度及流值与单掺人工砂沥青混凝土的马歇尔稳定度及流值相当,但混掺后的流值及稳定度均略有降低。

2.2 压缩试验

将两种方案各制备好的5个试件在10.0℃水槽中恒温4 h后进行试验,压缩试验整理后结果见表2。

表2 压缩试验结果

从上述试验数据中可以看出,方案二的变形模量明显要高于方案一,也即混掺人工砂和天然砂后的沥青混凝土抗变形性能比单掺人工砂的要好,可以看出天然砂的掺入改变了骨料的整体颗粒级配,提高了整体的稳定性。

2.3 水稳试验

将相同条件下制备好的6个试件按密度和孔隙率大致相当分成两组,每组3个试件。将其中一组试件(3个)置于60℃的水中浸泡48 h后,再在20℃的水中恒温2 h,然后进行压缩试验。另一组试件(3个)置于20℃的空气中恒温48 h后,直接进行压缩试验。沥青混凝土的水稳定性系数为:在60℃的水中浸泡48 h试件的抗压强度与另一组试件在20℃的空气中恒温48 h直接进行压缩试验的试件的抗压强度之比[7]。方案一试验结果见表3。方案二试验结果见表4。

表3 方案一水稳试验结果

表4 方案二水稳试验结果

根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》(SL501—2010)中对碾压式沥青混凝土水稳定系数要求大于0.90,从上述试验结果可以看出两种方案的水稳定系数均达到0.9以上,也即混掺人工砂和天然砂后的沥青混凝土的水稳定性能也能保证在最低指标0.9之上。

2.4 小梁弯曲试验

试件置于10℃恒温水槽中,利用位移及荷重传感器采集试验数据,试验结果见表5。

表5 沥青混凝土小梁弯曲试验结果

根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》(SL501—2010)中对碾压式沥青混凝土小梁弯曲试验设计要求:10℃时的弯曲强度应大于0.4 MPa,弯曲应变应大于1%。

由上述小梁弯曲试验结果可以看出,两种方案中的小梁弯曲试验结果均达到设计要求,也即混掺人工砂和天然砂后的沥青混凝土的弯应变性能也能满足碾压式沥青混凝土的设计要求。

3 结 论

(1)由马歇尔试验结果可以看出,单掺人工砂与混掺人工砂和天然砂后的沥青混凝土的马歇尔稳定度及流值相当,变化幅度不大。

(2)人工砂天然级配较差,可以通过掺配一定比例的天然砂来改善整体骨料级配,并且还可以保证沥青混凝土具有足够的抗压强度。

(3)单掺人工砂的沥青混凝土的水稳系数达到了1.01,混掺天然砂后的水稳系数达到了0.97,均满足水稳试验0.90以上设计要求。

(4)单掺人工砂与混掺人工砂和天然砂后的沥青混凝土小梁变形性能均满足设计要求。

(5)由上述试验结果说明碾压式沥青混凝土配合比设计方案中针对细骨料采取混掺天然砂和人工砂的方案是可行的,因此也可以相应地降低碾压式沥青混凝土的成本。

[1]丁朴荣.水工沥青混凝土材料选择与配合比设计[M].北京:水利水电出版社,1990:155-162.

[2]吕伟民.沥青混合料设计原理与方法[M].上海:同济大学出版社,2001:15-26.

[3]中国水利水电出版社.SL501-2010.土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2011:32-40.

[4]祁世京.土石坝碾压式沥青混凝土心墙施工技术[M].北京:中国水利水电出版,2001:112-156.

[5]梁晓东.尼尔基水利枢纽工程碾压式沥青混凝土心墙低温施工技术研究[D].西安:西安理工大学,2005:26-30.

[6]茅坪溪沥青心墙土石坝专集[C].中国三峡建设.1998,(12):25-68.

[7]国家发展和改革委员会.DL/T5362-2006.水工沥青混凝土试验规程[S].北京:中国电力出版社,2007:97-98.