土石坝沥青混凝土心墙材料配合比试验研究

闫小虎，姚新华，王晓军，杨华全

(1.长江科学院 a.材料与结构研究所；b.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心， 武汉 430010；2.河海大学 水利水电学院，南京 210098； 3.新疆奴尔水利枢纽工程建设管理局，新疆 和田 848000)

土石坝沥青混凝土心墙材料配合比试验研究

闫小虎1a,1b,2，姚新华3，王晓军1a,1b，杨华全1a,1b

(1.长江科学院 a.材料与结构研究所；b.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心， 武汉 430010；2.河海大学 水利水电学院，南京 210098； 3.新疆奴尔水利枢纽工程建设管理局，新疆 和田 848000)

传统观念认为:水工沥青混凝土防渗结构中，碱性骨料可以与沥青中的表面活性物质产生化学吸附，有很好的黏附性;酸性骨料与沥青主要是物理吸附作用，与沥青的黏附性和耐久性无法保证,在长期浸水作用下，沥青膜易被水逐渐置换而从骨料表面剥离，从而导致结构破坏。奴尔水利枢纽工程坝址区内有丰富的酸性天然砂砾石料，距坝址较近，便于开采，但其附近没有碱性骨料料场。依托奴尔水利枢纽工程，采用人工灰岩骨料及天然砂砾料2种骨料，进行了室内沥青混凝土配合比性能试验研究，提出了级配指数r=0.40、填料F=12%、人工灰岩骨料沥青含量B=6.9%和天然砂砾石骨料沥青含量B=6.0%优选配合比，供设计参考。

土石坝；沥青混凝土心墙坝；混凝土配合比；奴尔水利枢纽；天然砂砾石料

1 沥青混凝土心墙坝特点

在西部大发展战略的支持下，一批大型水利水电工程在云南、贵州、四川、西藏、新疆等地区开工建设。新疆大多数河流均发源于高山冰川区，在水力推动下，常有冰川泥石流将卵石、砾石等冰积物带入河道，使得新疆具有广阔的山涧河滩、戈壁，天然砂砾石料资源极为丰富，分布范围广、储量大、容易开采[1-2]。因此，运用当地筑坝材料，修建沥青混凝土心墙坝具有更强的适应性。

沥青混凝土应用于土石坝中比较晚，世界上最早建成的沥青混凝土心墙坝是1949年葡萄牙的瓦勒多盖奥(Vale De Caio)坝[3]。由于沥青混凝土心墙处于坝体的坝壳料和过渡料之间，有很好的稳定性，受外界自然条件的影响小，不易老化，耐久性好，能够适应坝基和坝体的变形，通常基础处理工作量也较小，而且心墙施工工艺简单，近年来沥青混凝土心墙坝发展迅速。

沥青混凝土心墙坝具有优越的抗渗性能、抗变形能力、抗震性能、环境适应性和安全性等优势，正在被越来越多的工程技术人员所接受，已逐步成为土石坝筑坝技术应用的主要坝型之一[4-7]。国际大坝委员会(ICOLD)在1992年第84号公报中曾指出：沥青混凝土心墙土石坝是“未来最高坝适宜的坝型”。在International Journal on Water Power & Dams 2014年年报上注册的沥青混凝土心墙土石坝有156座，国外有81座，国内有75座。建坝较多的国家有中国、德国和挪威。

2 沥青混凝土配合比设计

2.1 试验原材料

奴尔水利枢纽工程位于奴尔河中下游河段，属新疆维吾尔自治区和田地区策勒县境内的奴尔河控制性工程，是以灌溉、防洪为主，兼顾水力发电的综合性水利工程。大坝防渗体为沥青混凝土心墙，最大坝高80.00 m。坝体总填筑量728万 m3，沥青混凝土心墙总填筑量3.38万m3，混凝土防渗墙面积1.31万 m2。

本项目试验用沥青为克拉玛依石化公司生产的70号水工沥青，其品质检验结果见表1。

表1 70号沥青品质检测结果

注：针入度检验条件为25 ℃,100 g,5 s； 软化点检验方法为环球法； 延度检验条件为15 ℃,5 cm/min； 密度检验条件为25 ℃

试验用矿粉填料是由灰岩料场开采的灰岩骨料冲洗干净后，在球磨机中碾磨而成，填料品质的检测结果见表2。

表2 灰岩填料品质检测结果

试验用粗、细骨料2种：一种是由灰岩料场开采的灰岩骨料冲洗干净后，经破碎并筛分成；另一种是奴尔水利枢纽工程坝址位置开采的天然砂砾石料，经筛分而成。细骨料品质检测结果见表3；人工粗骨料和天然粗骨料品质检测结果见表4；化学成分分析结果见表5。

表3 细骨料品质检测结果

表4 粗骨料品质检测结果

表5 粗骨料的化学成分检测结果

检测结果表明：根据碱度模数M的计算公式M=(CaO+MgO+FeO)/SiO2，当M>1时为碱性，M=0.6～1时为中性，M<0.6时为酸性[9]。经计算，工程拟用灰岩骨料的碱度模数M=6.59，即为碱性骨料；天然骨料的原料岩石种类众多，形成的原因也比较复杂，还可能含有某些不稳定的化学物质或者有害成分，工程拟用天然砂砾石骨料的碱度模数M=0.21，即为酸性骨料。试验用沥青、填料、粗细骨料品质均满足《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》 (SL 501—2010)[8]的技术要求。

2.2 矿料级配指数及填料用量

填料一般指颗粒粒径>0.075 mm的细粉，也称矿粉。根据丁朴荣教授富勒(Fuller)公式有

(1)

式中：Pi为孔径di筛的总通过率(%)；P0.075为填料用量(%) ；r为级配指数 ；di为某一筛孔尺寸(mm)；Dmax为矿料最大粒径(mm)。

结合国内已建、在建工程的经验，本次试验骨料最大粒径Dmax选定为19 mm；矿料级配指数r选取0.40和0.45；填料用量F分别选取11%，12%，13%。根据骨料的筛分试验结果，通过计算法，计算出沥青混凝土室内试验的矿料级配如表6所示。

表6 沥青混凝土室内试验矿料级配

3 沥青混凝土试验结果分析

3.1 初选比选试验

沥青混凝土比选试验配合比及基本性能试验结果见表7。

3.2 沥青含量对沥青混凝土马歇尔稳定度、流值的影响

图1和图2分别为级配指数0.40,0.45沥青混凝土沥青含量与马歇尔稳定度关系图；图3和图4分别为级配指数0.40,0.45沥青混凝土沥青含量与马歇尔流值关系图。

表7 灰岩骨料沥青混凝土基本性能试验结果

图1 人工骨料沥青含量与马歇尔稳定度关系 Fig.1 Relationship between asphalt content and Marshallstability in artificial aggregate

图2 天然骨料沥青含量与马歇尔稳定度关系Fig.2 Relationship between asphalt content and Marshallstability in natural aggregate

图3 人工骨料沥青含量与马歇尔流值的关系Fig.3 Relationship between asphalt content and Marshallflow value in artificial aggregate

图4 天然骨料沥青含量与马歇尔流值的关系Fig.4 Relationship between asphalt content and Marshallflow value in natural aggregate

从表7及图1—图4试验结果可知：

(1) 沥青混凝土马歇尔稳定度值随着沥青含量的增加呈降低的趋势；而流值随着沥青含量的增加而增大。

(2) 人工骨料沥青混凝土马歇尔稳定度值的变化范围在5.02～6.59 kN之间；天然骨料沥青混凝土马歇尔稳定度值的变化范围在3.52～5.32 kN之间。人工骨料沥青混凝土马歇尔稳定度值明显高于天然骨料沥青混凝土，其原因主要是骨料品种不同。人工破碎骨料表面粗糙，棱角分明，呈方形或类方形；天然骨料表面光滑，呈圆形或椭圆形，当沥青含量适当时，沥青薄膜包裹在骨料表面，沥青与人工骨料的物理粘附力较大，在沥青混凝土承受外界压力时，人工骨料之间的摩擦力也大于天然骨料，因此人工骨料沥青混凝土马歇尔稳定度值高于天然骨料沥青混凝土。

(3) 人工骨料沥青混凝土流值的变化范围在33.4～65.2(0.1 mm)之间；天然骨料沥青混凝土马歇尔流值的变化范围在35.5～84.3(0.1 mm)之间，符合水工沥青混凝土的一般规律。

(4) 天然骨料沥青混凝土与人工骨沥青混凝土相比，在压实度相同，沥青混凝土马歇尔稳定度、流值大致相近情况下，沥青含量比人工骨料沥青混凝土降低14%左右。其原因主要是天然骨料表面光滑，比表面积小，包裹骨料表面的沥青膜用量较少。

3.3 填料用量对沥青混凝土性能的影响

填料是指沥青混凝土中起填充作用的粒径<0.075 mm的矿质粉末。填料用量是指沥青混凝土中填料质量与矿料(粗骨料、细骨料和填料)质量的比值，以百分数计。填料与沥青在沥青混凝土中组成均匀的沥青胶结料，不仅具有物理吸附(分子吸附)，而且填料颗粒对于包裹在表面的沥青分子具有一定的化学吸附作用[9]。通过沥青与填料之间的交互作用，从而提高沥青混凝土的强度，根据胶浆理论，足够多的沥青胶结料可以很好地填充细骨料及粗骨料的孔隙，从而提高沥青混凝土的渗透性能。图5、图6及图7为采用人工灰岩骨料、天然砂砾石骨料沥青混凝土填料用量与马歇尔稳定度、流值和孔隙率的关系图(级配指数均为0.40)。

图5 填料用量与马歇尔稳定度的关系Fig.5 Relationship between filler content andMarshall stability

图6 填料用量与马歇尔流值的关系Fig.6 Relationship between filler content andMarshall flow value

图7 填料用量与孔隙率的关系Fig.7 Relationship between filler content and porosity

从表7及图5—图7可知：沥青含量为5.6%～7.2%和土填料用量在11%～13%变化时试验结果表明：

(1) 对人工灰岩骨料，沥青混凝土马歇尔稳定度随着填料用量的增加呈下降趋势；对比天然砂砾石骨料，马歇尔稳定度值相对较小随着填料用量的增加先增大后减小。而对人工灰岩骨料及天然砂砾石料，随着填料用量增加沥青混凝土流值均增大。

(2) 填料用量对沥青混凝土孔隙率影响较大。对于人工骨料沥青混凝土，随着填料用量的增大，孔隙率呈降低趋势，沥青含量越低，这种变化更为明显，当沥青含量≥6.9%时，人工骨料沥青混凝土孔隙率均<2%；对于天然骨料沥青混凝土，随着填料用量的增大，孔隙率呈先降低再上升趋势，当填料用量在12%时，其孔隙率最小。

3.4 级配指数对沥青混凝土性能的影响

级配指数r实际上是表示骨料中粗细骨料比例的一个特征纲量，r值越大，粗骨料所占比例越高。图8—图10分别为填料掺量12%沥青混凝土级配指数与马歇尔稳定度、流值及孔隙率关系图。

图8 级配指数与马歇尔稳定度的关系Fig.8 Relationship between gradation index andMarshall stability

图9 级配指数与流值的关系Fig.9 Relationship between gradation index andMarshall flow value

图10 级配指数与孔隙率的关系Fig.10 Relationship between gradation indexand porosity

从表7及图8—图10可知：

(1) 填料用量和沥青含量在一定范围内变化，级配指数选取0.40，0.45时，对沥青混凝土马歇尔稳定度值影响较小，而沥青含量的变化对沥青混凝土马歇尔稳定度值的影响较大，随着沥青含量的增加，沥青混凝土马歇尔稳定度呈明显下降趋势。天然砂砾料沥青混凝土马歇尔稳定度比人工骨料小。

(2) 沥青混凝土流值在填料用量F≤12%时，随着级配指数的增加，流值呈增加趋势；当填料用量>12%，随着级配指数的增加，流值呈降低趋势。人工骨料沥青混凝土的这种特性表现的比天然砂砾石料更为明显。天然砂砾料沥青混凝土流值明显比人工骨料大，是因为天然砂砾石表面比较光滑，骨料之间咬合力小，受荷作用后容易滑动。

(3) 固定级配指数，随着沥青含量增加，沥青混凝土孔隙率减小。随着级配指数的增加，大颗粒粗骨料增多，采用人工骨料沥青混凝土孔隙率变化不大，采用天然砂砾石骨料孔隙呈增加趋势。

4 结 语

(1) 克拉玛依石化公司生产的70号沥青主要性能如延度、针入度及软化点可满足SL 501—2010《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》中水工SG70标号沥青的技术要求，可用于沥青混凝土心墙工程。

(2) 固定填料用量与骨料级配指数不变的情况下，沥青混凝土的孔隙率随着沥青含量增大而减小，马歇尔稳定度随沥青含量的增大而减小，流值随沥青含量的增大而增大；固定沥青含量及填料用量，级配指数在0.4～0.5之间变化时，沥青混凝土的孔隙率随级配指数的增大而增大；马歇尔稳定度及流值变化规律不明显。天然骨料沥青混凝土与人工骨沥青混凝土相比，在压实度相同，沥青混凝土孔隙率大致相同的情况下，天然骨料沥青混凝土沥青含量比人工骨料沥青混凝土降低14%左右。

(3) 根据配合比设计比选阶段沥青混凝土孔隙率、马歇尔稳定度及流值的试验结果，参考类似工程，从施工、安全及经济的角度综合考虑，当采用级配指数r=0.40，填料F=12%，人工灰岩骨料沥青含量B=6.9%，天然砂砾石骨料沥青含量B=6.0%时，沥青混凝土的性能较优。

[1] 王文政, 唐新军, 何建新,等. 五一水库天然砾石骨料在沥青混凝土心墙中的适用性研究[J]. 水利与建筑工程学报, 2014，(5):172-175.

[2] 王文政. 天然砾石骨料在沥青混凝土心墙中的适用性研究[D]. 乌鲁木齐:新疆农业大学, 2014．

[3] 邓铭江,李湘权. 定居兴牧水源工程及技术支撑[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2015．

[4]Asphaltic Concrete Cores, Hydropower and Dams[M].Wallington, UK: Word Atlas & Industry Guide, 2009．

[5] CREEGANP J, MONISMITH C L. Asphalt-Concrete Water Barriers for Embankment Dams[M]. USA: American Society of Civil Engineers,1996．

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

[7] 杨华全, 王晓军, 邓建武. 三峡茅坪溪防护大坝心墙沥青混凝土配合比试验研究[J]. 长江科学院院报, 2000, 17(1):21-24.

[8] SL 501—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．

[9] 贺传卿, 杨桂权, 王显旭. 不同填料对水工碾压式沥青混凝土性能的影响[J]. 新疆农业大学学报, 2014，(6):496-499.

(编辑：姜小兰)

Experimental Research on Mix Proportion ofAsphaltic Concrete Core Material in Earth-rock Dams

YAN Xiao-hu1,2,3，YAO Xin-hua4， WANG Xiao-jun1,2，YANG Hua-quan1,2

(1.Department of Materials and Structure，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.Research Center of Water Engineering Safety and Disease Control Engineering Technology under Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China; 3.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 4.Construction Administration of Xinjiang Nuer Water Control Project，Hetian 848000，China)

In impervious structures such as hydraulic asphaltic concrete, alkaline aggregate is generally considered to be of good adhesion resulted from the chemisorption between alkaline aggregate and surface active materials of asphalt; while acidic aggregate could lead to structural damage as asphalt film is easily replaced by water and detached from aggregate under long-term water immersion because the physical adsorption could not guarantee the adhesion and durability of asphalt. By using artificial limestone and natural gravel aggregates, laboratory tests were conducted to research the mix proportion of hydraulic asphalt concrete for Nuer water control project in Xinjiang, which has rich natural acidic gravel aggregate near the dam site but no alkaline aggregate nearby. Optimization of mix proportion is proposed as follows: gradation indexr=0.40, filler contentF=12%, asphalt contentB=6.9% for concrete with artificial limestone aggregates, andB=6.0% for concrete with natural gravel aggregates.

earth-rock dam; dam with asphaltic concrete core; concrete mix proportion; Nuer water control project；natural gravel aggregate

2016-03-25；

2016-04-21

闫小虎(1984-)，男，安徽阜阳人，工程师，博士研究生，主要从事水工建筑材料方面的研究，(电话)15927265766(电子信箱)610475209@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160276

2017,34(6):143-148

TV431

A

1001-5485(2017)06-0143-06