沥青混凝土心墙坝浇筑材料在低温条件下的物理性能试验研究

潘柯帆，赵凯歌，龚朝贵，杨 奎，董建刚，李凯奇

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.中国葛洲坝集团第一工程有限公司，湖北 宜昌 443000)

浇筑式的沥青混凝土具有裂缝能够自愈，适应冬季施工条件，以及施工浇筑期短，方便管理等优点，在土石坝心墙浇筑上得到了广泛地运用[1]，但是浇筑材料的物理性能则会影响土石坝心墙的浇筑效果。宋日英等通过不同沥青含量的试件分别在5℃和10℃下的三轴试验来分析沥青含量对沥青混凝土材料的黏聚力、最大偏应力以及内摩擦角的影响[2]，余梁蜀等根据沥青混凝土的性能研究其防渗体不同配比的设计方法[3],王相峰等分析了不同坝高下，不同沥青含量和温度对浇筑混凝土心墙坝工作性能的影响[4]。国内外众多专家大多只考虑到沥青含量对浇筑材料的影响。本文通过在冬季低温环境下，相同沥青含量，不同级配下的沥青混凝土试验来研究其最优施工配合比对于心墙坝浇筑的影响。

1 试验方案及材料

1.1 试验方案

者岳水库位于贵州省册亨县弼佑乡者岳村境内，位于秧坝河一级支流弼佑河者岳沟上，工程规模为小(1)型，工程等别为Ⅳ等。为了研究沥青混凝土心墙坝浇筑材料的水稳定性以及渗透性，本次试验严格参照《水工沥青混凝土施工规范》(SL 514—2013)、《水工沥青混凝土试验规程》(DL/T 5362—2018)以及相关规程规范的要求，开展沥青混凝土物理性能试验[5]。

1.2 试验材料

沥青用料为中石油克拉玛依石化公司水工70(SG-70)号沥青， 该试验采用的粗骨料洁净，质地坚硬，粒径分别为2.36～4.75 mm、4.75～9.50 mm、9.50～19.0 mm，其中2.36～4.75 mm 骨料是由试验中的细骨料(粒径0～4.75 mm)中筛分出来的骨料。细骨料(粒径0～4.75 mm)在室内试验中将其筛分为粒径0～2.36 mm、2.36～4.75 mm两级。填料为密度2.69 g/cm3，含水率为0.1%，亲水系数为0.56的矿粉。根据现场检测结果表明，参与试验研究的各类材料均满足技术要求。

2 沥青混凝土室内配合比试验

2.1 配合比参数技术要求

本次试验采用的沥青混凝土配合比根据《贵州省册亨县者岳水库工程施工技术要求》中采用的沥青混凝土建议配合比(见表1)，再结合《水工沥青混凝土施工规范》(SL 514—2013)中的技术要求，选取不同骨料级配指数、不同矿粉用量以及固定的沥青含量组成各种不同配合比，通过孔隙率试验选择出满足工程要求的较优2～3个沥青混凝土配合比用于现场试验[6]。

表1 沥青混凝土配合比的材料和级配参数

2.2 矿料级配

矿料级配指的是将粗骨料、细骨料以及填充料按合适的比例配合，使其具有最小的空隙率和最大的摩擦力的合成级配。在本次配合比设计中，采用最大密度曲线理论进行矿料级配的计算。最大密度曲线指的是固体颗粒按粒度大小有规则地组合排列，粗细搭配，可以得到密度最大，空隙最小的混合料。并提出矿料的混合级配曲线愈接近于抛物线，则密度愈大。最大密度曲线理论提出应用于实际工程中的矿料级配计算公式如下[3]：

(1)

式中：Pi为筛孔尺寸为di时的通过率，%；P0.075为0.075 mm筛孔的通过率，相对于填料用量，%；n为矿料级配指数；di为筛孔尺寸，mm；D为矿料最大粒径，mm。

矿料级配计算式中矿料最大粒径D参数已经确定为(D=19.0 mm)，只要选定了矿料级配指数n和填充料用量P0.075(下文简称填充料用量为P)，就能计算出各级矿料的用量。因此这次沥青混凝土配合比设计的内容就是选择合理的三个配合比参数，即矿料级配指数n、填充料用量P以及沥青含量。

根据《水工沥青混凝土施工规范》(SL 514—2013)，选择0.45、0.42、0.39三种级配指数，每种级配指数分别进行12%、11%、10%三种填充料用量试验，级配指数和填充料用量组合见表2，其最大密度曲线理论级配见表3。

经过室内的配合比试验，可以发现在经过人工掺配后的矿料级配跟理论上的最大密度曲线级配还是存在一些误差，其中以13.0～16.0 mm颗粒比较少，还是无法完全和理论上的最大密度曲线级配重合，这是由于在此次试验中的矿料在13.0～16.0 mm级别的颗粒较少导致的，所以在之后的现场施工当中可以适当地对矿料进行再次细分。

表2 级配指数和填充料用量组合

2.3 沥青混凝土密度、孔隙率试验

采用不同级配指数和不同填充料用量组合、固定6.5%的沥青含量分别制备试件，按照《水工沥青混凝土试验规程》(DL/T 5362—2018)要求，试件制备采用马歇尔击实成型法，两面各击35次[7]。试件钢模直径为101.6 mm，试件厚度控制为63.5±0.5 mm。为保证试验数据的可靠性，每种配比在相同条件下制备3个试件，进行沥青混合料外观评述、测定不同配比参数条件下试件的密度和孔隙率。试验中，沥青混凝土密度试验采取排水置换法(其适用于孔隙率小于3%的试件)；沥青混凝土密度、孔隙率效果见图1。

试验结果表明在标准试验温度下，经马歇尔击实仪正、反两面击实次数为35次后的沥青混凝土马歇尔试件，分成9组的沥青混凝土试件的配合比密度均满足相关规范的要求。从图1可知，7号试件的孔隙率最低，为最优。

表3 最大密度曲线理论级配 %

图1 沥青混凝土试件孔隙率散点图

3 沥青混凝土性能试验

3.1 初选沥青混凝土配合比

通过沥青混凝土密度、孔隙率试验分析，配合比在沥青含量为6.5%、不同级配指数，填料用量12%时，沥青混凝土孔隙率最小。因此，沥青混凝土配合比初选三组(级配指数0.45、填料用量12%、沥青含量6.5%,级配指数0.42、填料用量12%、沥青含量6.5%,级配指数0.39、填料用量12%、沥青含量6.5%)为进行沥青混凝土渗透试验、水稳定性试验的配合比，初选沥青混凝土配合比见表4。

表4 初选沥青混凝土配合比

3.2 沥青混凝土水稳定性试验

水稳定性试验的试验方案：首先将同组的6个试件分成两组，第一组试件放在(20±1)℃空气中不少于48 h，第二组试件先浸入温度为(60±1)℃的水中48 h，然后移入温度为(20±1)℃的水中2 h，再进行抗压强度试验；两组试件抗压强度的平均值之比为水稳定系数。试验中试件尺寸为φ100 mm×100 mm的圆柱体试件，加载速度为1 mm/min，沥青混凝土水稳定性试验结果见表5～表7。

表5 1号配合比沥青混凝土水稳定性试验成果

表6 4号配合比沥青混凝土水稳定性试验成果

表7 7号配合比沥青混凝土水稳定性试验成果

从试验成果可知，所选的1号、4号、7号配合比沥青混凝土的水稳定系数符合设计不小于0.9的要求。其中7号级配为级配指数0.42的沥青混凝土的水稳定性较为优良，说明在填料用量以及沥青用量相同的情况下，试件水稳定性跟级配是否合理有着很大的关系。

3.3 沥青混凝土渗透试验

沥青混凝土渗透按照《水工沥青混凝土试验规程》(DL/T 5362—2018)要求成型标准马歇尔试件，在温度为20℃的条件下进行变水头渗透试验。初选的1号、4号、7号三组配合比进行渗透试验检测成果见表8。

从表8试验成果可知，所选的1号、4号、7号配合比沥青混凝土的渗透系数符合设计小于等于1×10-8cm/s的要求。其中以4号配合比的沥青混凝土试件的渗透性为最优。

表8 沥青混凝土渗透试验成果

4 结 论

(1)本次试验采用的原材料在经过各项指标的检测之后，能够达到相关水工规范的要求。

(2)经人工掺配后的合成矿料级配与最大密度曲线理论级配存在一定差异，13.0～16.0 mm颗粒偏少，还是无法完全和理论上的最大密度曲线级配重合，在实际的施工浇筑时，可以将9.50～19.0 mm的骨料进行再次分级，掺配调整后使用最为合理的沥青混凝土配料单。

(3)在综合分析沥青混凝土浇筑材料在冬季低温条件下的物理性能试验成果后，1号、4号、7号配合比的沥青混凝土渗透系数、水稳定系数均满足相关的设计技术要求。在孔隙率方面，7号试件效果较好，从水稳定性方面7号效果较好，在渗透性方面，4号配合比的沥青混凝土试件最优。这说明在填料用量以及沥青用量相同的情况下，试件水稳定性和渗透性跟级配是否合理有着很大的关系。