天然砾石沥青混凝土心墙水稳定性技术研究

马 军，柳 莹，何建新

(1.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052)

1 概述

20世纪90年代后，随着新疆克拉玛依、库车等地沥青品质的大幅提升，以及大型机械设备的普及，使得沥青混凝土心墙坝的应用越来越普及，效果越来越显著，就当前而言，新疆地区采用这种坝型构建的大坝数量高达上百，其中，高度在100m以上的就有8座。伴随沥青心墙坝的大发展，优质灰岩石料数量正大幅减少，而运距几何倍数加大，最终造成工程造价增加明显。天然砾石在新疆南北疆分布极广，且储量丰富，沥青混凝土心墙中若能采用砾石骨料，将会极大地降低工程建设成本，并减少对生态环境的破坏。但因为砾石成分导致SiO2有显著的弱酸性，所以其与混凝土有效黏附的效果无法保证，还会出现水损害等一系列问题。对此，需要攻克砾石成分中沥青和酸性材料黏附性较差等问题，这也是后期应用过程中最需要突破的重点和难点。目前全球学者在对这一问题进行研究后发现，在沥青混合料与砾石混合过程中，通过水泥及化学抗剥落剂的参与，会使二者的粘附性得到大幅度提升，且性能更加平稳。但水利界人士对砾石骨料中加入化学抗剥离剂及水泥填料后，骨料与沥青粘附性，以及沥青混凝土长期水稳定性仍有一定疑虑。本文以若羌河水库为例，选取当地料场砾石骨料并制备成沥青混凝土试块，利用浸水以及真空饱水马尔试验内部合理延长浸水周期，分析试块的水稳定性能，为砾石骨料在沥青心墙中的应用、发展提供试验数据和理论依据。

2 工程概况

此次研究的若羌河水库，位处于若羌河的出山口处，是一座集灌溉、工业供水等多个领域为一体的综合型水利枢纽工程，大坝为沥青混凝土心墙坝，最大坝高77.5m。结合新疆若羌河水库工程沥青混凝土配合比设计的实际工程，本文重点研究心墙沥青混凝土选取砾石骨料并掺入化学抗剥落剂及水泥后，试块的水稳定性能演化情况。

3 沥青混凝土用矿料组成与化学成分

本次试验选用库车90号A级道路石油沥青，区域内部天然砾石当成粗骨料，粒径d范围是2.36～19mm，同时天然砂所属细骨料，其最大直径不超过2.36mm，最小直径为0.075mm，填料采用2种，分别为42.5级普通硅酸盐水泥和石粉。粗骨料的颗粒级配见表1。

表1 粗骨料的颗粒级配

4 天然砾石骨料与沥青的粘附性试验研究

对沥青与骨料粘结能力的强弱采用“水煮法”进行比较，掺加方法采用热沥青中直接加入沥青抗剥落剂，普通沥青温度不小于130℃，掺量为0.3%(沥青的重量比)。在掺加抗剥落剂后，采用水煮法观察试验结果，总体评价粘附性等级为5级，粗骨料技术性能相关数据见表2。

表2 粗骨料的技术性能

细骨料技术性能相关数据见表3。

表3 细骨料检测结果

水泥技术性能相关数据见表4。

表4 水泥检测结果

石粉技术性能相关数据见表5。

表5 石粉检测结果

沥青技术性能相关数据见表6。

表6 沥青检测结果

测定库车90号A级道路石油沥青与若羌河水库选用的破碎砾石骨料的剥落率为51.3%，加入抗剥落剂后剥落率为34.5%，剥落率明显降低，表现出较好的粘附性。可以看出，加入抗剥落剂后，骨料与沥青的粘附能力增强效果较为明显。

5 沥青混凝土的长期水稳定性试验研究

目前，在实验室条件内部，沥青混凝土体现出的孔隙率都较小，如果浸水时间较短，水分子也就无法对沥青膜产生侵蚀作用，水分子需要较长时间才能进入试件内部，水泥填料的加入，对心墙沥青混凝土骨料与沥青的粘附性有一定的改善作用。但浸水时间不断增加，水泥填料的变化情况，以及是否生成水化产物，对自身水稳定性是否会造成影响等方面还应深入测试及探讨。针对上述情况，相关试件中分别添加水泥填料和石灰填料，在增加浸水时间的条件下，对试件水稳定性能的变化展开研究，并分析试验数据。

5.1 水稳定性试验方法

把施工内部所用到的试件浸入恒定水温的液体中，并根据要求的时间，对其抗压数值的波动予以检测和计算，以此来判定沥青混凝土的水稳定性水平。试验室选取6个试件，同时归为两组，第一组是在20℃±1℃空气内部停留超过48h，第二组是在水中浸泡超过48h，水温恒定在60℃±1℃，然后迁移至温度为20℃±1℃的水中，时长为2h。

5.2 沥青混凝土质量配合比

直径9.5～19.0mm的骨料占比24%，直径4.75～9.50mm的骨料占比16%，直径2.36～4.75mm的骨料占比16%，直径2.36～0.075mm的砂子占比32%，水泥占比12%，70号石油沥青占比6.6%。前期我们对试件进行制备并分组，三个试件为一组，共12组。其中沥青混凝土试件中采用水泥为填料的分为6组，在空气中放置一组，其余的5组在水中分别浸泡48、96、144、192、240h，并要求水温为60℃±1℃。

首先确保水箱中的水溶液恒温在60℃，然后对2个中四角和中间6个其他部位的pH值分别进行测定，再将试件浸入水中，每隔48h进行一次测定，记录水溶液中对应部位pH值的变化。在测试过程中，务必要让水溶液温度全程控制在60℃，且上下误差不得大于1℃。通过首个环节的浸入后，将试件继续转移到20℃上下的水溶液中再次浸泡2小时，此处的温度波动范围不得大于1℃，最后再进行水稳定性试验。由于试件长时间浸泡在水溶液中，随着时间延长，水溶液的pH值可能有所变化，为了对水溶液的pH值和试件抗压强度等数据进行准确记录，所以测试应把各类填料的试件依次置于两个恒温水箱内部。

6 试验结果分析

6.1 pH值试验结果分析

沥青混凝土试件中，水泥作为填料。将试件浸入水中，观察和分析水泥对水溶液pH值是否出现波动，以及水化产物对其造成的影响。依照各类填料，对两个恒温水箱内部6个差异区域水溶液的pH值依次实施监测。测试后相关对比如图1所示，左侧为水泥试件，右侧为石粉试件。

图1 水稳定性试验试件

水泥试件自身在水溶液中浸水时间的不断延长，可以明显看出试件表面由黑色逐渐变白，说明水泥填料的加入，试件发生了严重的水化反应。通过对整个试验过程中各个细节的分析和计算可以发现，水分输送到试件内部，会与填料内部涵盖的硅酸盐出现化学反应，并产生了Ca(OH)2和水化硅酸钙，在这一过程中，前者会在水溶液中以最快的速度趋于饱和，同时会在试件表面出现白色的氢氧化钙析晶沉积层。而石粉填料试件通过试验后发现其表面没有任何变化，仍为黑色，说明石粉与水未发生水化反应。

测出试件随浸水时间的增加60水溶液对应的pH值波动，测试数据见表7。

表7 pH值测定结果(60℃)

通过表7可以看出，水泥和石粉填料在浸水前和浸水后，水溶液pH值都有变大趋势。但水泥试件的变化更为明显，由8.70跃升为12.12，而石粉增幅较小，仅从8.70增长为8.95，后期两试件继续浸水后，pH值的变化都不显著。水泥试件浸水前后变化显著，主要是溶于水Ca(OH)2造成。进水后，pH值迅速增大到12以上，促进水泥水化反应，伴随着浸水时间的增加，Ca(OH)2等水产物越来越多，试件表面也呈现为越来越白的特性。石粉填料试件在浸水前、后，及浸水后的各个时段，水溶液pH值进行测定后，仅从8.75升至最高至9.01后又回落至8.96，变化区间较小，试件与水泥填料试件不同，未呈现表面发白的特性，进而说明石粉试件浸入水溶液及延长浸水时间，试件均未发生水化反应，也没有Ca(OH)2的生产，试件表面也无变化。

6.2 水稳定性试验结果分析

在水稳定性试件中，第一步要精准测量和计算出水泥与石粉这两种填料的沥青混凝土试件的密度；基于这一结果，再得出两组试件的孔隙率。然后将试件分两次进行浸水浸泡试验，首次浸泡总时长为240h，每48h进行一次测定，然后按照48、96、144、192、240h的时间进行浸泡。其中要注意温度的控制，且全程保持在60℃±1℃，两次浸泡试验是将试件从60℃±1℃水溶液中移动至温度较低的20℃±1℃的水溶液中，并再次浸泡2h，进行水稳定性试验。试件3个为一组，以其均值来计算，判定其水稳定性，表8所显示的是对水泥测试后得出的试验成果，表9是对石粉填料试验之后得出的试验成果，图2中所呈现的是试件处于不同浸水时间和最大抗压强度之间的关系。

图2 最大抗压强度与浸泡时间的关系

表8 以水泥为填料的试验结果

表9 以石粉为填料的试验结果

通过表8测试数据能够发现，试件最大抗压强度在空气中，为是1.29MPa，浸水后正向不断增加，在240h时，为最大值1.47MPa，不过增幅相对较大的区域在浸水96～144h的时候，波动幅度是0.05MPa。解读要素一是因为试件自身孔隙率普遍为1.1%～1.4%，数值较小，造成试件浸水初期，水溶液初期能够直接进入试件内部的开口空隙，之后试件在水溶液内部周期的持续攀升，因为自身空隙内部涵盖封闭气体的现象，造成水输送到试件内部越发不便；另一要素或许是前期将试件浸入水中后，水分随时间延长，与填料水泥发生水化学反应并生成的水化物，而生成的水化物又阻碍了水分进入试件的内部。而相对关键的是，沥青膜的剥离情况会被沥青以及矿料对应的黏附性所影响。

在每个时段下所得到的试验成果都大于1.0，而且这一数值与时间呈正比。

通过表9测试数据能够发现，试件最大抗压强度在空气中，为是1.33MPa，浸水后反向不断减小，在240h时，为最小值1.15MPa，而减幅最大段在浸水48h到96h时，减幅为0.06MPa。每48h测定数据显示，直到192h，试件的水稳定性系数为0.99～0.90，均满足规范要求，但随浸水时间的继续延长，其值仍在不断减小，在浸水达到240h时，试件的水稳定性系数降低至0.86，已不满足规范要求。分析原因主要是因为试件在浸水开始的前期，试件内部水分很难进入。水分随着浸水时间的不断加长，逐渐输送到试件内部的开口空隙，水分子越过沥青膜附着在矿料外部，在水分子进行置换的同时，对沥青膜实施剥离，沥青以及骨料的黏附性也不断降低，进一步的导致试件的抗压强度减小，而试件的水损害也越来越严重，水稳定性系数不断的减小。

通过对表8、表9和图2各类试验数据进行比对，可以发现，在空气中，水泥填料与石粉填料试件的孔隙率一样或相近时，最大抗压强度石粉填料为1.33，明显大于水泥填料试件的1.29，而将两组试件分别放入浸水恒温环境，随着时间的不断增加，每隔48h进行测定，试验数据显示水泥填料试件的抗压强度在不断增加，但石粉填料试件抗压强度却不断的降低，两者这种反向关系使得最终后者的抗压峰值要低于水泥填料试件的抗压峰值。分析其中原因，是由于两组试件在空气内部停留的时候对应的抗压强度区别不大。置于水内部，水分子输送到孔隙率相对较低试件要消耗部分时间，因此前期无法充分水化，相应抗压强度指标均无大的变化，而随着浸水时间的不断延长，进入试件内部的水分越来越多。在水泥填料试件试验过程中，其中是水分子与水泥有所反应，并得出了水化产物，这种产物属于碱性的，因此还会与沥青再次作用，有利于再次提升骨料与沥青之间的黏附性。在石粉试件测试内部，水分以及石粉反应周期增长，并没有出现水化现象，同时水溶液内部砾石以及沥青被持续剥离，导致它们自身黏附性也随时间增加不断降低。

7 结论

本次研究主要对砾石骨料进行了沥青混凝土的长期水稳定性的试验，分析在长期水损害的作用下影响自身性能稳定性的要素，同时提出以下关键结论：

(1)水泥填料与沥青混凝土相混合，通过试验数据可以看出，水泥填料试件在水溶液中随时间增加，水溶液的pH值和水稳定性系数也都不断增加。分析认为，心墙沥青混凝土中将水泥作为填料，可有效的改善其水稳定性能。

(2)在天然砾石骨料分布范围广泛，但缺乏灰岩骨料地区，大坝建设可以考虑通过砾石骨料配制沥青混凝土，掺加水泥作为填料的工程措施，达到增加沥青混凝土的耐久性能节省工程造价的目标。

(3)砾石骨料配置沥青混凝土在实际工程中应用的制约性因素仍然较多，需要根据当地骨料确定酸碱性指标，并通过大量试验确定实践使用的可行性。