大理岩碎石用作水工心墙沥青混凝土骨料的综合性能及分析

仝卫超

(新疆水利水电勘测设计研究院地质勘察研究所, 乌鲁木齐 830052)

1 概述

心墙沥青混凝土由于具有良好的拌和性及防渗性，施工时机械摊铺、碾压，施工进度快等优点[1]，因此，沥青混凝土心墙坝在新疆分布越来越广泛。相关规定中建议沥青混凝土骨料宜采用碱性岩石破碎的碎石。大理岩虽是碱性骨料，但在新疆的水利工程中应用很少，一般选用灰岩作为沥青混凝土人工骨料。

碱性骨料与酸性沥青在拌和过程中，两者发生化学反应，形成了不溶于水的化合物，因此，抗水剥离性能好[2]。大理岩破碎后棱角分明，用其配制的水工心墙沥青混凝土与灰岩骨料相比，两者的综合性能有待研究论证。国内外目前对大理岩在水工沥青混凝土中系统的试验研究相对匮乏。杨耀辉[3]等研究了大理岩矿料和天然砾石骨料对沥青混凝土性能的影响，结果表明两者配制的沥青混凝土力学性能差别不大。王德辉[4]通过对天然粗骨料进行筛分处理，配制了3种颗粒形状指数不同的粗骨料，将其用于沥青混凝土。结果表明随着粗骨料形状指数的增大，沥青混凝土的力学性能越好。潘琨[5]分别制备了针片状含量不同的粗骨料用于沥青混凝土，结果表明粗骨料中针片状颗粒含量与沥青混凝土的力学性能成反比关系；温喜廉[6]等运用数字图形处理技术和扫描电镜技术研究了粗骨料的微观结构，发现粗骨料表面越粗糙，沥青混凝土的抗折强度越大。在新疆且末石门水库前期勘察过程中以及总结类似工程中发现，西北地区一些适合建设沥青混凝土心墙坝的地区没有灰岩，大理岩却非常丰富，若弃用大理岩选择长途运输灰岩骨料往往增加工程成本，影响工程进度。

本文在相同的破碎方法和配合比条件下，以破碎大理岩与破碎灰岩为基础制备沥青混凝土试件，对2种试件的性能进行试验与分析，为大理岩碎石在水工心墙沥青混凝土中的推广应用提供参考依据。

2 原材料和试验方法

2.1 原材料

本次试验所用沥青为克拉玛依石化公司生产的90A级道路石油沥青，针入度(25℃，100 g，5 s)为6.8 mm，延度(5 cm/min,15 ℃)>100 cm，环球法软化点为49.5℃；填料为普通硅酸盐水泥；骨料分别为新疆且末县石门水库破碎大理岩骨料和奇台县碧流河水库灰岩骨料，填料和粗细骨料的技术性能指标见表1～2，各项技术性能均满足规范要求。

表1 填料技术性能指标

粗骨料酸碱性判定主要有岩相法、碱度模数法及SiO2含量法[7]。为准确测定大理岩的酸碱性，本次试验通过室内试验测定大理岩碱值为0.98，灰岩碱值为0.95。一般认为，当骨料碱值大于0.80时，该骨料与沥青的粘附性为良好；碱值为0.70～0.80时，粘附性为合格；碱值小于0.70时，粘附性较差[7]。通过测定的碱值可以得出大理岩与沥青的粘附性良好。

表2 粗、细骨料技术性能指标

2.2 试验方法

2.2.1配合比设计

本次试验采用均匀正交设计试验设计方案，选择沥青用量、矿料级配指数、和填料用量作为沥青混凝土配合比的3个参数，试验结果见表3。

表3 大理岩碎石和灰岩碎石正交试验最优配合比结果

碾压式心墙沥青混凝土中沥青用量通常为6.0%～7.5%[8]，沥青与填料通过拌和形成具有粘结力的沥青胶浆。碱性的水泥或者消石灰粉可以提高沥青与骨料的粘附性，合适的沥青胶浆对沥青混凝土的强度和结构有相当重要的影响[9]。沥青与填料在拌和以后形成一定厚度的“结构沥青”，结构沥青之外的称为“自由沥青”[10]。通过颚式破碎机所得的两组颗粒级配相当，选择最优配合比时，以试件密度、孔隙率、马歇尔稳定度和流值作为评判指标，通过极差和方差分析，最终确定灰岩和大理岩破碎料的配合比如下：级配指数为0.39，9.5～19 mm小石含量为24%(592.8 kg/m3)，4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm细石含量均为17%(419.9 kg/m3)，0.75～2.36 mm砂含量为29%(716.3 kg/m3)，填料含量为13%(321.1 kg/m3)；沥青含量为6.7%(165.5 kg/m3)。

2.2.2单轴压缩试验

单轴压缩试验需要制备直径为101±1 mm的沥青混凝土试件，将试件置于新疆大部分水库的运行温度为10.0℃恒温4 h，然后放置在万能试验机上以加载速率为1 mm/min的慢速法进行，通过电脑测读试验数据。

2.2.3水稳定性试验

水稳定性试验需要制备直径和高度均为100±2 mm的试件，将1组试件在60℃的水中浸泡48 h，另1组试件在20℃的空气中恒温48 h，将2组试件进行单轴抗压强度试验，两者比值即为水稳定性系数。

2.2.4拉伸和小梁弯曲试验

沥青混凝土拉伸试件的尺寸为200 mm×40 mm×40 mm，弯曲试件尺寸为250 mm×40 mm×35 mm，将小梁弯曲和拉伸试件放置于10℃水中恒温不小于3 h，试验加载速率为1.0 mm/min，计算机直接采集试验数据。依据规范中相应的试验方法对拉伸强度、抗弯强度、弯曲应变及挠跨比均进行处理计算[11]。

2.2.5静三轴试验

沥青混凝土静三轴试验需要将试件提前放置在10.0℃的恒温空气环境中静置4 h，试验的轴向加载速率为0.18 mm/min，应变速率为0.09%/min。试件放入压力室以后，调整试件位置至正中心，打开围压阀门，并对试件保持恒压30 min进行固结。试验的围压分级不少于4级，每个围压下做3个试件。当轴向压力出现峰值并下降以后，该试件试验结束；若试验一直未出现峰值，则按试件高度的20%应变值停止试验。

3 结果与分析

3.1 马歇尔稳定度流值及劈裂试验

2种骨料配制的沥青混凝土马歇尔劈裂抗拉强度结果见表4。大理岩碎石配制的沥青混凝土稳定度高出灰岩破碎料7.9%，流值低于灰岩破碎料14.6%，劈裂抗拉强度两者差别不大。在优选最佳沥青混凝土配合比时，马歇尔稳定度应选取相对大的值，而流值应选取相对小的值。显然，用大理岩碎石配制的沥青混凝土马歇尔稳定度性能略优于灰岩破碎料。

表4 马歇尔及劈裂试验结果

3.2 压缩试验

压缩试验结果如图1所示，破碎大理岩骨料配制的沥青混凝土压缩强度平均值为2.55 MPa，比破碎灰岩骨料配制的沥青混凝土压缩强度平均值2.14 MPa提高了19.2%，但破碎灰岩骨料配制的沥青混凝土压缩应变比破碎大理岩骨料配制的沥青混凝土高出2%，由压缩试验表明，破碎大理岩骨料配制的沥青混凝土强度高但柔性不如破碎灰岩骨料配制的沥青混凝土，但2种破碎骨料配制的沥青混凝土压缩性均满足规范要求。

图1 压缩试验应力—应变关系示意

3.3 渗透试验

渗透性试验结果见表5所示，2种骨料配制的沥青混凝土试件渗透系数基本相同。孔隙率是影响沥青混凝土渗透系数的关键因素，灰岩破碎料配制的沥青混凝土孔隙率为1.12，大理岩破碎料配制的沥青混凝土孔隙率为0.97，两者的孔隙率都小于2%且非常接近，因此，两者渗透系数差别不大。

表5 渗透试验成果

3.4 水稳定性试验

水稳定性试验应力—应变结果见表6所示，灰岩破碎料沥青混凝土空气中抗压强度为1.26 MPa，在60℃的水中浸泡48 h后，试件的抗压强度为1.17 MPa，水稳定系数为0.93；大理岩岩破碎料沥青混凝土空气中抗压强度为1.63 MPa，在60℃的水中浸泡48 h后，试件的抗压强度为1.49 MPa，水稳定系数为0.91；两者的水稳定性系数均大于规范要求的0.90，并且相差不大，这表明大理岩破碎后作为沥青混凝土骨料，经过高温浸泡以后，强度损失不大。

表6 水稳定性试验成果

3.5 拉伸和小梁弯曲试验

拉伸和小梁弯曲试验应力—应变曲线见图2和图3。

图2 拉伸试验结果示意

图3 小梁弯曲试验结果示意

从图2中可以看出破碎大理岩配制的沥青混凝土拉伸强度为0.5 MPa，小于破碎灰岩配制的沥青混凝土抗拉强度，但是承受的抗变形能力高于破碎灰岩配制的沥青混凝土。

从图3中可以看出破碎大理岩配制的沥青混凝土抗弯强度为2.4 MPa，高出破碎灰岩抗弯强度约0.9 MPa，这也表明破碎大理岩在试验温度10℃的低温条件下柔性、与骨料的胶结性能均略强于破碎灰岩骨料配制的沥青混凝土。

3.6 静力三轴试验

静力三轴试验莫尔应力圆试验结果见图4和图5。

图4 破碎大理岩静三轴试验结果示意

图5 破碎灰岩静三轴试验结果示意

由图4、5可知，破碎大理岩骨料配制的沥青混凝土的粘聚力和内摩擦角分别为459 kPa和28.3°，比破碎灰岩骨料配制的沥青混凝土低6.0 kPa和0.7°。一方面是由于在不同的围压作用下，破碎粗骨料咬合嵌挤，粗骨料之间的咬合力相对提高，杨耀辉[3]等研究发现，沥青混凝土力学性能的提高，主要与骨料粒形和表面粗糙度有关，破碎砾石骨料配制的沥青混凝土抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、水稳定系数分别提高了19%、36%、26%和10%左右，粘聚力和内摩擦角分别提高了171 kPa和2.1°。试验结果也表面了2种骨料配制沥青混凝土静三轴力学性能差别不明显，均能满足规范要求。

4 结语

1) 通过试验研究发现，破碎大理岩配制的沥青混凝土抗拉强度低于破碎灰岩0.5 MPa，抗压和抗弯强度分别高出破碎灰岩0.41 MPa和0.9 MPa，粘聚力和内摩擦角低于破碎灰岩6.0 kPa和0.7°，力学性能差别不明显。说明以破碎大理岩配制沥青混凝土是完全可行的，且力学性能均满足规范要求。

2) 大理岩碎石主要矿物成分为方解石，粘附性为5级，使用其配制的沥青混凝土单轴抗压强度和抗弯强度有一定的提高。