粗骨料对水工心墙沥青混凝土长期水稳定性及力学性能影响研究

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

心墙沥青混凝土具有良好的和易性、优异的防渗性能以及独特的裂缝自愈能力，适应结构变形能力强，用于工程以后具备良好的抗冻性、抗震性、抗裂性，并且施工机械化程度高、速度快[1]。基于其良好的特性，沥青混凝土心墙土石坝这种坝型在新疆得到了广泛的应用。心墙在设计和施工过程中，虽然国内已经颁布了许多规范标准，但是如何解决天然砾石骨料在沥青混凝土心墙中的长期水稳定性问题依然处于谨慎的初始阶段[2]。破碎天然砾石直接用作心墙沥青混凝土的骨料成为了近年来水利工程材料应用领域的热点，但大坝蓄水运行后沥青心墙是否长期稳定不得而知。黑龙江省三道镇水库沥青混凝土护坡在常规水稳定性试验中其耐水性是合格的，但浸水14个月后水稳定系数为0.92，浸水23个月后水稳定性系数为0.62，浸水7年后的水稳定性系数为0.54。经过数年的冻融循环及长期浸泡，沥青混凝土出现了松散而导致失效，这说明按规程测试的耐水性结果与长期浸水试验结果及工程运行情况不完全一致[3]。

本文采用天然砂砾石骨料、50%破碎粗骨料、100%破碎粗骨料与碱性灰岩粗骨料进行试验对比，分析不同骨料配制的心墙沥青混凝土长期稳定性，得出可靠的数据结果，为天然砾石骨料在沥青混凝土心墙坝中的应用提供数据支撑和理论基础。

2 试验设计及方案

2.1 试验设计

本次试验粗骨料分别采用天然砾石、50%及100%掺量破碎砾石、碱性破碎灰岩，细骨料均采用天然河砂，磨圆度较好，填料采用42.5级普通硅酸盐水泥，沥青为中国石油克拉玛依石化公司生产的70号(A级)道路石油沥青。粗骨料技术性能指标见表1。

表1 粗骨料的技术性能

从表1可以分析得出，灰岩及天然砾石两者同沥青的粘附性均为5级，灰岩及破碎后的天然砾石压碎值高于天然砾石，主要由于破碎后粗骨料形状不规则，长宽比更大，竖向荷载作用下骨料相互挤压、变形、碎裂，粗骨料的其他性能指标差别不明显。

以矿料级配指数n、填料用量F(%)和沥青用量B(%)作为设计因素，采用均匀正交设计方法设计9组不同的配合比，采用极差与方差分析方法优选出基础配合比，本次试验选定基础配合比参数为：矿料级配指数为0.42，填料用料为12%，沥青用量为6.6%。各材料质量配合比见表2。

表2 心墙沥青混凝土基础配合比

2.2 试验方案

常规的沥青混凝土水稳定性系数为：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[4]。常规的试验方法水稳定系数均大于0.90，满足规范要求。但是沥青混凝土心墙坝建成后通常运行几十年甚至更久，通过直接延长浸水时间分析其长期水稳定性不切实际。《水工沥青混凝土试验规程》(DL/T 5362—2018)条文说明9.10.1中苏联提出了将试验水温由60℃提高至80℃，并通过大量试验，建立了沥青混凝土在80℃水中浸泡75 h相当于在20℃水中浸泡1 a的定量关系。本次试验采用正交试验方法确定沥青最优配合比，采用破碎率分别为0%、50%、100%的天然砾石粗骨料和碱性灰岩粗骨料作为变量，配制沥青混凝土水稳定性试件、拉伸试件、小梁弯曲试件，分别置于80℃的水中浸泡75 h、375 h、750 h、1 500 h、2 250 h，相当于20℃的水中浸泡1 a、5 a、10 a、20 a、30 a，在规定的试验温度下进行相应的力学试验，分析粗骨料对沥青混凝土长期水稳定性及力学性能的影响和变化规律。

3 试验结果与分析

3.1 水稳定性试验

采用本文2.1节配合比，天然砾石粗骨料破碎料0%、50%、100%及碱性灰岩粗骨料各配制6组直径和高度均为100 mm的沥青混凝土试件，每组3个，其中5组试件分别在80℃恒温水箱中浸泡75 h、375 h、750 h、1 500 h、2 250 h(相当于20℃浸泡1 a、5 a、10 a、20 a、30 a)，最后1组试件在20±1℃空气中养护不少于48 h，前5组试件到规定浸水时间后与最后1组单轴抗压强度之比即为水稳定性系数(试验结果见表3所示)。

表3 不同粗骨料的沥青混凝土长期水稳定性试验结果

从表3试验结果可以看出，粗骨料采用破碎料分别为0%、50%、100%的天然砾石和碱性灰岩时，沥青混凝土在浸水75 h水稳定系数均满足规范要求，随着浸泡时间延长至2 250 h，破碎率为0%的天然砾石骨料水稳定系数由0.98增长至1.03，增加6.1%。破碎率为50%的天然砾石骨料水稳定系数由1.01增长至1.03，增加4.0%。破碎率为100%的天然砾石骨料水稳定系数由1.02增长至1.04，增加3.9%。碱性灰岩骨料水稳定系数由1.00增长至1.04，增加6.0%。4种粗骨料配制的沥青混凝土试件水稳定系数均呈现缓慢增大趋势。分析试验过程及结果可知水稳定性系数增大主要是由于水泥填料呈碱性，与酸性沥青在试件内部发生了水化反应生成水化硅酸钙和氢氧化钙。随着浸泡时间的增加，进入试件内部的水分越多，水化产物不断增加，水稳定系数也不断增大[5]。80℃的水温加速了水泥、水分子、沥青三者之间的水化反应，水化反应速度加快。高温对水泥中的硅酸三钙和铝酸三钙影响较大，提高了沥青混凝土试件的早期强度，后期强度变化不明显，当在80℃水温下浸泡1 500 h以后，水化产物填充沥青混凝土试件的孔隙，水稳定性趋于稳定。研究表明，选用砾石骨料和水泥填料制备沥青混凝土时可以显著提高其粘结性，从而改善沥青混凝土的水稳定性[6-8]。沥青混凝土长期水稳定性与粗骨料类别及是否破碎不存在明显关系。

3.2 力学性能试验

为了探究粗骨料对沥青混凝土长期力学性能的影响，采用2.1节配合比及粗骨料配制沥青混凝土试件，浸泡温度及浸泡时间与水稳定性试验相同，进行沥青混凝土拉伸试验、小梁弯曲试验试验，进行对比分析。

3.2.1拉伸试验

将不同粗骨料配制的沥青混凝土加工成尺寸200 mm×40 mm×40 mm的拉伸试件并浸泡至规定时间后，放入10±0.5℃空气中不少于4 h，试验加载速率取1.0 mm/min，试验结果见表4。

表4 不同粗骨料的沥青混凝土长期拉伸试验结果

表4试验结果表明，不同破碎率的砾石骨料与碱性骨料配制的沥青混凝土在长期浸泡作用下试件抗拉强度呈增长趋势，破碎率为0%的天然砾石骨料抗拉强度0.53增长至0.98，增加84.9%。破碎率为50%的天然砾石骨料抗拉强度0.51增长至0.99，增加94.1%。破碎率为100%的天然砾石骨料抗拉强度0.58增长至1.01，增加74.1%。碱性灰岩骨料抗拉强度0.57增长至0.98，增加71.9%。分析抗拉强度随着浸水时间增大主要原因是长条形沥青混凝土试件拉伸时产生平面破坏，沥青胶浆与粗骨料的粘附力占据主导作用，天然砾石在长期水流冲刷及堆积作用下，表面形成了一层铁、铝和其他金属化合物[9]，沥青胶浆的水泥成分铝酸三钙最先水化，并且快速形成了钙矾石(AFt)，持续浸泡作用下，水泥进入了硅酸三钙水化阶段，随着水泥填料的不断水化，水化产物与骨料及表面的金属化合物相之间开始产生了一定的粘附强度。有研究表明，通过使用抗剥落剂或水泥填料等抗剥落措施可以改善沥青与骨料粘附性[10-13]。因此，沥青混凝土试件的抗拉强度持续上升，拉伸试件截面如图1～图4所示。

图1 天然砾石破碎率0%的试件截面示意

图2 天然砾石破碎率50%的试件截面示意

图3 天然砾石破碎率100%的试件截面示意

图4 碱性灰岩的试件截面示意

从图4可以看出，拉伸试件中粗骨料与粗骨料之间的空隙被沥青胶浆和细骨料填充，极少部分粗骨料的棱角相互接触，但拉伸试件在受到轴向拉力的作用下，产生抗拉强度的更多的是骨料与沥青胶浆的粘附力，所以不同破碎率的天然砂砾石和碱性灰岩粗骨料配制的沥青混凝土抗拉强度差别并不明显。

3.2.2小梁弯曲试验

将不同粗骨料配制的沥青混凝土加工成尺寸250 mm×40 mm×35 mm的小梁弯曲试件并浸泡至规定时间后，放入10±0.5℃空气中不少于4 h，试验加载速率取1.67 mm/min，试验结果见表5。

表5 不同粗骨料的沥青混凝土长期小梁弯曲试验结果

由表5可以看出，在不浸水条件下，以破碎砾石骨料和碱性岩配制的沥青混凝土小梁弯曲试件抗弯强度平均高出砾石骨料0.25～0.33 MPa。单点加载模式下，沥青胶浆薄的骨料之间相互挤压，形成较高的内摩擦力。而天然砾石骨料表面光滑，磨圆度好，骨料与骨料之间的挤压效应不如破碎骨料，在集中荷载下试件抗弯强度较低。在长时间浸泡后，水泥填料表面的矿物质成分产生水化作用，逐渐生成硅酸钙和二氧化钙，随着浸水时间增加，骨料与沥青胶浆粘结能力变强，在浸水750 h抗弯强度最大，这是由于高温加速了水泥的早期强度形成，后期强度逐渐趋于稳定，与粗骨料形态及性状关系不大。

4 结语

1) 当在80℃水温下浸泡1 500 h以后，水化产物填充沥青混凝土试件的孔隙，水稳定性趋于稳定。沥青混凝土长期水稳定性与粗骨料类别及是否破碎不存在明显关系。水泥填料对改善沥青胶浆与骨料的粘附性从而提高沥青混凝土的水稳定性有显著作用。

2) 通过拉伸试验和小梁弯曲试验得到粗骨料形态及性质对沥青混凝土长期力学性能影响不大。主要受水泥填料与沥青形成的胶浆遇水后的产生的水化产物和骨料相互形成的整体，使得沥青混凝土的拉伸和弯拉强度在一定的浸水时间下有所增大。