酸性骨料沥青混凝土配合比优选

王丽峰

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

沥青混凝土心墙土石坝具有良好的抗渗性、抗震性及较强的适应变形能力，现已被越来越多的工程技术人员所接受，成为主要的坝型之一，特别在西北地区应用广泛[1，2]。沥青混凝土作为挡水材料，其性能显得尤为重要，而性能的优劣关键在于配合比的好坏。沥青混凝土是由沥青、填料、粗细骨料组成，骨料在沥青混凝土中既起到骨架的作用，又与沥青粘结形成密实结构体。心墙沥青混凝土通常要求使用碱性骨料，因为沥青本身属于酸性，在热拌合过程中与碱性骨料发生化学反应，增强骨料与沥青的粘结力[3]。酸性骨料与沥青的粘结力较差，在长期浸水作用下，沥青与酸性骨料界面处的沥青膜很容易被水置换，使得沥青与骨料剥离，降低心墙沥青混凝土的耐久性。在一些坝址区，满足一定合理运距的范围内不一定有碱性骨料，特别像新疆地区，大多数的河流发源于高山冰川地带，在水流的作用下，将卵石、砾石带入河道，使得天然砂砾石极为丰富，非常容易开采[4，5]。天然砂砾石大部分为酸性或中性岩石，虽然已有天然砂砾石用于心墙沥青混凝土中的工程实践，但对酸性骨料在心墙混凝土中的应用研究还比较缺乏，本文从酸性骨料与沥青粘附性的角度出发，分析酸性骨料在心墙沥青混凝土中的适用性。

1 原材料选择

1.1 骨料酸碱性

此次试验所用骨料主要由4 种岩石组成，各岩石含量：1 号岩石占8.20%，2 号岩石占31.70%，3 号岩石占18.10%，4 号岩石占42.00%，岩相鉴定分析结果见表1。由表1 可知，若按各种岩石在砂砾石骨料中所占质量百分比为权重综合加权计算骨料的SiO2含量，即60.80×8.20%+68.90×31.70%+71.30×18.10%+67.60×42.00%=68.10% ＞65.00%，故可认为该骨料系酸性骨料。

表1 岩相鉴定

1.2 骨料粘附性

沥青和骨料粘附性的本质是两种材料的界面亲和力，这种界面亲和力是指表面张力、范德华力、机械附着力及化学反应引力。众所周知，水对沥青-骨料粘附力有着潜在的危害，水分吸附在骨料表面，由于水的极性很强，骨料表面的沥青能被水置换。对于石英类材料，硅的含量很高，表面带有弱的负电荷，能与水分子的氢离子以氢键的方式结合，由于它与沥青的结合主要依靠相对较弱的范德华力，此种结合力比水分子与硅的极性吸引力小得多，水更容易穿透沥青达到骨料表面将骨料与沥青分开，当需要采用酸性或中性岩石时，必须有充分的试验论证。

本文采用水煮法对此次试验拟选用的4 种岩石进行粘附性等级评定。水煮法是将表面完全被沥青包裹的骨料颗粒在沸水中浸煮3 min 后取出，通过观察骨料颗粒表面沥青膜的剥落程度判定骨料与沥青的粘附性等级。此试验将水煮时间延长至9 min，观察骨料表面沥青的剥落情况，试验结果如图1 所示。

图1 骨料与沥青水煮法试验结果

为了进一步改善酸性骨料与沥青的粘附性，在沥青中加入3.00%的普通硅酸盐水泥制成沥青胶浆，进行粘附性试验，试验结果如图2 所示。由图2 可以明显地看出，加入水泥后，沥青膜的剥落面积明显减少，说明在沥青中加入水泥可以有效地改善酸性骨料与沥青的粘附性。

图2 骨料与沥青胶浆水煮法试验结果

1.3 原材料性能

此次试验选用库车AH-90 号沥青，普通硅酸盐水泥为填料，粗、细骨料为上述酸性骨料，各材料性能结果见表2—5。试验所用的各种原材料均满足SL 501—2010《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》中规定的技术要求[6]。

表2 沥青性能结果

表3 水泥性能结果

表4 细骨料性能结果

表5 粗骨料性能结果

2 配合比设计及结果分析

沥青混凝土配合比设计与试验旨在确定矿料标准级配，确定各级矿料、填料和沥青用量。良好的矿料级配应该是使矿料的孔隙率最小，结构沥青能充分裹覆骨料的表面，以保证矿料颗粒之间处于最紧密的状态，并为矿料与沥青之间交互作用创造良好条件，依此配制的沥青混凝土能最大限度地发挥其结构强度的效能。在SL 501—2010 和SL 514—2013《水工沥青混凝土施工规范》[7]两个标准中都推荐水工沥青混凝土的矿料级配设计可采用丁朴荣教授提出的公式计算获得。此次试验初拟级配指数为0.35，0.38，0.41，填料用量分别为11.00%，13.00%，15.00%，沥青用量分别为6.10%，6.40%，6.70%，7.00%。选用L9（34）+3 正交表安排试验方案，以孔隙率、马歇尔稳定度和流值、劈裂抗拉强度为考核指标，选出最优配合比参数，试验结果见表6。

表6 沥青混凝土基本性能试验结果

2.1 沥青用量对沥青混凝土性能影响

沥青用量又称油石比，是指沥青材料质量与矿料总质量的比率，确定最适宜的沥青用量，使沥青既能充分包裹矿料颗粒，又不会导致有过多的自由沥青，使沥青混凝土既有足够的强度，又有一定的柔性。沥青用量与4 种考核指标关系见图3，由图3 试验结果可知，对于孔隙率来讲，随着沥青用量的增加，孔隙率逐渐减小，当沥青用量从6.40%增加到6.70%时，孔隙率减小明显；劈裂抗拉强度变化幅度不大，且随着沥青用量的增加，劈裂抗拉强度逐渐减小；随着沥青用量的增加马歇尔稳定度逐渐减小；马歇尔流值随着沥青用量的增加先增大后减小再增大，且在沥青用量达到6.70%后，流值增加明显。综合各个考核指标来看，沥青用量为6.70%时，沥青混凝土的性能较优。

图3 沥青用量与考核指标关系

2.2 级配指数对沥青混凝土性能影响

级配指数可以确定矿料的颗粒级配，其值的大小表示矿料中粗、细骨料含量的比例，数值越小，矿料中细颗粒的含量越多。级配指数与4 种考核指标关系见图4，由图4 试验结果可知，对于孔隙率来讲，随着级配指数的增加，孔隙率先增大后减小，级配指数为0.38 时，孔隙率最大，且满足规范要求；劈裂抗拉强度随着级配指数的增加呈下降趋势；对于马歇尔稳定度来讲，随着级配指数的增加逐渐减小，当级配指数为0.38 后，稳定度减小缓慢；马歇尔流值随着级配指数的增加呈减小趋势。综合各个考核指标来看，级配指数为0.35时，沥青混凝土的性能较优。

图4 级配指数与考核指标关系

2.3 填料用量对沥青混凝土性能影响

填料用量是指填料质量占矿料总质量的百分率，填料不仅可以在矿料中起到填充密实作用，而且对沥青混凝土的力学性能、流变性能及感温性等产生重要的影响。填料与沥青形成沥青胶浆，不仅具有物理吸附作用，还很好地填充了粗、细骨料之间的缝隙，从而提高沥青混凝土的抗渗性[8]。填料用量与4 种考核指标关系见图5，由图5 试验结果可知，当填料用量为11.00%，13.00%，15.00%时，孔隙率相当，满足规范要求；随着填料用量的减小，劈裂抗拉强度先增大后减小；随着填料用量的减小，马歇尔稳定度先减小后增大；随着填料用量的减小，马歇尔流值先增大后减小。综合各个考核指标来看，填料用量为11.00%时，沥青混凝土的性能较优。

图5 填料用与考核指标关系

综上所述，通过各个考核指标的比选，在此试验范围内，沥青混凝土配合比参数：沥青用量为6.70%，级配指数为0.35，填料用量为11.00%。

2.4 配合比参数复核

选用上述配合比参数制备沥青混凝土试件，并进行马歇尔稳定度、劈裂抗拉、压缩、拉伸、小梁弯曲、水稳定性试验，校核配合比参数的可行性，试验结果见表7。由表7 可知，沥青混凝土的性能良好，各项指标均满足规范要求，说明水泥作为填料改善酸性骨料粘附性的条件下，酸性砾石可以用做沥青混凝土的骨料使用。

表7 沥青混凝土性能试验结果

3 结语

本文通过提高酸性骨料与沥青的粘结力，并采用正交试验的方法优选出酸性骨料的沥青混凝土配合比参数。在使用酸性骨料时，建议掺加抗剥落剂来提高骨料的粘附性，且抗剥落剂的种类及掺量应通过试验确定。后续将对酸性骨料在心墙沥青混凝土中的适用性进行全面研究，为酸性骨料在工程中的应用提供理论支撑。