(中国水利水电第四工程局有限公司,青海 西宁 810007)
摘 要:文章通过大河滩水库工程碾压式心墙沥青混凝土的原材料检测、矿料级配及沥青含量选择、结合沥青混凝土渗透性能、力学性能提出经济合理的沥青混凝土施工推荐配合比,阐述了沥青混凝土配合比设计要点及注意事项,为今后类似工程提供一定借鉴。
关键词:碾压式心墙 沥青混凝土 配合比 设计
1.前言
大河滩水库位于青海省大通县桦林乡境内的瓜拉河,水库拦河大坝为沥青混凝土心墙堆石坝。水库工程属Ⅳ等小(1)型,最大坝高53.5m,坝顶宽 8.0m,坝顶长 211.5m。正常蓄水位2894.0m,库容为419.1万m³,校核洪水位2897.56m时总库容494.6万m³,主要建筑物由拦河大坝、溢洪道等组成。
2.沥青混凝土设计要求
本工程碾压式沥青混凝土心墙的主要技术要求如下表2-1。
表2-1 碾压式沥青混凝土主要技术指标
序号 | 项目 | 单位 | 设计指标 | 备注 |
1 | 孔隙率 | % | ≤3 | 芯样 |
% | ≤2 | 马歇尔试件 | ||
2 | 渗透系数 | cm/s | <1×10-8 | |
3 | 水稳定系数 | ≥0.9 | ||
4 | 弯曲强度 | kPa | ≥400 | |
5 | 弯曲应变 | % | ≥1 | |
6 | 内摩擦角 | (°) | ≥25 | |
7 | 粘结力 | MPa | ≥0.3 | |
8 | 拉伸强度 | MPa | >1 | 4摄氏度 |
9 | 拉伸应变 | % | ≥1.5 | 4摄氏度 |
10 | 抗压强度 | MPa | >4 | 4摄氏度 |
11 | 抗压应变 | % | >5 | 4摄氏度 |
12 | 模量数K(E-μ模型) | ≥700(参考值) | 4摄氏度 | |
13 | 模量数K(E-μ模型) | ≥200(参考值) | 22摄氏度 |
3. 原材料试验
3.1 沥青
在沥青混凝土组成材料中,沥青作为胶结矿料的载体,其稳定性对沥青混凝土的力学性能影响很大。根据设计要求,本工程沥青采用中石油克拉玛依石化有限责任公司生产的SG70道路石油沥青。对石油沥青按《水工沥青混凝土试验规程》DL/T 5362-2018要求进行了规定项目的试验检测。试验检测结果见表3-1。试验表明,沥青各项指标符合《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》DL/T5411-2009、《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》SL 501-2010中的技术要求及沥青混凝土心墙施工技术要求,可用于大河滩水库工程沥青混凝土心墙。
表3-1 沥青(SG70)检测结果
检 测 项 目 | 单位 | SG70质量要求 | 试验结果 | 试验方法 | |||
针入度(25℃,100g,5s) | 1/10mm | 60~80 | 77 | GB/T 4509-2010 | |||
软化点(环球法) | ℃ | 48~55 | 48.5 | GB/T 4507-2014 | |||
延度 | (5cm/min,15℃) | cm | ≥150 | >150 | GB/T 4508-2010 | ||
(1cm/min,4℃) | cm | ≥10 | 13 | ||||
密度(25℃) | g/cm3 | ≥1 | 1.0022 | GB/T 8928-2008 | |||
含蜡量(裂解法) | % | ≤2 | 1.78 | JTJ T0615-2000 | |||
脆点 | ℃ | ≤-10 | -12 | GB/T 4510-2017 | |||
溶解度(三氯乙烯) | % | >99.0 | 99.82 | GB/T 11148-2008 | |||
闪点(开口法) | ℃ | 260 | 268 | GB/T 267-1988 | |||
薄膜烘箱试(163℃,5h) | 质量损失 | % | ≤0.2 | 0.1 | GB/T 5304-2001 | ||
针入度比 | % | ≥68 | 82 | GB/T 4509-2010 | |||
延度 | (5cm/min,15℃) | cm | ≥80 | 92 | GB/T 4508-2010 | ||
(1cm/min,4℃) | cm | ≥4 | 6 | GB/T 4508-2010 | |||
软化点升高 | ℃ | ≤5 | 3 | GB/T 4507-2014 | |||
3.2 粗骨料
粗骨料宜采用碱性岩石破碎的碎石,粗骨料应质地坚硬、新鲜,不因加热而引起性质变化。本工程沥青混凝土粗骨料采用大通鑫环石英砂石加工厂生产的骨料,其中一级为2.36-4.75mm粒径范围,其余两粒级为4.75-9.5mm、9.5mm-19.0mm,粗骨料各项技术要求按《水工沥青混凝土试验规程》DL/T 5362-2018执行,其试验项目及检测结果见表3-2,试验表明:粗骨料各项指标符合《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》SL 501-2010中的技术要求及沥青混凝土心墙施工技术要求,可作为大河滩水库工程沥青混凝土心墙的粗骨料。
表3-2粗骨料检测结果
检 测 项 目 | 单位 | 标准要求 | 粗骨料检测结果 | 说明 | ||
9.5mm-19mm | 4.75mm-9.5mm | 2.36mm-4.75mm | ||||
表观密度 | g/cm3 | ≥2.6 | 2.667 | 2.705 | 2.705 | |
与沥青黏附性 | 级 | ≥4 | 4 | / | / | 水煮法 |
针片状颗粒含量 | % | ≤25 | 7.8 | 7.4 | / | 颗粒最大、最小尺寸比>3 |
压碎值 | % | ≤30 | 18 | / | / | 压力400KN |
吸水率 | % | ≤2 | 0.8 | 1.2 | 1.3 | |
含泥量 | % | ≤0.5 | 0.4 | 0.2 | 0.3 | |
耐久性 | % | ≤12 | 5 | / | / | 硫酸钠干湿循环5次的质量损失 |
3.3 细骨料
细骨料可选用人工砂、天然砂等;加工碎石筛余的石屑也可利用,但其级配应符合要求。人工砂洁净、有棱角,对沥青混凝土的强度和稳定性有利,因而把人工砂放在首选位置。细骨料应质地坚硬、新鲜,不因加热而引起性质变化。本工程把大通鑫环石英砂石加工厂生产的0mm-4.75mm灰岩骨料经0.075mm筛、2.36mm筛分成细骨料0.075mm-2.36mm,粗骨料2.36-4.75mm二种级配。细骨料各项技术要求按《水工沥青混凝土试验规程》DL/T 5362-2018执行,其试验项目及检测结果见表3-3,试验表明,细骨料各项指标符合《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》SL 501-2010中的技术要求及沥青混凝土心墙施工技术要求,可作为大河滩水库工程沥青混凝土心墙的细骨料。
表3-3细骨料检测结果
检 测 项 目 | 单位 | 标准要求 | 检测结果 | 说明 |
表观密度 | g/cm3 | ≥2.55 | 2.662 | |
吸水率 | % | ≤2 | 1.4 | |
水稳定等级 | 级 | ≥6 | 8级 | 碳酸钠溶液煮沸1min |
耐久性 | % | ≤15 | 5 | 硫酸钠干湿循环5次的重量损失 |
有机质及泥土含量 | % | ≤2 | 0.7 |
3.4填料
填料通常是指矿料中颗粒粒径小于0.075mm,且能够较好在沥青中高度分散并与沥青很好地粘结在一起用于填充其他各级矿料间空隙的材料。填料的细粒多,对沥青混凝土力学性能有利。本工程所用填料为大通县豫昌微粉厂生产的石灰石粉。填料各项技术要求按《水工沥青混凝土试验规程》DL/T 5362-2018执行,其试验项目及检测结果见表3-4,试验表明,填料各项指标符合《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》SL 501-2010中的技术要求及沥青混凝土心墙施工技术要求,可作为大河滩水库工程沥青混凝土心墙的填料。
表3-4 填料检测结果
检测项目 | 单位 | 标准要求 | 试验结果 | 说明 | |
表观密度 | g/cm3 | ≥2.5 | 2.78 | ||
亲水系数 | ≤1.0 | 0.90 | 煤油与水沉淀法 | ||
含水率 | % | ≤0.5 | 0.1 | ||
细度 | <0.6mm | % | 100 | 100.0 | |
<0.15mm | % | >90 | 99.9 | ||
<0.075 mm | % | >85 | 99.4 |
4.沥青混凝土室内配合比试验
4.1配合比设计试验思路
碾压式沥青混凝土配合比设计的内容是确定粗骨料、细骨料、填料和沥青材料相互配合的最佳组成比例,使之既能满足沥青混凝土工程技术要求又符合经济的原则。目前国内外沥青混凝土配合比设计多采用矿料级配和油石比(按矿料总重的百分数计)两个参数。矿料级配是指粗骨料、细骨料、填料按适当比例配合,使其具有最小的空隙率和最大的摩擦力的合成级配,矿料级配可用最大粒径、粗细骨料的比例、填料用量三个参数来表征。目前常用的级配理论主要有最大密度曲线理论和粒子干涉理论。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。最大密度曲线是通过试验提出的一种理想曲线,这种理论认为,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式如式(4-1)。
(4-1)
式中:Pi:筛孔尺寸为di时的通过率(%);P0.075:填料用量(%);n:矿料级配指数;di:某一筛孔尺寸(mm);Dmax:矿料最大粒径(mm)。
依据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》SL 501-2010进行水工沥青混凝土配合比设计,选择沥青用量、填料用量和级配指数等配合比参数进行试验时,可先按4~5种沥青用量、 3~4种填料含量、2~3种级配指数和不同材料种类组成不同配合比进行关键性能试验,再从中选择出满足要求的较优的2~3种配合比进行全面的性能试验验证,选出最优配合比。
本工程选择3种级配指数(0.38、0.41、0.44)、5种沥青含量(以0.3%间隔上下变化)、3种填料用量(以1%间隔上下变化)组合成不同的配合比进行密度、稳定度和流值、孔隙率、饱和度和矿料间隙率试验,沥青含量指沥青混合料中沥青质量与沥青混合料总质量的比值。油石比指沥青混合料中沥青质量与沥青混合料中矿料质量的比值。根据沥青用量=油石比/(1+油石比),本工程采用油石比进行沥青混凝土拌合。建立油石比用量、填料用量与沥青混凝土各项指标的关系曲线,根据试验成果选择合适的油石比用量、填料用量,再根据油石比用量换算成沥青用量。
4.2沥青混凝土配合比主要参数的选择
4.2.1沥青混合料矿料级配的计算
根据配合比设计思路和试验方案,试验中将矿料分级为9.5mm~19.0mm、4.75mm~9.5mm、2.36mm~4.75mm、0.075mm~2.36mm、≤0.075mm共五级,选用矿料级配指数分别为0.38、0.41、0.44,填料用量为12%、13%、14%进行矿料级配计算,计算式采用式(4-1),则试验所选用的级配指数和相应各级矿料比例汇总见表4-1。
表4-1 矿料级配表
粒径(mm) | 9.5~19.0 | 4.75~9.5 | 2.36~4.75 | 0.075~2.36 | ≤0.075 | 配合比编号 | |
人工砂 | |||||||
比例(%) | n=0.38 | 28.5 | 13.7 | 13.3 | 31.5 | 13.0 | 1~5、22 |
n=0.38 | 28.8 | 13.9 | 13.4 | 31.9 | 12.0 | 6 | |
n=0.38 | 28.2 | 13.5 | 13.2 | 31.1 | 14.0 | 7 | |
n=0.41 | 29.9 | 13.8 | 13.3 | 30.0 | 13.0 | 8~12、23 | |
n=0.41 | 30.3 | 13.9 | 13.5 | 30.3 | 12.0 | 13 | |
n=0.41 | 29.6 | 13.6 | 13.2 | 29.6 | 14.0 | 14 | |
n=0.44 | 31.4 | 13.8 | 13.3 | 28.5 | 13.0 | 15~19、24 | |
n=0.44 | 31.8 | 13.9 | 13.5 | 28.8 | 12.0 | 20 | |
n=0.44 | 31.0 | 13.7 | 13.2 | 28.1 | 14.0 | 21 |
4.2.2沥青混合料油石比的选择
矿料级配指数分别选用0.38、0.41、0.44,固定填料用量为13%,每个级配指数选用6.3%、6.6%、6.9%、7.3%、7.6%的油石比拌制沥青混合料,制备沥青混凝土试件,进行密度、孔隙率、马歇尔稳定度和流值试验。沥青混凝土密度、孔隙率、马歇尔稳定度和流值试验成果见表4-2,从试验成果可以看出,在相同矿料级配指数和相同填料用量的情况下,沥青混凝土稳定度随油石比的增加而降低,沥青混凝土的流值随油石比的增加而增加。而沥青混凝土孔隙率随油石比增加的变化规律呈现了如下特点:即在某一级配指数和填料用量情况下,存在某一油石比,使沥青混凝土孔隙率达到最低,将此情况下的油石比定义为此配合比满足沥青混凝土孔隙率最小时的最佳油石比。综合考虑沥青混凝土的孔隙率、力学及变形性能等因素,选定n=0.38、 填料用量为13.0%时,最佳油石比为6.9%;n=0.41、 填料用量为13.0%时,最佳油石比为7.2%;n=0.44、 填料用量为13.0%时,最佳油石比为7.0%。
表4-2 沥青混凝土密度、孔隙率、马歇尔稳定度和流值试验成果表
配合比编号 | 配合比参数 | 沥青混凝土密度 (g/cm3) | 沥青混凝土最大密度(g/cm3) | 孔隙率(%) | 马歇尔试验 | ||||
n | 填料用量(%) | Dmax(mm) | 油石比(%) | 稳定度 (kN) | 流值 (0.1mm) | ||||
1 | 0.38 | 13 | 19 | 6.3 | 2.325 | 2.381 | 2.35 | 6.24 | 45 |
2 | 0.38 | 13 | 19 | 6.6 | 2.335 | 2.385 | 2.10 | 5.98 | 49 |
3 | 0.38 | 13 | 19 | 6.9 | 2.368 | 2.413 | 1.86 | 5.87 | 53 |
4 | 0.38 | 13 | 19 | 7.3 | 2.354 | 2.398 | 1.83 | 5.64 | 58 |
5 | 0.38 | 13 | 19 | 7.6 | 2.336 | 2.382 | 1.93 | 5.25 | 65 |
8 | 0.41 | 13 | 19 | 6.3 | 2.338 | 2.391 | 2.22 | 6.11 | 48 |
9 | 0.41 | 13 | 19 | 6.6 | 2.348 | 2.399 | 2.13 | 5.95 | 53 |
10 | 0.41 | 13 | 19 | 6.9 | 2.352 | 2.400 | 2.00 | 5.81 | 59 |
11 | 0.41 | 13 | 19 | 7.3 | 2.355 | 2.400 | 1.87 | 5.45 | 65 |
12 | 0.41 | 13 | 19 | 7.6 | 2.341 | 2.388 | 1.97 | 5.14 | 71 |
15 | 0.44 | 13 | 19 | 6.3 | 2.335 | 2.384 | 2.06 | 5.98 | 54 |
16 | 0.44 | 13 | 19 | 6.6 | 2.342 | 2.389 | 1.97 | 5.75 | 60 |
17 | 0.44 | 13 | 19 | 6.9 | 2.348 | 2.393 | 1.88 | 5.53 | 68 |
18 | 0.44 | 13 | 19 | 7.3 | 2.338 | 2.384 | 1.93 | 5.31 | 73 |
19 | 0.44 | 13 | 19 | 7.6 | 2.334 | 2.380 | 1.93 | 4.92 | 79 |
4.2.3沥青混合料填料用量的选择
固定三种矿料级配指数情况下的油石比,选用填料用量分别为12.0%、13.0%、14.0%拌制沥青混合料,制备沥青混凝土试件,进行密度、孔隙率、马歇尔稳定度和流值试验,以选出三种矿料级配指数情况下的最佳填料用量。不同矿料级配指数和不同填料用量情况下沥青混凝土密度、孔隙率、马歇尔稳定度和流值试验成果见表4-3。综合考虑沥青混凝土的孔隙率、力学及变形性能等因素,选定n=0.38、油石比为6.9%时, 最佳填料用量为13.0%;n=0.41、油石比为7.2%时, 最佳填料用量为13.0%;n=0.44、油石比为7.0%时, 最佳填料用量为13.0%
表4-3 沥青混凝土密度、孔隙率、马歇尔稳定度和流值试验成果表
配合比 编号 | 配合比参数 | 沥青混凝土密度(g/cm3) | 沥青混凝土最大密度(g/cm3) | 孔隙率(%) | 马歇尔试验 | ||||
n | 油石比(%) | Dmax(mm) | 填料用量(%) | 稳定度(kN) | 流值(0.1mm) | ||||
6 | 0.38 | 6.9 | 19 | 12.0 | 2.348 | 2.394 | 1.92 | 5.95 | 46 |
3 | 13.0 | 2.368 | 2.413 | 1.86 | 5.87 | 53 | |||
7 | 14.0 | 2.361 | 2.406 | 1.87 | 5.65 | 59 | |||
13 | 0.41 | 7.2 | 19 | 12.0 | 2.357 | 2.404 | 1.96 | 5.82 | 51 |
22 | 13.0 | 2.368 | 2.412 | 1.82 | 5.66 | 58 | |||
14 | 14.0 | 2.361 | 2.407 | 1.91 | 5.31 | 64 | |||
20 | 0.44 | 7.0 | 19 | 12.0 | 2.352 | 2.400 | 2.00 | 5.62 | 52 |
23 | 13.0 | 2.369 | 2.414 | 1.86 | 5.53 | 63 | |||
21 | 14.0 | 2.375 | 2.421 | 1.90 | 5.34 | 70 |
综合上述试验成果分析,推荐配合比参数为油石比7.2%、填料用量13%、级配指数0.41,油石比7.0%、填料用量13%、级配指数0.44的两组配合比用于沥青混凝土性能试验,推荐沥青混凝土配合比见表4-4。对这两组配合比进行沥青混凝土性能试验,试验项目包括沥青混凝土渗透试验、水稳定性试验、小梁弯曲试验、拉伸试验、单轴压缩试验和静三轴试验。
表4-4 推荐沥青混凝土配合比
配合比 编号 | 级配指数n | 骨料比例(%) | 油石比(%) | ||||
粗骨料(mm) | 细骨料(mm) | 填料(mm) | |||||
9.5~19.0 | 4.75~9.5 | 2.36~4.75 | 0.075~2.36 | <0.075 | |||
22 | 0.41 | 29.9 | 13.8 | 13.3 | 30.0 | 13.0 | 7.2 |
23 | 0.44 | 31.4 | 13.8 | 13.3 | 28.5 | 13.0 | 7.0 |
5.推荐配合比的沥青混凝土性能试验
5.1小梁弯曲试验
沥青混凝土小梁弯曲试件由击实成型样切割而成,试件尺寸为长250mm×宽35mm×高40mm。试验温度为5℃,采用应变速率1%/min控制。经检测,22号沥青混凝土抗弯强度为2466kPa,弯拉应变为2.944%,弯曲变形模量为83.8MPa,挠跨比为2.4%;23号沥青混凝土抗弯强度为2580kPa,弯拉应变为2.767%,弯曲变形模量为93.3MPa,挠跨比为2.3%。试验表明,所选的22、23号配合比沥青混凝土的弯曲强度符合设计大于等于400kPa,弯曲应变大于等于1%的要求。
5.2水稳定性能试验
水稳定性试验是将同组的6个试件分为两组,第一组试件放在20℃±1℃空气中不少于48h,第二组试件先浸入水温为60℃±1℃的水中48h,然后移到温度为20℃±1℃的水中4h,按规定进行抗压强度试验。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φ100mm×高100mm的圆柱体试件,加载速率为1mm/min,经检测,22号沥青混凝土水稳定系数为0.99;23号沥青混凝土水稳定系数为0.97。试验表明:所选的22、23号配合比沥青混凝土的水稳定系数符合设计大于等于0.9的要求。
5.3渗透试验
沥青混凝土渗透试件尺寸为φ101.6mm×高63.5mm的圆柱体试件,采用击实法成型试件,在温度为20℃的条件下进行变水头渗透试验,经检测,22号沥青混凝土渗透系数为(2.1~2.5)×10-9cm/s;23号沥青混凝土渗透系数为(1.8~2.4)×10-9cm/s。试验表明,所选的22、23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。
5.4拉伸性能试验
沥青混凝土拉伸试件由击实成型样切割而成,试件尺寸为长200mm×宽40mm×高40mm。试件在5℃条件下恒温不少于35min、变形速率为1%/min条件下进行拉伸试验。经检测,22号沥青混凝土拉伸强度为1.06MPa,最大拉伸应变为1.61%;23号沥青混凝土拉伸强度为1.13MPa,最大拉伸应变为1.55%。
5.5单轴压缩试验
试件尺寸为φ100mm×高100 mm的圆柱体试件,试验中在常温下放置至少24h,在试验温度5℃条件下恒温4h,加载速率为1mm/min。经检测,22号沥青混凝土抗压强度为4.60MPa;23号沥青混凝土抗压强度为4.92MPa。
5.6静三轴试验
沥青混凝土室内静三轴试验条件:试验温度为5℃;剪切加载速率为0.20mm/min;围压采用200kPa、400kPa、600kPa、800kPa进行,试件为室内击实成型,试件尺寸为φ100mm×高200mm的圆柱体试件。经检测,22号配合比4摄氏度沥青混凝土黏结力C为0.41MPa, 内摩擦角φ为34.8°;23号配合比4摄氏度沥青混凝土黏结力C为0.43MPa, 内摩擦角φ为35.3°, 22号配合比22摄氏度沥青混凝土黏结力C为0.33MPa, 内摩擦角φ为28.8°,23号配合比22摄氏度沥青混凝土黏结力C为0.35MPa, 内摩擦角φ为28.1°。试验表明,所选的22、23号配合比沥青混凝土的黏结力C符合设计大于等于300 kPa,内摩擦角φ大于等于25°的要求。
6.推荐配合比
综合分析沥青混凝土性能试验成果,所选22号、23号配合比沥青混凝土的密度、孔隙率、马歇尔稳定度、马歇尔流值、渗透系数、水稳定系数、静三轴试验、小梁弯曲试验的各项指标均满足设计要求,推荐沥青混凝土配合比参数见表6-1。
表6-1 推荐沥青混凝土配合比
配合比编号 | 级配指数n | 骨料比例(%) | 油石比(%) | ||||
粗骨料(mm) | 细骨料(mm) | 填料(mm) | |||||
9.5~19.0 | 4.75~9.5 | 2.36~4.75 | 0.075~2.36 | <0.075 | |||
22 | 0.41 | 29.9 | 13.8 | 13.3 | 30.0 | 13.0 | 7.2 |
23 | 0.44 | 31.4 | 13.8 | 13.3 | 28.5 | 13.0 | 7.0 |
6.结语
1)沥青混凝土配合比设计旨在合理选择各级矿质材料的级配组成和沥青用量这两大参数,以便正确的指导沥青混凝土配合比设计。
2)沥青混凝土配合比设计参数的合理取值,一方面可以保证配合比设计的准确性,另一方面也可以优化配合比方案,减少试验工作量,提高工作效率。
3)通过沥青混凝土室内配合比设计得到的矿料级配和沥青用量参数应该在现场试铺试验中进行进一步的验证,并根据现场各级矿料的实际分布情况通过级配调整使配制出来的沥青混凝土满足工程设计要求。
4) 在施工现场,还需要根据现场的实际情况进行现场摊铺试验,以最终确定施工配合比。
作者简介:万丽萍 女(1977-) 高级技师 中国水利水电第四工程局有限公司勘测设计研究院
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