防渗层水工沥青混凝土级配设计与过程控制

杨看迪, 李 绅,许 林,蔡荣生,林振华,磨炼同

(1.山东潍坊抽水蓄能有限公司,潍坊 262699; 2.浙江华东工程咨询有限公司,杭州 310014; 3.中国水利水电第六工程局有限公司,沈阳 110013; 4.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉 430070)

随着我国新兴能源的大规模开发利用,抽水蓄能电站建设得到了快速发展以提升清洁能源利用水平。沥青混凝土面板是抽水蓄能水库重要的防渗结构形式之一,其中沥青混凝土防渗层是重要的防渗结构层,要求具有良好的抗渗性、稳定性、抗裂性和耐久性,因此一直以来沥青混凝土防渗层从材料设计、施工、现场检测等环节都十分重视。在配合比设计方面,丁朴荣等[1,2]通过填料浓度和胶骨比提出水工沥青混凝土配合比平面的概念和求解施工配合比平面边界的方法。刘增宏[3]利用效用函数法建立了水工沥青混凝土配合比设计数学模型,并发现最佳沥青用量是条件性的。徐天毅[4]开展三个以上配合比参数的水工沥青混凝土配合比的设计理论和方法研究,利用正交设计法和计算机辅助设计及数据处理实现配合比的多元设计。在性能影响因素分析方面,余华英等[5]试验发现影响水工沥青混凝土孔隙率的各种因素的排序为:级配指数>油石比>填料用量。余梁蜀等[6]利用正交试验方法对水工沥青混凝土配合比进行试验,研究了沥青用量、填料用量、级配指数3个因素对沥青混凝土强度、变形性能和防渗性能的影响,发现沥青用量对沥青混凝土性能的影响最显著。刘杰等[7]通过对水工沥青混凝土进行低温冻断试验,发现不同厂家的沥青、填料用量对沥青混凝土冻断温度影响很大,沥青用量和天然砂掺量对防渗层水工沥青混凝土冻断温度几乎无影响。邹长根等[8]开展了不同沥青品种、沥青用量和骨料级配的低温小梁弯曲试验,发现沥青品种对弯曲应变影响最大,其次为沥青用量,骨料级配影响最小。此外,集料粒形和沥青高温流变性能对防渗层水工沥青混凝土高温抗流淌性能影响显著[9]。

当前防渗层水工沥青混凝土配合比设计缺少公认的设计方法与步骤,矿料合成级配设计未形成认可的级配范围,缺少关键筛孔通过率控制要求,实际设计级配与理论目标级配存在偏差,级配调整与控制认识不一致。矿料合成级配的选择是水工沥青混凝土配合比设计的一个重要问题,当前其设计级配主要以骨料最大粒径、级配指数和填料用量3个参数进行表征。防渗层水工沥青混凝土配合比设计试验时要充分考虑不同级配指数、填料用量和沥青用量组合的影响,试验工作量大,级配选取往往基于孔隙率和斜坡流淌值,力学性能只是简单验证为主,导致最终推荐的级配并非最优级配,因此如何根据水工沥青混凝土性能设计要求有效地优化和控制矿料合成级配,在理论和实践上仍有待进一步研究。为此,论文分析防渗层水工沥青混凝土级配设计存在的问题以提出设计级配与矿料合成级配偏差控制要求,同时探讨级配调整与过程控制方法,结合前期项目试验结果分析级配偏差对防渗层水工沥青混凝土孔隙率和斜坡流淌值的影响,为进一步优化级配设计提供新思路。

1 级配设计

不管是道路沥青混凝土还是水工沥青混凝土,其配合比设计主要包括矿料合成级配设计与沥青用量的确定。我国道路沥青混凝土的矿料合成级配一般按给定的级配范围进行设计,而美国Superpave沥青混合料矿料合成级配则按控制点和禁区进行设计,二者均要求合成的级配曲线须在级配上、下限范围内或应通过控制点,但不能通过禁区。水工沥青混凝土矿料合成级配设计与道路沥青混凝土差别大,前者其主要是先通过丁朴荣公式计算和确定一个标准设计级配,再通过调整不同矿料用量比例使得矿料合成级配尽可能接近标准设计级配即可,但实际上二者存在偏差,其偏差与骨料规格分级数量有关,但更多的是与细骨料0.075～2.36 mm的级配有关。当前对于防渗层水工沥青混凝土所用骨料,从大到小主要按9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm和0.075～2.36 mm进行分级,大于2.36 mm粗骨料基本上是按单一级配骨料分级,因此不管单一规格粗骨料的超逊径含量如何,均可通过调整各粗骨料用量比例使矿料合成级配在大于2.36 mm各筛孔的通过率与标准设计级配保持一致。此外,0.075 mm通过率也可通过调整矿粉用量比例来实现其合成级配通过率与标准设计级配一致。实际上水工沥青混凝土级配设计难点是0.075～2.36 mm之间各筛孔,包括0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm的通过率往往与标准设计级配存在较大偏差。图1中标准设计级配参数为最大粒径Dmax=16 mm,级配指数r=0.4和填料用量F=12%,按丁朴荣公式计算得到各筛孔通过率。当细骨料级配合理时,矿料合成级配与标准设计级配高度一致,二个级配曲线基本重合。当细骨料偏细,合成级配曲线则在0.075～2.36 mm之间出现向上凸形成典型驼峰曲线;而细骨料偏粗,合成级配则在0.075～2.36 mm之间出现向下凹形成典型近间断曲线。当前细骨料0.075～2.36 mm的加工级配主要按超径含量不大于10%、逊径含量不大于5%进行控制,缺少中间各筛孔通过率要求,完全不能控制合成级配在0.075～2.36 mm之间走势,因此不利于级配设计与过程调整控制。结合前期几个项目机制砂加工实际情况发现,细骨料加工按超径含量不大于10%、逊径含量不大于5%进行控制和验收基本难以达到要求,多表现为两头多、中间少的不良级配,即粗料多,粉料多,中间有用细颗粒少,因此细骨料加工可按《公路沥青路面施工技术规范 》JTG F40—2004对细骨料规格加以要求,如表1所示。此外应进一步限制细骨料中小于0.075 mm含量不大于12%,细骨料中多余石粉一般可在沥青拌和楼通过烘料除尘去除。整体上,要保证矿料合成级配与标准设计级配相一致,须从源头上控制好细骨料加工级配,级配不良和变异性大均不利于配合比设计与施工生产过程质量控制。

表1 道路沥青混合料机制砂0～3 mm规格要求

当前水工沥青混凝土所用骨料规格分级有限,多为4～5个规格,分级数总小于筛孔数,因此在室内配合比设计时矿料合成级配不可能与设计级配完全吻合,二者偏差最小值是确定矿料合成级配和各矿料用量的重要手段。目前沥青混凝土配合比设计中多采用Excel中规划求解不等式约束条件下多变量函数最优化方法来确定矿料合成级配和各矿料用量比例, 其将各筛孔通过率偏差的平方之和达到最小值作为设置目标,各矿料用量比例作为变更函数,同时约束各矿料用量比例不小于0且不大于100%,各矿料用量比例总和为100%,最终通过改变不同矿料用量比例组合以实现各筛孔通过率偏差的平方之和达到最小值。利用上述方法求解有很大的局限性,其不能优先保证关键筛孔2.36 mm和0.075 mm通过率与设计级配一致,其原因是细骨料0.075～2.36 mm级配包括0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm筛孔,其通过率偏差的平方之和往往大于2.36 mm和0.075 mm筛孔通过率偏差的平方。为了使所有筛孔偏差的平方之和最小,矿料合成级配曲线拟合时优先向0.15～1.18 mm筛孔接近,而关键筛孔2.36mm和0.075 mm通过率则偏离设计级配值。

上述分析表明:当各筛孔偏差的平方之和均采用平均权重,即式(1)中的Ki值为1求和时,拟合得到的矿料合成级配会牺牲关键筛孔2.36 mm和0.075 mm通过率,特别是关键筛孔0.075 mm通过率容易偏离设计级配值且超过规范要求的±1%控制范围。为了解决上述问题,必须在关键筛孔2.36 mm和0.075 mm引入远大于1的权重,如Ki=100以保证这二个筛孔的拟合通过率与对应的设计值保持一致。

(1)

式中,Y为各筛孔通过率偏差的平方之和;Pi和P′i为设计级配和矿料合成级配各筛孔通过率;Ki为各筛孔的权重;Ki一般取值为1。对于关键控制筛孔,Ki可取值100。

当前防渗层水工沥青混凝土配合比设计均是以标准设计级配为整个项目施工过程控制和调整的目标级配,其配合比设计一般要分为室内配合比设计、现场铺筑试验和生产性试验三个阶段。若室内配合比试验确定的可用于现场摊铺试验的矿料合成级配与标准设计级配存在偏差,则再用标准设计级配指导设计和控制现场铺筑试验以及生产性试验的矿料合成级配就缺乏其作为基准的指导意义。为了消除二者偏差的影响,有些项目对各规格粗骨料进行严格人工筛分全部去除超逊径,同时对细骨料进行逐级人工二次筛分,分别得到1.18～2.36 mm、0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm、0.15～0.3 mm和0.075～0.15 mm规格骨料,利用人工处理后的骨料进行级配设计和配料以保证合成矿料曲线与标准设计级配完全一致。上述理想化做法其实并不可取,其完全忽略骨料级配代表性,试验结果更缺乏对现场配合比的指导性,也反映了对合成级配与理论设计级配偏差存在认识不一致问题。从严格意义上分析可知,室内配合比试验实际上是验证和最终推荐室内合成矿料级配,而非理论上的标准设计级配,二者不应混为一谈,因此在室内配合比报告确定和推荐配合比时,须列表同时给出标准设计级配和室内合成矿料级配,必要时应给出偏差控制范围,不应只简单给出最大粒径Dmax、级配指数r、填料用量F和沥青用量。

2 级配调整与过程控制

防渗层水工沥青混凝土在完成室内配合比设计后,须经过场外铺筑试验和场内生产性试验的验证与调整以最终提出施工合成级配。实际每天沥青混合料生产过程中,仍需要通过热料筛分结果以及现场沥青混合料抽提检测及时调整沥青拌和楼生产配合比,以确保实际生产合成级配与目标合成级配一致。当前目标合成级配往往采用以最大粒径Dmax、级配指数r和填料用量F三个级配参数确定的标准设计级配,忽略了实际矿料合成级配在室内配合比设计、现场铺筑试验和生产性试验阶段存在的偏差问题。 生产过程中热料合成级配和现场沥青混合料的抽提级配一般要求在可控的范围内,否则应对生产配合比进行调整。当前规范要求级配的偏差按≥4.75 mm筛孔通过率±5%, 2.36 mm筛孔通过率±3%,0.075 mm通过率±1%进行控制。0.075～2.36 mm之间各筛孔,包括0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm的通过率如何控制成为难点,若均按通过率±3%偏差控制,则可以直接提出任一标准设计级配的上下限控制范围,如表2所示。为方便前后对比分析,表2中的设计级配与抽提级配均与图1数据为例。按上述提出的设计级配控制要求,因细骨料级配不良造成的驼峰型和近间断型级配在0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm筛孔通过率容易超出级配控制上下限,其进一步表明标准设计级配与前期室内矿料合成级配存在较大偏差时应慎重选择合理目标级配作为控制基准。此外,前期几个项目发现0.075 mm通过率按±1%进行控制较为苛刻,不管采用三氯乙烯溶剂抽提法还是燃烧法检测现场沥青混合料的级配,检测结果变异性大,因此0.075 mm通过率宜按±2%进行控制更为合理。当前防渗层水工沥青混凝土配合比敏感性检验时一般通过改变填料用量±1%进行试验,前期大量室内试验结果表明填料用量波动±1%对防渗层水工沥青混凝土各项性能影响极小。实际在沥青混合料拌和生产过程中,抽提级配0.075 mm通过率按±1%控制极为苛刻,原因是0.075 mm通过率主要受矿粉用量及其0.075 mm通过率、细骨料用量及其0.075 mm通过率共同影响。其中防渗层水工沥青混凝土细骨料用量高达35%左右,反算可知细骨料的0.075 mm通过率波动范围须控制在±3%方能实现沥青混合料抽提级配0.075 mm通过率波动控制在±1%,这对细骨料加工生产和沥青拌和楼除尘长期稳定性均提出了苛刻的要求,后期应结合沥青混合料配合比设计中填料用量敏感性试验分析,提出更为合理的控制范围。

表2 标准设计级配控制要求与抽提级配对比分析

目前水工沥青混凝土抽提级配合格与否的判定主要有两种方法:一种是采用前述的各筛孔通过率偏差控制法,另外一种是不同规格骨料(如9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0.075～2.36 mm和小于0.075 mm)配比偏差控制法。前者是利用抽提筛分结果与目标级配比较而得,如前述分析指出,目标级配的选择很关键,若抽提级配超出目标级配上、下限范围即可判定不合格。配比偏差控制法为了从抽提级配中计算得到上述各规格骨料和填料配比,一般采用不含超逊径的矿料分计筛余法进行计算,即利用某一规格骨料最大粒径通过率减去对应最小骨料粒径的通过率而得到。以标准设计级配为例,其对应的理论骨料配比见表3。以表3作为基准分析近间断型级配的骨料配比偏差如表4所示,近间断型级配即使在0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm出现严重偏差,但其理论配比中0.075～2.36 mm用量与设计级配的偏差很小,仍在可控制范围。上述分析表明配比偏差控制法只管细骨料用量是否用足,而不管细骨料是否合格,因此存在很大的局限性。上述两种方法各有优缺点,对同一个抽提级配判定是否合格可能出现不同的结论,如通过率偏差控制法不把0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm的通过率偏差考虑在内,其本质上与配比偏差控制法相同。前期一些项目也将细骨料0.075～2.36 mm加工生产时进一步细分为0.6～2.36 mm和0.075～0.6 mm两种规格以提高级配控制精度,但其要增加机制砂选粉设备,同时对沥青拌和楼上料控制精度、增加冷料仓、热料筛分混料控制等提出更高要求,实用性不足而基本弃用。从级配调整与过程控制角度分析,通过率偏差控制法实用性更强,更能反映级配波动情况以便更好指导骨料质量检测、拌和楼筛分控制和生产配合比调整。须指出的是,上述提到的抽提级配的配比偏差控制与沥青拌和楼生产过程中配合比波动逐盘在线检测有本质区别。生产配合比波动逐盘在线检测主要利用计算机自动采集每盘沥青混合料实际称取的各规格热骨料质量、矿粉质量和沥青质量,计算每盘实际材料比例,并与生产设定的配合比进行比较,按粗骨料用量偏差±5%、细骨料用量偏差±3%、填料用量偏差±1%、沥青用量偏差±0.3%来检验沥青混合料生产过程中配合比控制精度是否达到要求。为达到上述控制精度要求,沥青拌和楼的称量系统在使用前和使用过程须做好静态和动态称量标定工作。

表3 标准设计级配的理论骨料配比与控制要求

表4 近间断型抽提级配的理论骨料配比与偏差分析

3 级配偏差的影响

目前防渗层水工沥青混凝土配合比设计一般重点检验沥青用量、填料用量、粗细骨料用量(即级配指数)的敏感性,缺少细骨料级配变异敏感性分析。在实际工程中粗骨料均以单一粒径分级,其骨料离析和级配波动小,然而细骨料0.075～2.36 mm粒径跨度大,分布着6个筛孔,其级配在破碎加工、堆放以及沥青拌和楼烘干除尘过程中易出现离析和波动大的问题。前期研究表明细骨料级配变异对沥青混凝土的体积和力学性能影响较大[10]。在细骨料中,0.075～0.6 mm细骨料是有用细颗粒,其具有很好的填充粗骨料矿料间隙和形成沥青胶砂骨架作用。前期沂蒙项目开展了细骨料级配对防渗层水工沥青混凝土的防渗和抗高温斜坡流淌性能的影响研究,其结果见表5。表5中骨料最大粒径Dmax为16 mm,级配指数r为0.4,填料用量F为9%,油石比为7.6%。配料和试件成型时将细骨料0.075～2.36 mm人工二次筛分以得到三种近间断合成级配:1)人工筛除细骨料中0.6 mm以下颗料使其通过率小于10%而得到0.6 mm近间断合成级配;2)人工筛除细骨料中0.3 mm以下颗料使其通过率小于5%而得到0.3 mm近间断合成级配;3)人工筛除细骨料中0.15 mm以下颗料使其通过率小于3%而得到0.15 mm近间断合成级配。试验结果表明小于0.6 mm部分细颗粒过度缺失对防渗层水工沥青混凝土孔隙率影响很大,而小于0.3 mm部分细颗粒和小于0.15 mm部分细颗粒缺失对孔隙率影响小,其原因是0.075～0.3 mm粒径与填料接近,其填充作用可以被填料所弥补。在抗高温斜坡流淌方面,虽然同一组试验数据变异性较大,如0.15 mm近间断级配试验结果中高温斜坡流淌值最大值是2.55 mm,最小值为0.20 mm,平均值为0.68,但整体上细骨料在0.15～0.6 mm形成间断级配有利于提高细骨料骨架结构从而达到更好的热稳定性。若剔除个别变异大的试验结果发现从0.6 mm近间断级配到0.15 mm近间断级配,高温斜坡流淌值呈下降趋势,表明控制细骨料中石料含量有利于提高防渗层水工沥青混凝土高温稳定性。

表5 细骨料级配对防渗层水工沥青混凝土的孔隙率和斜坡流淌值的影响

为了进一步验证级配偏差的影响,采用表6中的设计级配和合成级配进行试验,其中设计级配按最大粒径Dmax=16 mm、级配指数r=0.3和填料用量F=12%计算而得,而实际矿料合成级配在细骨料0.15～1.18 mm部分与设计级配存在明显偏差。为了最大限度满足设计级配要求,对细骨料进行逐级人工二次筛分,分别得到1.18～2.36 mm、0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm、0.15～0.3 mm和0.075～0.15 mm规格骨料,从而保证室内配料的合成矿料曲线与标准设计级配完全一致。按表6中标准设计级配和实际未人工二次筛分合成级配配料和拌制试件以检验二者的孔隙率与斜坡流淌值,结果见表7。实际合成级配的孔隙率略大于标准设计级配,而实际合成级配的斜坡流淌值远小于标准设计级配。上述分析结果表明按标准设计级配制备的沥青混凝土综合性能不一定是最佳,矿料合成级配曲线在小于2.36 mm向下略偏离标准设计级配具有更好的高温稳定性,其与道路沥青混凝土具有相同结论,即细骨料过度填充有利于提高密实性和防渗性能,但不利于结构高温稳定性。前期现场取芯和抽提级配检测结果表明即使级配偏差较大,防渗层水工沥青混凝土现场孔隙率仍可控制在3%以下,但其对力学性能的影响尚需进一步深入研究。出于防渗设计理念,防渗层水工沥青混凝土具有填料用量高、细骨料用量高和沥青用量高的“三高”特点,其级配设计采用连续级配设计理论并非是最优方案。近代胶浆理论认为沥青混凝土是由粗细骨料和沥青胶浆逐级填充的空间网状结构分散体系,合理优化级配,特别是小于2.36 mm以下部分可显著改善沥青混凝土内部结构和力学性能,今后级配优化方案可借鉴道路沥青混凝土级配设计现有成果,如SMA沥青玛蹄脂混凝土的间断级配理念在0.15～0.6 mm形成间断级配,或美国Superpave沥青混合料级配控制点和禁区设计理念在0.075～2.36 mm引入关键控制点或禁区进一步优化细骨料的填充效果与骨架结构。

表6 防渗层水工沥青混凝土标准设计级配与实际合成级配偏差分析

表7 级配偏差对防渗层水工沥青混凝土的孔隙率和斜坡流淌值的影响

4 结 论

a.防渗层水工沥青混凝土的矿料合成级配曲线在0.075～2.36 mm之间易出现典型驼峰或近间断曲线,须从细骨料加工源头上保证合理级配以便于配合比设计与施工过程质量控制。

b.传统采用各筛孔通过率偏差的平方之和拟合得到的矿料合成级配会牺牲关键筛孔2.36 mm和0.075 mm通过率,使其严重偏离设计级配目标值,须在关键筛孔2.36 mm和0.075 mm引入远大于1的权重,以保证关键筛孔的拟合通过率与对应的设计值保持一致。

c.矿料合成级配与标准设计级配存在偏差,室内配合比试验实际上是验证实际矿料合成级配,因此在室内配合比报告确定和推荐配合比时,须列表同时给出标准设计级配和室内合成矿料级配以及级配控制偏差要求。

d.水工沥青混合料抽提级配是否合格的判定可采用各筛孔通过率偏差控制法和配比偏差控制法,前者可建立级配上下限范围且反映细骨料级配变异性,实用性更好,更有利于级配调整与控制。

e.防渗层水工沥青混凝土标准设计级配不一定是最佳级配,矿料合成级配曲线在小于2.36 mm向下略偏离标准设计级配具有更好的综合性能,后期可结合SMA沥青玛蹄脂混凝土的间断级配理念和美国Superpave沥青混合料级配控制点和禁区设计理念进一步优化细骨料的填充效果与骨架结构。