粗骨料最大粒径对心墙沥青混凝土力学性能影响研究

王丽峰

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,乌鲁木齐 830000)

0 引 言

沥青混凝土本身具有极好的防渗性能、超强的适应变形的能力和一定的自愈能力而被广泛应用于土石坝沥青混凝土心墙材料中,目前正在设计和修建的这种坝型也非常多[1-2]。在《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》SL501-2010中规定粗骨料最大粒径≤19mm[3],该规定主要根据道路沥青混凝土路面设计思想,在一般市政道路中沥青混凝土面层厚度一般约为10cm,面层较薄,骨料粒径不宜过大,而在心墙沥青混凝土中心墙的厚度是根据坝高确定的都在几十米以上,每层的铺筑厚度也在30cm左右,能否适当提高骨料粒径需要进一步试验研究。提高沥青混凝土中粗骨料的最大粒径,既可以提高骨料的利用率又可以降低沥青混凝土中沥青的用量,很好的起到了降低工程成本的作用。何建新等设计了粗骨料最大粒径为31.5mm的浇注式心墙沥青混凝土配合比,试验结果表明,粗骨料最大粒径对浇筑式心墙沥青混凝土的力学性能影响不大[4];杨晓征研究了粗骨料最大粒径对浇注式心墙沥青混凝土材料的性能影响,结果表明,粗骨料最大粒径为31.5mm的浇筑式心墙沥青混凝土的各项性能指标均能满足规范要求[5];伦聚斌通过心墙沥青混凝土力学性能试验分析骨料最大粒径对其抗剪性能影响。可知:骨料粒径越大心墙沥青混凝土在发生剪切破坏时的应变越大,破坏面的角度也越大[6];应荣华等通过平面有限元的方法很好的解释了沥青混凝土抗裂性能于骨料粒径的关系,即骨料粒径越大其抗裂性能越好[7];杨志豪分析了大粒径水工沥青混凝土离析特性,结果表明,骨料最大粒径对所配制的沥青混合料离析的影响最大,温度影响次之,沥青用量变幅影响最小[8];王中良等通过综合极差分析、沥青薄膜厚度对比分析以及PPR单因素分析方法优选出骨料最大粒径为42mm沥青混凝土配合比[9]。文章通过配合比试验优选出粗骨料最大粒径为315mm和19mm的两组心墙沥青混凝土配合比参数,制备相应的试件进行试验,分析其力学性能差异,为大粒径骨料应用于心墙沥青混凝土中的研究提供参考依据。

1 原材料及最优配合比

本次试验范围内选用的原材料主要有矿料和沥青。矿料中的粗骨料是由碱性的岩石破碎加工而成,粒径为236～315mm,细骨料是由碱性岩石破碎加工制成的人工砂,粒径为0.075～2.36mm,填料选用石粉,粒径<0.075mm;沥青选用克拉玛依AH-70号沥青,对各种原材料的技术性能指标进行了整理,粗骨料性能试验成果,见表1;细骨料性能试验成果,见表2;填料性能试验成果,见表3;沥青性能试验成果,见表4。

表1 粗骨料性能试验成果

表2 细骨料性能试验成果

表3 填料性能试验成果

表4 沥青性能试验成果

由检测结果可知:粗、细骨料质地坚硬,性能优良,与沥青黏附性较好。填料及沥青各项技术指标均满足规范要求,因此,该原材料可以制备心墙沥青混凝土。

心墙沥青混凝土的矿料级配设计采用丁朴荣教授提出的最大密实度理论公式计算,以级配指数、填料用量、沥青用量为影响因素,孔隙率、马歇尔稳定度及流值和间接拉伸强度为考核标,采用极差方差分析方法优选出骨料最大粒径不同的两组最优配合比参数,见表5。

表5 心墙沥青混凝土配合比参数

2 试验结果与分析

严格按照上述两组沥青混凝土配合比制备相应的试件,并参照《水工沥青混凝土试验规程》DL/T5362-2018中规定[10]进行渗透试验、水稳定性试验、拉伸试验、小梁弯曲试验对比两组试验结果,分析粗骨料最大粒径对心墙沥青混凝土力学能的影响。

2.1 渗透试验结果及分析

渗透试验结果,见表6。由表6结果可以看出:骨料最大粒径为19mm和31.5mm的沥青混凝土渗透系数分别为5.33×10-9cm/s和6.82×10-9cm/s,差值为1.49×10-9cm/s,相对差值28.0%,相差较明显,但均<1.0×10-8cm/s满足规范要求。这说明两组沥青混凝土级配良好,沥青胶浆能够充分的填充细骨料和粗骨料之间的空隙,使得水很难进入沥青混凝土试件内部,从而达到防渗的效果。

表6 渗透试验结果

2.2 水稳定性试验结果及分析

水稳定性试验结果,见表7。由表7可知:骨料最大粒径为19mm和31.5mm的沥青混凝土水稳定性系数分别为0.94和0.93,相对差值为1.1%,相差不明显且均满足规范≥0.9的要求,这说明粗骨料最大粒径对心墙沥青混凝土水稳定性能影响不明显。根据相关研究结果表明,沥青用量>5.5%时,粗骨料就会被一层沥青膜包裹[11],即使心墙沥青混凝土试件中存在较大的孔隙,其水稳定性也依旧良好。

表7 水稳定性试验结果

2.3 拉伸试验结果及分析

拉伸试验结果,见表8。由表8可知:骨料最大粒径为19mm和31.5mm的两组沥青混凝土抗拉强度分别为0.51MPa和0.21MPa,差值为0.30MPa,相差58.8%,相差明显。这是因为沥青混凝土在拉伸试验过程中主要是由粗骨料与结构沥青的黏结力在起作用,而骨料与沥青的接触面为薄弱面容易破坏。在同样的心墙沥青混凝土试件中,粗骨料粒径越大,薄弱面所占的比例相对越高,表现为心墙沥青混凝土的抗拉强度就越小,因此心墙沥青混凝土的抗拉强度随着粗骨料粒径的增大而减小。

表8 拉伸试验结果

3.4 小梁弯曲试验结果及分析

小梁弯曲试验结果,见表9。由表9试验结果表明:骨料最大粒径为19mm和31.5mm的沥青混凝土试件抗弯强度分别为1.92MPa和1.32MPa,相差0.60MPa,相对差值为31.2%,相差明显;最大弯拉应变分别为2.20%和1.75%,相对差值为20.5%,相差较明显,但均满足规范抗弯强度≥0.4MPa和最大弯拉应变≥1%的要求。这说明骨料最大粒径为31.5mm的心墙沥青混凝土抵抗弯曲破坏的能力比较差。因为在心墙沥青混凝土试件中粗骨料与沥青的黏结力主要是由结构沥青在起作用,而粗骨料粒径越大比表面积越小,粗骨料表面的结构沥青就越少,具体表现为抵抗弯曲破坏的能力较差。

表9 小梁弯曲试验结果

3 结 论

对比分析粗骨料最大粒径为19mm和31.5mm两组心墙沥青混凝土的力学性能,主要得出以下结论:

1)粗骨料最大粒径为31.5mm的沥青混凝土渗透系数较大,但小于规范规定,抗渗性能满足要求。

2)由于心墙沥青混凝土中沥青用量较多,粗骨料被一层厚厚的沥青膜包裹,使得水稳定性能变化不大。

3)粗骨料最大粒径为31.5mm的心墙沥青混.凝土抗拉强度和抗弯强度较小,主要因.为粗骨.料与沥青的黏结力比较小,抵抗拉伸与弯曲破坏能力较差。