张　勇

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)



米兰河工程心墙沥青混凝土配合比试验研究

张勇

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

摘要：为了得到米兰河工程心墙沥青混凝土的最优配合比，首先通过采用简单易行的孔隙率试验和劈裂试验来研究配合比参数(级配指数、填料含量、油石比)对沥青混凝土性能的影响，在试验和分析的基础上，得到了两个沥青混凝土初选配合比；然后结合米兰河工程的实际情况，对由初选配合比制成的沥青混凝土试件进行各种性能试验，最后经过综合分析试验结果，得到满足米兰河工程需要的沥青混凝土的最优配合比。选择沥青混凝土配合比的方法，不仅能够简化配合比选择试验，而且可以节约试验时间和费用，同时完全能够满足工程需要；这种方法今后可为其他工程选择沥青混凝土配合比提供借鉴。

关键词：水工防渗材料；试验研究；沥青混凝土；配合比参数

米兰河山口枢纽工程主要由拦河坝、导流兼泄洪排沙洞、溢洪道、发电引水洞及电站厂房等组成。水库正常蓄水位1 445.00 m，总库容4128×104m3；水库给工业供水设计年供水量为3100×104m3；电站装机2.4 MW。大坝为沥青混凝土心墙坝，最大坝高83 m。

水工沥青混凝土作为防渗材料，具有良好的防渗性能和适应变形能力[1]。随着我国水利事业的发展建设，沥青混凝土坝的优点越来越明显，这种坝型的建设越来越普及[2-3]。在水工沥青混凝土领域中配合比设计是一个重要的研究课题，由于影响沥青混凝土性能的因素较多，且各因素之间的关系较为复杂，单凭经验无法达到预期要求，就必须通过试验来研究，得到最优的配合比[4-8]。本文结合米兰河工程的实际情况，通过试验研究，选择适合于米兰河工程的沥青混凝土配合比。

1　试验用原材料的选择

根据米兰河枢纽工程的实际勘测情况，以往的研究经验和《水工碾压式沥青混凝土施工规范》[9](DL/T5363-2006)及《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》[10](DL/T 5411-2009)对沥青混凝土原材料的要求，本研究拟选用工程所在地附近的矿料和克拉玛依70号沥青。原材料的性能检验结果如下：

(1)沥青：试验用沥青选用克拉玛依70号，其性能为针入度73.0(0.1 mm)，软化点48.0℃，延度(15℃条件下)150 cm。

(2)粗骨料：粗骨料采用石灰岩，破碎筛分后粒径为2.35 mm～19 mm，其性能为密度2.744 g/cm3，吸水率0.531%，压碎率11.2%，与沥青的粘结力5级，耐久性(5次硫酸钠溶液循环质量损失)1.985%。粗骨料样品材料新鲜、质地坚硬，在加热过程中未出现开裂、分解等现象。骨料碱度模数M>1，为碱性。

(3)细骨料：细骨料(粒径2.36 mm～0.075 mm)有人工砂和河砂两种，人工砂由石灰岩加工而成，质量检测结果见表1。

(4)填料：试验采用石灰岩粉作为填料，其性能为密度2.0895 g/cm3，含水率0.04%，亲水系数0.813。

表1　细骨料检测结果

以上所用原材料，除河砂含泥量大外，其余均满足《水工碾压式沥青混凝土施工规范》[9](DL/T5363-2006)中对沥青混凝土原材料性能的要求。鉴于沥青混凝土工程中使用河砂可改善沥青混凝土施工性能，因此决定细骨料采用人工砂和河砂(河砂要求使用前先对其筛洗，满足含泥量要求)各占50%。

2　试验用配合比的选择及初选配合比试验

影响沥青混凝土性能的因素主要有[11-13]：

(1)原材料的性能，包括沥青、粗骨料、细骨料和填料；(2)矿料(粗骨料、细骨料和填料)级配；(3)填料浓度；(4)油石比，即沥青混合料中沥青质量与沥青混合料中矿料质量的比值。

沥青混凝土配合比的初步选择工作是根据不同材料、不同级配指数、不同填料浓度和油石比组成各种不同配合比，经过孔隙率、劈裂强度和劈裂位移等性能试验(孔隙率指标能够反映沥青混凝土的防渗性能，而劈裂试验即间接拉伸试验能够相对反映沥青混凝土的强度和变形性能)选择出强度和变形性能等综合指标好的配合比。

2.1矿料级配的选择

矿料级配的选择采用最大密级配理论确定，骨料级配满足下列公式[14]：

(1)

式中：Pi为筛孔di的通过率(%)；F为粒径小于0.075 mm的填料用量(%)；Dmax为矿料最大粒径(mm)；di为某一筛孔尺寸(mm)；d0.075为填料最大粒径，0.075 mm；r为级配指数。

本次试验根据以往的工程经验和试验研究经验，选择矿料最大粒径Dmax=19 mm。矿料级配指数r从0.35到0.41变化。粗骨料由方孔筛分为19 mm～16 mm、16 mm～13.2 mm、13.2 mm～9.5 mm、9.5 mm～4.75 mm、4.75 mm～2.36 mm 5级，细骨料筛分为<2.36 mm 1级。

2.2油石比的选择

油石比对沥青混凝土的性能影响很大。根据许多工程经验，对于心墙沥青混凝土，油石比一般在6.0%～7.5%之间。结合米兰河枢纽工程的当地年平均气温及原材料实际情况，初选油石比为：6.2%、6.5%、6.8%、7.1%。

2.3填料用量的选择

填料用量采用填料浓度(填料浓度指填料用量与油石比的比值)指标，根据米兰河枢纽工程的实际情况，初选配合比试验填料浓度为：1.6、1.8、2.0、2.2。

2.4试验用配合比

本次试验在细骨料采用50%人工砂、50%河砂的情况下采用不同的油石比、不同填料浓度、不同的骨料级配指数，共组成24种配合比，具体配合比见表2。

2.5初选配合比试验

将表2中的24个配合比的沥青混凝土制成标准马歇尔试件，进行孔隙率测试和劈裂试验[15-16]。劈裂试验温度为当地年平均气温11.5℃，加荷变形速度1 mm/min，劈裂试验装置见图1，在圆柱体试件的直径方向上放入上下两根标准垫条，施加相对的线性荷载，使之沿试件直径向破坏，测得试件的劈裂强度和轴向位移，试件破坏时的轴向位移由试验装置上的位移传感器测出，劈裂强度取峰值荷载计算，计算公式如下：

RT=0.006287PT/h

(2)

其中：RT为劈裂强度(MPa)；PT为试验荷载最大值(N)；h为试件高度(mm)。

孔隙率试验和劈裂试验试验结果见表2。

图1劈裂试验装置

表2　沥青混凝土配合比选择及劈裂试验成果表

3　初选配合比的确定

为了得到初选配合比，对表2的试验结果进行分析。

3.1油石比对沥青混凝土性能的影响

取粗骨料最大粒径为19 mm；级配指数0.39；填料浓度取1.8和2.0。在以上条件下研究油石比对沥青混凝土性能的影响。

由试验数据看出，级配指数和填料浓度一定的情况下，油石比从6.2%变化到7.1%，沥青混凝土的孔隙率有逐渐变小的趋势，且油石比6.2%以上均能满足室内成型试件孔隙率e<2%的防渗要求；油石比的变化对劈裂强度的影响很明显，随着油石比增大呈减小趋势；劈裂位移随着油石比增大呈增大趋势。这主要是因为，在沥青混合料中，沥青裹敷填料形成填充材料，充填沥青混合料中的空隙，当油石比大时，沥青含量大，此时沥青可以充分裹敷填料来充填沥青混合料中的空隙，因此沥青混凝土试件的孔隙率小，但随着沥青含量的增大，沥青混凝土试件变软，所以强度降低，变形增大。

3.2填料浓度对沥青混凝土性能的影响

取粗骨料最大粒径为19 mm；级配指数0.39；油石比6.2%、6.5%、6.8%、7.1%。在以上条件下研究填料浓度对沥青混凝土性能的影响。

由试验数据看出，级配指数一定时，除油石比为6.2%、填料浓度为1.6的沥青混凝土配合比的孔隙率较大外，其余配合比的孔隙率随填料浓度的变化不大；这是因为对于油石比为6.2%时，沥青含量较少，沥青和矿粉形成的填充料不能充分充填沥青混合料中的空隙，因此孔隙率较大，而当油石比在6.5%、6.8%、7.1%区间内，沥青和矿粉能够形成的足够的填充料来充填沥青混合料中的空隙，因此孔隙率较小。劈裂强度随填料浓度的增大成减小的趋势，但随填料浓度的增大减小趋势变缓；填料浓度越大劈裂位移越大。这是因为随着填料浓度的增加，沥青混合料中的粗骨料减少，填料增多，使沥青混凝土试件强度降低，变形增大。

3.3级配指数对沥青混凝土性能的影响

取粗骨料最大粒径为19 mm；分别在填料浓度1.8、油石比6.5%和填料浓度2.0、油石比6.8%的条件下研究级配指数对沥青混凝土性能的影响。

由试验数据看出，级配指数从0.35变化到0.41沥青混凝土的密度和孔隙率在级配指数为0.37时比较小；对于油石比为6.5%、填料浓度为1.8配合比的沥青混凝土劈裂强度随级配指数的增大而呈减小的趋势；对于油石比为6.8%、填料浓度为2.0配合比的沥青混凝土劈裂强度随级配指数的变化有波动，规律不明显；级配指数从0.35变化到0.41，当级配指数为0.39时，劈裂位移较大。

沥青混凝土中粗细骨料形成的空隙，是由沥青和填料形成的填充料来充填的，当骨料间的空隙正好被填充料填满，此时是最理想的状况，也就是最佳的配合比，此时的配合比参数就是最优的配合比参数，如果填充料过少，则骨料间的空隙不能被完全填满，导致孔隙率过大，防渗性能变差，如果填充料过多，则沥青混凝土的强度将降低。级配指数的大小影响沥青混凝土的粗细骨料含量，决定粗细骨料形成的空隙的多少，油石比的大小是决定沥青含量的多少，填料浓度的大小决定填料的多少，三者之间存在着最佳的比率关系。

依据以上的分析，综合考虑到对沥青混凝土的强度、变形性能及防渗性的要求，初选沥青混凝土配合比为油石比6.5%、填料浓度1.8和油石比6.8%、填料浓度2.0，级配指数0.37，见表3。

表3　初选配合比及试验结果

4　沥青混凝土性能试验

将表3的配合比作为进行沥青混凝土防渗性能及各项力学性能试验的配合比，检验其是否满足水工沥青混凝土心墙的性能要求。沥青混凝土的性能要求技术指标依据为《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》[10](DL/T5411-2009)。

沥青混凝土性能试验按照《水工沥青混凝土试验规程》[15](DL/T5362—2006)进行，对所选配合比的沥青混凝土进行了水稳定性试验、压缩试验(试验温度：当地的平均气温11.5℃)、拉伸试验(试验温度：当地的平均气温11.5℃)、小梁弯曲试验(试验温度：当地的平均气温11.5℃)、渗透试验和静三轴试验(试验温度：当地的平均气温11.5℃)，第三轴试验计算参数见表4，试验结果见表5。

从试验结果可以看出，两种配合比的沥青混凝土的综合性能均较好，都可以作为心墙沥青混凝土的配合比使用。3号配合比的沥青混凝土三轴试验的摩擦角φ稍小一点，其他指标均满足要求。综合比较两种配合比沥青混凝土各项性能试验结果中变形性能和强度可以看出，以50%人工砂和50%河砂作为细骨料的4号配合比的沥青混凝土的力学性能稍优于3号配合比的沥青混凝土，故根据当地气候、地形及地质等一些实际条件，最好首选4号配合比(见表3)作为现场试铺用配合比。

5　结　论

通过试验和分析可以得到以下结论：

(1)由于沥青混凝土的拉伸试验、小梁弯曲试验、静三轴试验等比较复杂，在进行沥青混凝土配合比初选时可以采用相对简单的劈裂试验和孔隙率试验，在此基础上根据劈裂试验和孔隙率试验得到的初选配合比，再进行沥青混凝土的各种性能试验，不但可以得到最优的沥青混凝土配合比，而且能够简化配合比选择试验，节约试验时间和费用。

(2)试验所选米兰河工程沥青混凝土心墙原材料的性能满足沥青混凝土心墙对原材料的要求，可以作为本工程沥青混凝土心墙的原材料。

(3)由试验结果可以看到，4号配合比沥青混凝土的综合性能稍优于3号配合比的沥青混凝土，应首选4号配合比(见表3)作为现场试铺用配合比，3号配合比作为备选配合比，具体配合比见表6。

(4)在施工现场，还需要根据现场的实际情况(矿料的生产、沥青的性质等)进行现场摊铺试验，最终确定施工配合比。

表4　静三轴试验计算参数

表5　沥青混凝土性能试验结果

表6　推荐的两种配合比

注：X—代表筛孔尺寸(mm)；X1～X11分别为19、16、13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075。

参考文献：

[1]江继兵.沥青混凝土心墙施工在水利工程中的应用[J].江西建材，2014，(23)：120.

[2]王为标.土石坝沥青防渗技术的应用和前景[J].水力发电学报，2004，15(6)：70-74.

[3]岳跃真，郝巨涛.水工沥青混凝土防渗技术[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]余梁蜀，马斌，王文进，等.浇筑式沥青混凝土防渗层配合比优选方法研究[J].水力发电学报，2004,23(6)：75-79.

[5]甘霖.水工沥青混凝土材料与配合比[J].水电站设计,1998,14(1)：102-104.

[6]余梁蜀，苏广新，王永生.玉滩水库扩建工程沥青混凝土配合比试验研究[J].水利水电工程设计，2013,32(2)：50-53.

[7]马智法，史光宇，隋伟，等.坡堆水电站沥青混凝土配合比试验研究[J].东北水利水电，2013,(12)：52-55.

[8]余梁蜀，丁治平，付世传，等.基于正交试验的水工沥青混凝土配合比影响因素研究[J].水资源与水工程学报，2012，23(2)：51-53.

[9]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5363-2006.水工碾压式沥青混凝土施工规范[S]．北京：中国电力出版社，2006.

[10]中华人民共和国国家能源局.DL/T5411-2009.土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范[S]．北京：中国电力出版社，2009.

[11]辛景峰，余梁蜀，任少辉.水工沥青混凝土孔隙率影响因素灰关联分析[J].节水灌溉，2007，(8)：121-123.

[12]余梁蜀，潘登科，韩艳，等.水工沥青混凝土强度双因素方差分析[J].水资源与水工程学报，2009，20(5)：110-112.

[13]叶永，王凤，蔡宜洲.基于正交试验的沥青混凝土防渗性影响因素评价[J].人民长江，2014，45(13)：69-71.

[14]丁朴荣.水工沥青混凝土材料选择与配合比设计[M].北京：水利电力出版社，1990.

[15]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5362-2006.水工沥青混凝土试验规程[S]．北京：中国电力出版社，2006.

[16]孙振天.关于水工沥青混凝土性能试验方法的几个基本问题的讨论[J].石油沥青,2000,14(4)：48-50.

ExperimentalStudyonMixtureRatioofAsphaltConcreteCoreWallinMilanRiverProject

ZHANG Yong

(XinjiangInvestigation,DesignandResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Urumq,Xinjiang830000,China)

Abstract：In order to get the optimal mixture ratio for the asphalt concrete core wall of Milan river engineering project,simple porosity tests and split tests were conducted to study the influence of the mixture parameters (graded index,filler content,bitumen aggregate ratio)on the performance of asphalt concrete in the paper.Based on the experimental study and analysis,two primary mixture ratios of the asphalt concrete were obtained.In the actual situation of Milan River project,the asphalt concrete test pieces were made according to the primary ratios to undergo various performance tests.And then the optimal mixture ratio which met the engineering requirement of Milan River project was determined through the analysis of the test results.This method can not only simplify the selection of mixture ratio test,but also save time and cost of the experiments,which can provide some reference for other engineering projects for the choice of the asphalt concrete mixture ratio.

Keywords：hydraulic impervious material;experimental study;asphalt concrete;mixture ratio

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.042

中图分类号：TU528.42

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0209—05

作者简介：张勇(1968—)，男，新疆乌鲁木齐人，硕士，高级工程师，主要从事水电工程设计工作。

收稿日期：2014-09-21修稿日期：2014-10-19