花岗岩骨料水工沥青混凝土面板关键性能研究_陈晨.pdf

第 卷 第 期 年 月水 资 源 与 水 工 程 学 报 ，收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（、）；陕西省科技创新团队项目（）作者简介：陈 晨（），女，陕西西安人，硕士，高级工程师，研究方向为高性能水工沥青混凝土。通讯作者：王亚萍（），女，陕西咸阳人，硕士，工程师，研究方向为高性能水工沥青混凝土。：花岗岩骨料水工沥青混凝土面板关键性能研究陈 晨，王亚萍，焦 凯，李 昇，张锦涛（中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安；西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安）摘 要：为推广酸性骨料在水工沥青混凝土面板中的应用，研究了不同酸性骨料与沥青黏附性增加方案对沥青混凝土面板关键性能的影响，利用变异系数 法综合评价酸性骨料与沥青最优增黏方案。结果表明：种增黏方案均不同程度地提高了花岗岩骨料沥青混凝土的抗水损性能，水稳定系数、斜坡流淌值均满足规范限值；分析水损害对沥青混凝土各项性能的影响，抗压强度对水损害的敏感性最低，弯拉应变、斜坡流淌值敏感性最高。变异系数 法综合评价结果为石灰岩沥青混凝土综合性能最优；添加抗剥落剂可使花岗岩骨料沥青混凝土的抗水损性提高 ，其增加骨料与沥青之间黏附性的效果最优，但添加非胺类抗剥落剂的沥青混凝土变形较大，后续研究酸性骨料在沥青混凝土面板中的应用时，应重点关注其变形性能。关键词：水工沥青混凝土；面板；酸性骨料；增黏措施；变异系数 法中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，；，：；研究背景在“双碳”战略目标驱动下，抽水蓄能电站建设迎来了发展高峰。沥青混凝土由于其优异的防渗性、适应变形能力、自愈能力及易施工性，在抽水蓄能水库设计中作为防渗面板广受青睐。但因沥青混凝土受碱性骨料需求和工程区域岩性不匹配的限制，使其在部分区域抽水蓄能电站库盆面板中的应用受到了制约，不利于抽水蓄能电站的快速发展，因此研究酸性骨料在沥青混凝土中的应用具有重要的科学和实用价值。路面工程沥青混凝土中采用酸性碎石并添加抗剥落剂等增黏措施已相对普遍。水工沥青混凝土中沥青心墙建设也已积累了不少采用酸性砂砾石料的成功经验。最先在沥青混凝土中使用酸性碎石料的是北欧几个国家，我国已运行 多年的党河水库砂砾坝沥青混凝土心墙也采用了酸性砂砾石料。研究学者分别从填料选择、配合比试验、骨料选择等方面对砂砾石骨料沥青混凝土性能进行分析。一些学者以砾石为骨料，以水泥为填料制备了砾石骨料沥青混凝土，并研究了其水稳定性，结果表明，以水泥作为填料可以提高骨料与沥青之间的黏附性，能够改善沥青混凝土的水稳定性。部分学者对沥青混凝土采用酸性砂砾石骨料进行了配合比试验研究，结果表明，酸性砂砾骨料沥青混凝土级配指数为 、填料用量为 、沥青用量为 时，沥青混凝土各项性能均满足要求。杨耀辉等分别制备了以破碎天然砾石和破碎大理岩为骨料的沥青混凝土，通过试验表明，以破碎天然砾石骨料和水泥填料配制的沥青混凝土性能好于破碎大理岩骨料配制的沥青混凝土；刘亮等分别以石灰岩、天然河砂为粗骨料，以石灰石破碎的人工砂、天然河砂为细骨料，以石灰石粉、水泥为填料制备了两种沥青混凝土，性能测试结果表明，天然砾石骨料抵抗变形能力强于人工破碎岩石骨料，而两者力学性能相近；仝卫超等分别以天然砾石和破碎砾石为粗骨料，以天然河砂为细骨料制备沥青混凝土，性能测试结果表明，沥青混凝土用天然砾石作为骨料满足规范要求。在碱性岩石储量少但拥有丰富砾石骨料的新疆地区，近期建设了一大批采用酸性砾石料的沥青混凝土心墙坝。由于沥青混凝土面板防渗层直接与水体长期接触，至今尚未有工程采用酸性骨料。基于此，汪正兴从骨料与沥青的黏附性及沥青混凝土的长期水稳定性两方面研究了水工沥青混凝土的水损害问题，提出了表面能理论可定量评价骨料与沥青的黏附性，抗压强度对水损害的敏感性最低。高博在提高沥青与酸性骨料黏附性措施的基础上，研究了水损害对水工沥青混凝土斜坡稳定性的影响，提出随着温度升高和浸泡时间的加长，斜坡流淌值呈对数形式增大。目前，通过对于酸性骨料沥青混凝土的研究已得到大量改善沥青与酸性骨料黏附性的材料及配合比，为酸性骨料在沥青混凝土中的应用发挥了重要作用。但现有文献中多为对酸性骨料沥青混凝土水稳定性的研究，而关于其他关键性能的研究较少，且多是针对在道路和心墙中应用，对面板工程中应用研究较少。针对上述问题，本文从实用性角度考虑，将花岗岩骨料与石灰岩骨料以不同比例、不同形式混合，采用碱性填料水泥、消石灰，添加抗剥落剂以增加沥青与花岗岩骨料的黏附性，制备沥青混凝土，开展水损害对其各项性能影响的研究，并结合变异系数 法综合比选各项性能最优的增黏措施，为推广酸性骨料沥青混凝土面板在抽水蓄能电站中的应用奠定基础。材料与研究方法 试验材料沥青：克拉玛依 沥青；骨料：花岗岩酸性骨料、石灰岩碱性骨料；填料：水泥、消石灰、石灰石粉，其相关技术指标均满足水工碾压式沥青混凝土施工规范（）；抗剥落剂：型非胺类抗剥落剂。试验方案试验采用之前研究获得的水工沥青混凝土面板防渗层最优配比，即级配指数 为 、填料含量 为、油石比 为 。配合比的矿料级配采用丁朴荣公式计算，见表，各级骨料采用单档筛分。设置石灰岩碱性骨料基准组，将石灰岩与花岗岩以不同比例和不同形式混合；填料采用水泥、消石灰、石灰岩；添加抗剥落剂以增强花岗岩骨料与沥青的黏附性，具体试验方案如表 所示。按照表 中方案对水损害后每组的水稳定性、小梁弯、斜坡等沥青混凝土面板性能进行试验研究，综合各项性能比选最优增黏措施。测试方法水稳定性测试按照水工沥青混凝土试验规程（）中的试验方法进行。水 水 资 源 与 水 工 程 学 报 年表 水工沥青混凝土配合比的矿料级配筛孔尺寸 总通过率 表 水工沥青混凝土性能试验方案组次粗集料细集料填料 抗剥落剂石灰岩石灰岩石灰岩矿粉无花岗岩花岗岩石灰岩矿粉无花岗岩 石灰岩 花岗岩 石灰岩 石灰岩矿粉无花岗岩石灰岩石灰岩矿粉无花岗岩花岗岩石灰岩矿粉 花岗岩花岗岩消石灰无花岗岩花岗岩水泥无稳定性、小梁弯、斜坡流淌试验均成型 组试件，每组各 个试件，第 组试件放置在 的空气中不少于 ；第 组试件置于 水中浸泡 ，然后在 水中恒温放置 ，之后分别对各组试件进行水稳定性、小梁弯、斜坡流淌试验，各试件及试验方法参见图。图 各试件及试验方法 结果与分析 沥青混凝土关键性能试验结果分析按照上文所述的配合比和试验方案进行沥青混凝土性能试验，试件密度在 之间，试件孔隙率在 之间，小于，满足规范要求。水稳定性试验结果分析各试验组次沥青混凝土水稳定性试验结果见图。图 各试验组次沥青混凝土水稳定性试验结果由图 可见，石灰岩骨料沥青混凝土的抗压强度较花岗岩骨料低，这主要是因为花岗岩骨料自身硬度较石灰岩高；石灰岩骨料与花岗岩骨料按 的比例混合，则强度值介于花岗岩骨料与石灰岩骨料沥青混凝土之间，与粗骨料采用花岗岩、细骨料采用石灰岩的试验组次 相比，其抗压强度差异不大；由水稳定系数可以看出，花岗岩骨料与石灰岩骨料混合与沥青的黏附性高于纯花岗岩、低于纯石灰岩，但其抗压强度高于石灰岩骨料沥青混凝土，低于花岗岩混凝土，由此分析前 组沥青混凝土抗压强度主要受骨料影响。第 组 组通过添加抗剥落剂或用水泥、消石灰替代石灰岩矿粉改善花岗岩与沥青的黏附性，与第 组进行对比可知，改善骨料与沥青之间的黏附性可显著提高沥青混凝土的抗压强度，其中添加抗剥落剂的强度最高，水稳定系数最大，由此可知沥青混凝土采用的骨料相同时，黏附性是影响其抗压强度的主要因素。各组的水稳定系数在 之间，均大于，满足规范要求。花岗岩与石灰岩骨料混合，对花岗岩与沥青的黏附性略有改善；第、组分别添加抗剥落剂、用消石灰替代矿粉、用水泥替代矿粉，对花岗岩骨料沥青混凝土的水稳定性改善较为显著，添加 抗剥落剂的沥青混凝土水稳定性比不添加抗剥落剂可提高。小梁弯试验结果分析各试验组次沥青混凝土小梁弯试验结果见图。第 期 陈 晨，等：花岗岩骨料水工沥青混凝土面板关键性能研究图 各试验组次沥青混凝土小梁弯试验结果由图 可见，石灰岩沥青混凝土抗弯强度明显高于花岗岩，弯拉应变最小，花岗岩骨料沥青混凝土的弯拉强度最低，这主要是因为花岗岩与沥青的黏附性差，自由沥青含量多于石灰岩骨料沥青混凝土，其易于从骨料与沥青的界面处破坏，同时变形比石灰岩大。骨料与沥青之间增加黏附性措施后，沥青混凝土的抗弯强度均有提高，其中添加抗剥落剂沥青混凝土的抗弯强度和弯拉应变最大，而填料选用水泥、消石灰两组弯拉应变相对较小，这主要是因为添加非胺类抗剥落剂改变了沥青性质，使沥青的延度增加导致变形增大，因此其变形能力增强，塑性增大，故其弯拉应变最大；水泥、消石灰与沥青中酸性物质发生化学反应，增加了黏性，导致花岗岩骨料与沥青有更好的裹附效果，减少了自由沥青含量，因此其变形减小。斜坡流淌试验结果分析各试验组次沥青混凝土斜坡流淌试验结果见图。图 各试验组次沥青混凝土斜坡流淌试验结果由图 可见，各试验组次的斜坡流淌值试验结果均小于 ，满足规范要求。添加抗剥落剂沥青混凝土的斜坡流淌值最大，花岗岩次之，石灰岩的斜坡流淌值最小。这主要是因为添加非胺类抗剥落剂增加了沥青的黏性，使其软化点略有降低，导致沥青混凝土温敏性增加，在高温环境下沥青发生软化、流淌，因此其斜坡流淌值最大；花岗岩酸性骨料与沥青黏附性差，在高温作用下，易发生变形。其他两种增黏措施的斜坡流淌值差异较小。沥青混凝土关键性能的水损害敏感性分析按表 中的试验方案，仿照水稳定试验，进行水损害对沥青混凝土弯拉性能、斜坡稳定性能的影响研究，分别用经水中浸泡后试件的小梁弯和斜坡试验结果与空气中放置试件的相应试验结果之比作为抗弯强度系数、弯拉应变系数、斜坡流淌系数，以这些系数来评价水损害对沥青混凝土弯拉性能及斜坡稳定性的影响，试验结果见图。图 各试验组次沥青混凝土水损害系数由图 可见，个试验组次中纯花岗岩骨料沥青混凝土的水稳定性、抗弯强度、弯拉应变受水损害影响最大，花岗岩与石灰岩混合骨料沥青混凝土的各项性能均优于纯花岗岩骨料沥青混凝土，但较纯石灰岩沥青混凝土差；添加抗剥落剂组次的各项性能最优，各项性能的抗水损能力较不添加抗剥落剂的花岗岩骨料沥青混凝土提高了 ；其次为消石灰、水泥替代石灰石矿粉的组次，花岗岩骨料沥青混凝土采用消石灰、水泥替代矿粉其抗水损性优于石灰岩骨料沥青混凝土。沥青混凝土试件浸泡前后的强度、变形值损失的大小反映了水损害对该项性能影响的大小，其损失值越大，表明水损害对该项性能越敏感。从图 中可看出，水损害对沥青混凝土的水稳定性最不敏感，对弯拉应变及斜坡流淌值等涉及变形的指标影响较大，敏感性较强。这主要是因为试件强度除了受骨料与沥青黏附性的影响外，还受骨料自身强度的影响，而变形主要受骨料与沥青黏附性的影响。后续对酸性骨料沥青混凝土在水工面板中的应用研究中，应重点关注沥青混凝土的变形和斜坡稳定性。沥青混凝土性能综合评价在上述试验结果分析中存在多项性能对增黏措施优劣的评价，而各项性能对结果的评价指向又存在差异。因此需要对试验各项性能所占权重进行分析，利用权重计算优选综合性能最优的方案。本试 水 资 源 与 水 工 程 学 报 年验的目的是对酸性骨料沥青混凝土采用增黏措施后的水稳定性、抗弯、变形、斜坡稳定性等多项性能进行综合评价，选出酸性骨料最优的增黏措施。变异系数法是根据统计学方法计算系统各指标变化程度的方法，该方法是一种客观赋权法，以变化程度反映指标的重要性，变化差异大，则指标权重大，变化差异小，则指标权重小。法（）的计算原理一般是根据任意有限个评价对象与理想化评价目标间的最接近程度来进行解排序，是研究多变量属性评价决策方法问题求解中常用到的一种基本方法，也称为逼近理想解排序法。将变异系数法与 法相结合得到变异系数 法，可用于定量分析综合方案的优劣。本文选用变异系数 法计算沥青混凝土性的水稳定性系数、抗弯强度、弯拉应变、斜坡流淌值 个指标权重，综合评价各增黏措施。变异系数 法计算步骤步骤：首先建立相关指标的评价矩阵。假设有 个待评价样本，项评价指标，建立原始评价指标数据矩阵如下：|（）式中：为第 个样本的第 项评价指标，；，。步骤：对各指