陳曉佳

(塔城地區(qū)水利水電勘察設(shè)計(jì)院,新疆 塔城 834700)

隨著水利工程建設(shè)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，碾壓瀝青混凝土壩成為水利工程中的重要壩型。在碾壓式瀝青混凝土大壩設(shè)計(jì)及施工中，其基本要求是良好的防滲、抗變形、抗裂以及耐久性[1]。其中，水穩(wěn)定性是耐久性研究的重要環(huán)節(jié)。瀝青混凝土的使用過(guò)程中，會(huì)受到水和外力的綜合作用，造成骨料和瀝青的剝離現(xiàn)象，從而造成瀝青混凝土結(jié)構(gòu)整體性結(jié)構(gòu)破壞[2]。水穩(wěn)定性破壞是瀝青混凝土大壩最為常見(jiàn)的破壞現(xiàn)象，這種破壞的原因比較復(fù)雜，材料性質(zhì)、黏附程度、孔隙率以及拌合條件均會(huì)對(duì)水穩(wěn)定性造成顯著影響[3]。因此，瀝青混凝土的水穩(wěn)定性研究成為廣大學(xué)者關(guān)注的重要研究領(lǐng)域。在這方面，國(guó)外研究開(kāi)始較早，在20世紀(jì)初，Hveen就通過(guò)研究認(rèn)為瀝青與骨料的黏結(jié)性是瀝青混凝土水穩(wěn)定性的重要影響因素，在水的作用下，瀝青和骨料的黏附以及瀝青本身的內(nèi)聚力會(huì)不斷減弱[4]。在國(guó)內(nèi)，關(guān)于瀝青混凝土的黏附性問(wèn)題，主要是同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)和長(zhǎng)安大學(xué)研究較多，并取得了一系列重要的研究成果。劉紅瑛[5]通過(guò)灰關(guān)聯(lián)熵分析研究了影響瀝青混合料水穩(wěn)定性的主要因素為瀝青的酸值和瀝青的黏度，以及石料的堿值和石料的比表面積。何建新等[6]則研究了水泥填料對(duì)心墻混凝土長(zhǎng)期水穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為用水泥替代部分石灰石粉作填料可有效改善心墻瀝青混凝土的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性。當(dāng)然，在具體的工程實(shí)踐中，由于地域空間等諸多因素的限制，工程材料，特別是粗骨料的選取空間極為有限。因此，通過(guò)合理選擇配比與控制施工質(zhì)量來(lái)提高瀝青混凝土的水穩(wěn)定性就顯得尤為重要。本文利用正交實(shí)驗(yàn)的方法，研究瀝青混凝土配合比參數(shù)對(duì)孔隙率、應(yīng)變和強(qiáng)度指標(biāo)的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果獲得最佳配合比，為瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供有益借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用基質(zhì)瀝青為遼河石化90號(hào)A級(jí)瀝青，按照《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合要求，可以作為后續(xù)的溫拌瀝青混凝土試驗(yàn)的基質(zhì)瀝青。

試驗(yàn)用瀝青混凝土粗骨料和細(xì)骨料為研究對(duì)象工程的骨料。性能鑒定試驗(yàn)結(jié)果顯示，選用的粗骨料為石灰?guī)r巖質(zhì)，堿性，質(zhì)地堅(jiān)硬，在加熱至最高拌合溫度過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂和分解現(xiàn)象，同時(shí)與瀝青之間具有良好的黏附力，堅(jiān)固性好，滿足《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)粗骨料的技術(shù)要求。

試驗(yàn)用填料為研究對(duì)象工程用石灰?guī)r礦粉，對(duì)其進(jìn)行的密度、含水率、親水系數(shù)以及級(jí)配篩分試驗(yàn)結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范要求，可以用于本次試驗(yàn)研究。

1.2 試驗(yàn)方案

在水工瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)中，級(jí)配指數(shù)、填料用量以及油石比是最重要的影響因素[7]。因此，研究中利用正交實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)研究上述三個(gè)配合比參數(shù)對(duì)瀝青混凝土性能的影響。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論和工程經(jīng)驗(yàn)，選取級(jí)配指數(shù)、填料用量以及油石比三個(gè)因素的不同水平，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)如表1所示[8]。

表1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

按照設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)方案，每種方案制作6個(gè)試件，共9組，54個(gè)試件。試件制作的模具為內(nèi)徑100 mm，高100 mm的圓柱形鋼模。試驗(yàn)過(guò)程中將模具清理干凈，放在烘箱內(nèi)加熱后，在其內(nèi)側(cè)涂刷一層脫模劑，然后將按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制備的瀝青混合料倒入模具，并插搗密實(shí)。試件按層高50 mm分上下兩層單面擊實(shí)，再自然冷卻至常溫后脫模。脫模后的試件在常溫下靜置24 h，然后將每組方案的6個(gè)試件分成兩組，分別在空氣條件和水浴條件下進(jìn)行孔隙率、應(yīng)變和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，將3個(gè)試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的均值作為每種試驗(yàn)方案的最終試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的9組54個(gè)試件，分兩組分別在空氣條件和水浴條件下進(jìn)行水穩(wěn)定試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。由表中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，無(wú)論空氣條件下還是水浴條件下，試件的抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變的變化大致呈相反的趨勢(shì)，也就是試件的抗壓強(qiáng)度大時(shí)應(yīng)變較小，而抗壓強(qiáng)度小時(shí)應(yīng)變較大。此外，無(wú)論是空氣條件還是水浴條件，在方案1下，試件的抗壓強(qiáng)度最大，同時(shí)應(yīng)變最小。

表2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

2.2 水穩(wěn)定性系數(shù)分析

綜合空氣條件和水浴條件下的試驗(yàn)結(jié)果，利用式(1)進(jìn)行水穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

(1)

式中：kw為瀝青混凝土水穩(wěn)定性系數(shù)；R2為水浴條件下試件的抗壓強(qiáng)度，MPa；R1為空氣條件下試件抗壓強(qiáng)度均值，MPa。

由計(jì)算結(jié)果可知，所有9組試驗(yàn)的試件水穩(wěn)定性系數(shù)均大于1，因此都滿足規(guī)范的要求。同時(shí)，水穩(wěn)定性系數(shù)越大，表明試件浸水后抗壓強(qiáng)度值增加的幅度越大。

表3 試驗(yàn)水穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

方差法可以估計(jì)多因素試驗(yàn)過(guò)程中各因素之間的交互作用的主次顯著性，從而給出結(jié)論的置信度。對(duì)上表中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。由計(jì)算結(jié)果可知，級(jí)配系數(shù)對(duì)水穩(wěn)定性系數(shù)的影響最為顯著，而其余兩個(gè)因素對(duì)水穩(wěn)定性系數(shù)的影響并不顯著。

表4 水穩(wěn)定性系數(shù)方差分析結(jié)果

2.3 水穩(wěn)定性因素綜合分析

瀝青混凝土屬于柔性混凝土，具有良好的防滲作用。鑒于應(yīng)變對(duì)瀝青混凝土的防滲性能具有重要影響。因此在水穩(wěn)定性研究中應(yīng)該充分考慮應(yīng)變的影響。傳統(tǒng)的水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)為水穩(wěn)定性系數(shù)，本質(zhì)上是應(yīng)力系數(shù)，沒(méi)有將應(yīng)變指標(biāo)考慮進(jìn)去。本節(jié)通過(guò)考慮應(yīng)變的影響，提出水穩(wěn)定綜合系數(shù)的概念，計(jì)算公式如式(2)。

Z=w1X+w2Y

(2)

式中：Z為瀝青混凝土水穩(wěn)定綜合系數(shù)；X為瀝青混凝土應(yīng)變系數(shù)，為水浴與空氣條件下應(yīng)變值之比；Y為應(yīng)力系數(shù)，也就是水穩(wěn)定系數(shù)；w1、w2分別為應(yīng)變系數(shù)和應(yīng)力系數(shù)權(quán)重。

按照變異系數(shù)法確定應(yīng)變系數(shù)權(quán)重和應(yīng)力系數(shù)的權(quán)重值，分別為0.585和0.415。結(jié)合原始數(shù)據(jù)，對(duì)水穩(wěn)定綜合系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示。由表中的結(jié)果可知，從應(yīng)變系數(shù)，也就是原始的水穩(wěn)定系數(shù)值來(lái)看，方案9的綜合評(píng)分最高，但是該方案主要是由于應(yīng)變系數(shù)值較高，因此拉高了綜合指標(biāo)值。從兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體數(shù)值來(lái)看，方案4的比較穩(wěn)定，無(wú)論是水穩(wěn)定系數(shù)(應(yīng)變系數(shù))還是水穩(wěn)定綜合系數(shù)，均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)且位于峰值范圍之內(nèi)，因此水穩(wěn)定性最好。綜合以上分析，認(rèn)為方案4，也就是級(jí)配指數(shù)0.38、填料用料12%、油石比6.8%的配合比參數(shù)設(shè)計(jì)為最佳方案。

表5 水穩(wěn)定綜合系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

本次研究通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)方法研究了級(jí)配指數(shù)、填料用量以及油石比等三個(gè)主要的配合比參數(shù)對(duì)瀝青混凝土水穩(wěn)定性的影響，并獲得如下主要結(jié)論：

(1)無(wú)論空氣條件下還是水浴條件下，試件的抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變的變化大致呈相反的趨勢(shì)，與相關(guān)研究成果一致。

(2)所有試驗(yàn)的試件水穩(wěn)定性系數(shù)均大于1，都滿足規(guī)范的要求，對(duì)水穩(wěn)定系數(shù)影響最大的參數(shù)是級(jí)配指數(shù)。

(3)在考慮應(yīng)變影響的基礎(chǔ)上提出水穩(wěn)定綜合系數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合系數(shù)和水穩(wěn)定系數(shù)的變化趨勢(shì)總體相近；綜合考慮兩種計(jì)算成果，確定方案4，即級(jí)配指數(shù)0.38、填料用料12%、油石比6.8%的配合比參數(shù)設(shè)計(jì)為最佳方案。