长江科学院院报

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2025 , Vol. 42 >Issue 10: 151 - 156

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240758

水工结构与材料

严寒地区沥青混凝土面板中性骨料适配性试验研究

  • 凌旋 , 1 ,
  • 袁葳 , 1 ,
  • 闫小虎 2
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  • 1 长江勘测规划设计研究有限责任公司,武汉 430010
  • 2 长江科学院 材料与结构研究所,武汉 430010
袁 葳(1989-),女,江西宜春人,工程师,博士,主要从事水利水电工程施工组织设计方面的研究。E-mail:

凌 旋(1992-),男,湖北仙桃人,工程师,硕士,主要从事水利水电工程施工组织设计方面的研究。E-mail:

收稿日期: 2024-07-19

  修回日期: 2024-10-11

  网络出版日期: 2025-02-26

基金资助

长江设计集团自主科研项目(CX2024Z22-2)

收起

Experimental Study on Adaptability of Neutral Aggregates for Asphalt Concrete Panels in Severe Cold Regions

  • LING Xuan , 1 ,
  • YUAN Wei , 1 ,
  • YAN Xiao-hu 2
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  • 1 Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research Co., Ltd., Wuhan 430010, China
  • 2 Meterial and Structure Department, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China

Received date: 2024-07-19

  Revised date: 2024-10-11

  Online published: 2025-02-26

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摘要

为推广中性骨料在西部严寒地区沥青混凝土面板中的应用,采用中性骨料辉绿岩进行室内沥青混凝土面板防渗层配合比和性能试验研究,通过13组试件对不同配合比沥青混凝土的孔隙率、48 h马歇尔斜坡流淌值、劈裂抗拉强度和劈裂破坏拉伸应变等指标进行分析,提出优选配合比,即级配指数0.4、沥青含量7%、填料掺量12%。性能试验研究验证得到:辉绿岩骨料黏结力等级为5级;优选配合比下沥青混凝土防渗层各项性能指标均能满足规范要求,具有足够的防渗性和变形能力;同时其冻断温度低于-37 ℃,能抵抗当地最低-31.9 ℃的低温环境要求。

关键词： 沥青混凝土面板; 中性骨料; 配合比; 性能试验; 严寒地区

本文引用格式

凌旋 , 袁葳 , 闫小虎 . 严寒地区沥青混凝土面板中性骨料适配性试验研究[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(10) : 151 -156 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240758

Abstract

[Objective] Asphalt concrete is widely favored as an impermeable panel in pumped-storage power station design due to its excellent impermeability, deformation adaptability, self-healing ability, and ease of construction. At present, research on the application of neutral aggregates in asphalt concrete panels is limited, especially regarding experimental results on their key performance. This paper aims to promote the application of neutral aggregates in asphalt concrete panels in severe cold regions of western China. [Methods] Laboratory mix design and performance tests of asphalt concrete panels were carried out using neutral aggregate diabase. Thirteen groups of specimens were prepared to analyze porosity, 48 h Marshall flow value, splitting tensile strength, and splitting failure strain of asphalt concrete with different mix proportions. The optimal mix proportion was proposed as: gradation index 0.4, asphalt content 7%, and filler content 12%. To verify the adhesion between diabase coarse aggregate particles and asphalt, the boiling test was conducted. [Results] After 5 minutes of boiling, the asphalt film coating on the surface of diabase coarse aggregate particles was completely preserved, with the percentage of stripped area approaching zero and an adhesion level of Ⅴ. To compare the performance differences between neutral and alkaline aggregate asphalt concrete, comparative performance tests were conducted on asphalt concrete with diabase and limestone aggregates. The results showed that asphalt concrete with diabase aggregate exhibited better slope flow value and maximum flexural strain than that with limestone aggregate, while other mechanical and deformation properties showed no significant difference. [Conclusions] Under the recommended mix proportions, the permeability coefficient, water stability, slope flow value, splitting test, small beam bending test, direct tensile test, and bonding strength with cement concrete of the diabase aggregate asphalt concrete impermeable layer all meet the relevant technical requirements for asphalt concrete face dams. The freezing temperature of the recommended asphalt concrete mix is lower than -37 ℃, enabling it to withstand the local minimum temperature of -31.9 ℃ and satisfy design specifications. Based on the results of the static triaxial test, the Duncan-Chang model parameters of the asphalt concrete impermeable layer material with the recommended mix proportion are obtained, which can be applied to numerical calculations of dam stress-strain.

Key words： asphalt concrete panels; neutral aggregates; mix proportion; performance test; severe cold regions

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

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[1-2]。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,在抽水蓄能电站设计中作为防渗面板广受青睐[3-5]。水工沥青混凝土面板通常采用碱性骨料,因其与沥青具有更好的黏附性,但部分工程区附近无碱性岩石,导致沥青混凝土在面板堆石坝中的应用受到了制约。新疆达坂城抽水蓄能电站工程区内有丰富的中性骨料辉绿岩,研究就近利用当地材料筑坝具有较强的适应性。
在道路沥青混凝土路面中采用中性岩石作为骨料已较为常见[6-7],水工沥青混凝土心墙建设也已积累了不少采用非碱性骨料的成功经验。刘亮等[8]通过性能试验发现天然砾石骨料抵抗变形能力强于灰岩骨料,而两者力学性能相近;仝卫超等[9]进行了天然砂砾石酸性骨料沥青混凝土的性能测试,结果表明,沥青混凝土用天然砾石作为骨料满足规范要求;高博[10]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。还有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[11-12],能够改善沥青混凝土的水稳定性[13-16]。目前,已取得较多改善沥青与酸性骨料黏附性的试验成果,且多为对酸性骨料沥青混凝土水稳定性的研究,而关于中性骨料在沥青混凝土面板中的应用研究较少,特别是缺乏中性骨料沥青混凝土面板的关键性能试验成果。
针对上述问题,本文从实用性角度考虑,以中性骨料辉绿岩作为粗、细骨料,灰岩作为填料,制备沥青混凝土,对不同配合比沥青混凝土的孔隙率、48 h马歇尔斜坡流淌值(简称“48 h流淌值”)等指标进行对比研究,提出推荐配合比,并开展各项关键性能包括低温冻断试验研究,以期为中性骨料沥青混凝土面板在西部寒冷地区抽水蓄能电站中的应用奠定基础。

1 试验材料与试验方案

1.1 试验原材料

沥青:SBS(Ⅰ-A)改性沥青;粗、细骨料:辉绿岩,碱度模数M=0.68,为中性骨料,化学成分检测结果见表1;填料:灰岩,室内用球磨机加工而成。以上原材料受检品质可满足规范要求[17]。
表1 辉绿岩骨料的化学成分检测结果

Table 1 Chemical composition of diabase aggregates

编号 不同骨料的质量分数/% 烧失
量/%		 合计/
%
SiO2 Fe2O3 CaO MgO
D-0# 42.7 11.6 11.8 7.0 6.5 79.6

注:碱度模数M的计算公式为:M=m(CaO+MgO+FeO)/ m S i O 2。碱度模数M>1为碱性骨料,M=0.6~1.0为中性骨料,M<0.6为酸性骨料。

1.2 试验方案

在沥青混凝土配合比设计中最主要参数包括:矿料级配指数r、填料掺量Z以及沥青含量B,这些参数直接决定沥青混凝土性能。目前,国内沥青混凝土矿料级配基本采用丁朴荣公式计算确定[18],结合之前试验经验,本次面板防渗层试验骨料最大粒径Dmax选定为16 mm,矿料级配指数r选取0.2、0.3、0.4和0.5;填料掺量Z选取11%、12%、13%和14%;沥青含量B选取6.6%、6.8%、7.0%、7.2%和7.4%。根据矿料级配公式及骨料的筛分结果,计算出防渗层室内试验的实际矿料级配,见表2。
表2 室内试验实际各级矿料级配

Table 2 Actual mass percentage of aggregates at each gradation level in laboratory test

编号 级配指
数r		 填料掺量
Z/%		 各级矿料实际质量分数/%
[16,13.2)mm [13.2,9.5)mm [9.5,4.75)mm [4.75,2.36)mm [2.36,0.075]mm <0.075 mm
DBCF-1 0.2 12 4.8 9.0 15.7 13.6 47.0 9.9
DBCF-2 0.3 12 5.9 10.7 17.7 14.4 41.1 10.2
DBCF-3 0.4 12 7.0 12.5 19.6 14.8 35.4 10.6
DBCF-4 0.5 12 8.3 14.3 21.3 15.0 30.3 10.9
DBCF-5 0.4 11 7.1 12.7 19.9 15.0 35.9 9.5
DBCF-7 0.4 13 7.0 12.4 19.4 14.6 35.0 11.7
DBCF-8 0.4 14 6.9 12.2 19.2 14.5 34.5 12.7

2 沥青混凝土配合比初选试验

2.1 初选试验参数及试验成果

沥青混凝土面板防渗层初选试验共制作了13组试件,对不同配合比沥青混凝土的孔隙率、48 h流淌值、劈裂抗拉强度和劈裂破坏拉伸应变等指标进行测试,其初选试验参数及基本性能结果见表3。
表3 初选试验参数及基本性能结果

Table 3 Preliminary test parameters and basic performance results

编号 配合比主要参数 沥青混凝土基本性能
r B/% F/% 密度/
(g·cm-3)		 最大密度/
(g·cm-3)		 孔隙
率/%		 48 h流淌
值/mm		 劈裂抗拉
强度/MPa		 破坏拉伸
应变/%
DBCF-1 0.2 7.2 12 2.475 2.515 1.60 0.51 0.37 1.642
DBCF-2 0.3 7.2 12 2.484 2.514 1.22 0.47 0.39 1.711
DBCF-3 0.4 7.2 12 2.487 2.513 1.05 0.45 0.41 1.760
DBCF-4 0.5 7.2 12 2.484 2.513 1.18 0.42 0.40 1.752
DBCF-5 0.4 7.2 11 2.474 2.515 1.63 0.29 0.38 1.637
DBCF-6 0.4 7.2 12 2.487 2.513 1.05 0.45 0.41 1.760
DBCF-7 0.4 7.2 13 2.479 2.512 1.32 0.51 0.37 2.118
DBCF-8 0.4 7.2 14 2.477 2.511 1.36 0.64 0.33 2.400
DBCF-9 0.4 6.6 12 2.491 2.538 1.86 0.20 0.48 1.266
DBCF-10 0.4 6.8 12 2.491 2.530 1.52 0.27 0.44 1.529
DBCF-11 0.4 7.0 12 2.485 2.517 1.26 0.35 0.42 1.690
DBCF-12 0.4 7.2 12 2.487 2.513 1.05 0.45 0.41 1.760
DBCF-13 0.4 7.4 12 2.473 2.498 1.00 0.74 0.33 2.089

2.2 矿料级配指数对沥青混凝土性能的影响

固定沥青含量B=7.0%,填料掺量Z=12%。防渗层沥青混凝土采用4种级配指数,即r=0.2、0.3、0.4和0.5,劈裂抗拉强度试验温度为10 ℃,级配指数对沥青混凝土孔隙率、48 h流淌值、劈裂抗拉强度和劈裂破坏拉伸应变的影响见图1。
图1 级配指数对沥青混凝土性能的影响

Fig.1 Effect of gradationindex on asphalt concrete properties

由表3及图1可知:
(1)4种配合比沥青混凝土孔隙率均<2%,孔隙率变化区间不大,沥青混凝土孔隙率随着级配指数增大先减小后趋于平缓。
(2)随着级配指数的增加,沥青混凝土48 h流淌值逐渐减小。
(3)随着级配指数的增加,沥青混凝土劈裂抗拉强度和破坏拉伸应变逐渐增大,前期增长速度快,后期趋缓。

2.3 填料掺量对沥青混凝土性能的影响

固定沥青含量7.0%,级配指数0.40。填料掺量为11%、12%、13%和14%。填料掺量对沥青混凝土孔隙率、48 h流淌值、劈裂抗拉强度和劈裂破坏拉伸应变的影响见图2。
图2 填料掺量对沥青混凝土性能的影响

Fig.2 Effect of filler content on asphalt concrete properties

由表3及图2可知:
(1)沥青混凝土孔隙率随着填料掺量的增加先减小后逐渐平缓,但均<2.0%。
(2)随着填料掺量的增加,沥青混凝土48 h流淌值呈现逐渐增大的趋势。
(3)沥青混凝土劈裂抗拉强度随着填料掺量的增加先增加后减小,而破坏拉伸应变逐渐增大。

2.4 沥青含量对沥青混凝土性能的影响

固定级配指数0.40,填料掺量12%。沥青含量为6.6%、6.8%、7.0%、7.2%和7.4%,沥青含量对沥青混凝土孔隙率、48 h流淌值、劈裂抗拉强度和劈裂破坏拉伸应变的影响见图3。
图3 沥青含量对沥青混凝土性能的影响

Fig.3 Effect of asphalt content on asphalt concrete properties

由表3及图3可知:
(1)沥青混凝土孔隙率随着沥青含量增大呈现逐渐减小的趋势,但均<2.0%。
(2)沥青混凝土48 h流淌值随着沥青含量增大呈现逐渐增大的趋势,当沥青含量>7.4%时,沥青混凝土48 h流淌值>0.8 mm。
(3)5种配合比沥青混凝土破坏拉伸应变均>1%,随着沥青含量的增加,沥青混凝土劈裂抗拉强度逐渐减小,而破坏拉伸应变逐渐增大。
根据沥青混凝土防渗层基本性能试验比选结果,推荐级配指数0.4、填料掺量12%、沥青含量7.0%为面板防渗层的优选配合比。

3 沥青混凝土防渗层性能试验

3.1 黏附性试验

为验证辉绿岩粗骨料颗粒与沥青的黏附性,进行了水煮法测试。按照《水工沥青混凝土试验规程》(DL/T 5362—2018)[19]要求水煮3 min,结果表明:浸煮5 min后的辉绿岩粗骨料颗粒外包裹的沥青膜完全保存,剥离面积百分率接近于0,其黏结力等级为5级,满足设计规范要求。

3.2 基本性能试验

根据沥青混凝土推荐配合比,按照《水工沥青混凝土试验规程》(DL/T 5362—2018)[19]的试验方法,对沥青混凝土面板防渗层采用辉绿岩和灰岩骨料进行渗透系数、水稳定性、48 h流淌值、劈裂试验、小梁弯曲试验以及直接拉伸比对试验。沥青混凝土防渗层的性能试验结果见表4。采用辉绿岩骨料沥青混凝土48 h流淌值和最大弯拉应变优于灰岩骨料,2种骨料沥青混凝土其他力学和变形性能变化不大。
表4 沥青混凝土面板防渗层性能

Table 4 Performance of impermeable layer of asphalt concrete panels

试验项目 单位 辉绿岩骨料
试验结果		 灰岩骨料
试验结果
密度 g/cm3 2.490 2.340
孔隙率 % 1.260 0.880
渗透系数 cm/s 合格 合格
水稳定性 — 1.000 1.010
48 h流淌值 mm 0.390 0.640
劈裂试验
(2 ℃)		 劈裂抗拉强度/MPa 0.430 0.470
破坏拉伸应变/% 1.883 1.586
小梁弯曲试验
(2 ℃)		 抗弯强度/MPa 1.270 1.630
最大弯拉应变/% 3.751 2.401
挠跨比/% 3.10 2.00
直接拉伸试验
(2 ℃)		 拉伸强度/MPa 0.740 0.540
拉伸应变/% 1.508 1.721

3.3 静三轴试验

本次试验采用SY100型应变式三轴仪,为带外变测试系统的三轴试验设备,见图4。
图4 三轴试验设备

Fig.4 Triaxial test equipment

针对优选配合比DBCF-11,试件尺寸Φ100 mm×H200 mm。试验温度4 ℃,进行围压0.4、0.6、0.8、1.0 MPa,轴向变形速率0.20 mm/min的静力三轴试验,测试沥青混凝土的抗剪强度和变形特性。沥青混凝土的三轴试验成果(4.0 ℃)如图5所示。
图5 沥青混凝土三轴试验成果

Fig.5 Triaxial test results of asphalt concrete

由图5可知,沥青混凝土属于温度敏感性材料,其侧向应变与轴向应变关系不呈双曲线而近乎直线关系,即沥青混凝土的强度随围压增大呈现良好的线性变化关系,设计计算时可采用线性强度模型参数黏聚力c、内摩擦角φ,侧向应变与轴向应变关系见图6。可将整理得到的材料Duncan-Chang模型参数用于大坝应力、应变的数值计算,见表5。
图6 沥青混凝土侧向应变-轴向应变曲线(4 ℃)

Fig.6 Lateral strain vs. axial strain curves of asphalt concrete at 4 ℃

表5 沥青混凝土Duncan-Chang模型参数

Table 5 Duncan-Chang Model Parameters of asphalt Concrete

编号 温度/℃ 剪切速率/(mm·min-1) c/kPa φ/(°) K
DBCF-11 4 0.2 672 27.6 680
编号 n F G Rf D Kb m
DBCF-11 0.2 0.03 0.49 0.7 0.0 1100 0.05

注:K、n为切线弹性模量的试验常数;G、F、D为切线泊松比的试验常数;Rf为破坏比;Kb、m为切线体积模量的试验常数。

3.4 冻断试验

沥青混凝土冻断试验用来测定沥青混凝土低温断裂温度以及沥青混凝土在降温过程中的温度-应力变化过程。根据工程区附近达坂城气象站1958—2019年气象资料成果,工程区最低气温-31.9 ℃。对推荐配合比DBCF-11成型沥青混凝土冻断试件,尺寸为220 mm(长)×40 mm(宽)×40 mm(高),采用强力黏结剂将试件黏结在试件夹头中,降温速率30 ℃/h。试验设备采用LHDD-5362微机伺服多功能沥青混凝土低温性能试验机,具有数据自动采集系统。沥青混凝土配合比主要参数为:级配指数r=0.40、沥青含量B=7.0%、填料用量F=12%。沥青混凝土低温冻断试验过程见图7,温度与应力变化曲线见图8,冻断试验结果见表6。
图7 沥青混凝土低温冻断试验过程

Fig.7 Process of low-temperature fracture test for asphalt concrete

图8 沥青混凝土冻断试验温度与应力变化曲线

Fig.8 Temperature-stress variation curves of low-temperature fracture test for asphalt concrete

表6 防渗层沥青混凝土冻断试验结果

Table 6 Test results of low-temperature fracture test of asphalt concrete for impermeable layer

编号 沥青品种 冻断
应力/
MPa		 冻断
温度/
℃		 平均冻
断应力/
MPa		 平均冻
断温
度/℃		 备注
DBCF-11 SBS(Ⅰ-A)
改性沥青		 2.22 -37 2.19 <-37 未断裂
2.15 -37
2.20 -37
试验结果表明:推荐沥青混凝土防渗层配合比冻断温度低于-37 ℃,能抵抗当地最低气温-31.9 ℃,满足设计规范要求。

4 结论

(1)采用辉绿岩中性骨料开展沥青混凝土面板防渗层配合比及性能试验,优选得到面板防渗层推荐配合比:级配指数0.4、沥青含量7.0%、填料掺量12%。试验表明,推荐配合比条件下辉绿岩骨料与沥青之间的黏附性等级为5级,满足设计规范要求。
(2)推荐配合比下沥青混凝土防渗层渗透系数、水稳定性、48 h流淌值、劈裂试验、小梁弯曲试验、直接拉伸试验以及与水泥混凝土黏结强度试验成果均满足沥青混凝土面板坝的相关技术要求,且推荐配合比沥青混凝土防渗层冻断温度低于-37 ℃,能抵抗当地最低气温-31.9 ℃,满足设计规范要求。
(3)根据静三轴试验成果整理得到了推荐配合比下沥青混凝土防渗层材料的Duncan-Chang模型参数,可用于大坝应力、应变计算。

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