Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2026 , Vol. 43 >Issue 3: 185 - 191

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20250124

Hydraulic Structure And Material

Performance of Hydraulic Asphalt Concrete with Acidic Aggregates in Severe Cold Regions

  • YAN Xiao-hu , 1 ,
  • LI Hai-feng 2 ,
  • LI Da-hong 2 ,
  • FENG Wei 2
Expand
  • 1 Material and Structural Research Department,Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
  • 2 Ruoqiang County Washixia Water Resources Development Company Limited,Ruoqiang 441800,China

Received date: 2025-02-18

  Revised date: 2025-06-21

  Accepted date: 2025-07-03

  Online published: 2025-09-01

Fold

Abstract

[Objective] To facilitate the construction of asphalt concrete core walls in the severe cold regions of Western China, this paper undertakes a systematic investigation into the influence of acidic gravel aggregates on the performance characteristics of hydraulic asphalt concrete. [Methods] The research methodology and evaluation framework were strictly guided by two pivotal Chinese technical standards: Test Code for Hydraulic Asphalt Concrete (DL/T 5362-2018) and the more recent Technical Specification for the Application of Acidic Aggregates in Hydraulic Asphalt Concrete (DL/T 5876-2024). The key performance indicators (mechanical properties, deformation behavior, impermeability, and overall durability) of asphalt concrete incorporating crushed gravel aggregates were evaluated through asphalt concrete water stability tests, direct tensile tests, bending tests, pressure-based impermeability tests for dense-graded asphalt concrete, triaxial compression tests, long-term water immersion stability tests, and long-term freeze-thaw splitting tests. [Results] (1) Complex Composition and Durability Challenge: Gravel aggregates typically exhibited a complex mineralogical composition, encompassing alkaline, neutral, and acidic aggregates, with acidic rock types often being predominant. A primary concern identified was the inherently weak interfacial bonding force between asphalt binder and acidic aggregate surfaces. Under prolonged water immersion, this weak bond facilitated a gradual displacement process where water molecules infiltrated and substituted the asphalt at the aggregate interface, leading to stripping or detachment of the asphalt film from the aggregate surface. This mechanism posed a substantial threat to the long-term durability of the asphalt concrete. Consequently, a thorough durability assessment should be required when considering the application of gravel aggregates-based hydraulic asphalt concrete in critical structures. (2) Enhancement Mechanisms via Cement Filler and Anti-Stripping Agents: The study identified effective methods to mitigate the adhesion issue. Metal ions present in cement, such as Ca2+ and Mg2+, engaged in chemical bonding with oxygen atoms within the asphalt. In the mixing process, this interaction promoted a more robust and durable bond between the asphalt and the aggregates. Furthermore, the use of anti-stripping agents was found to be highly beneficial. These agents operated through multiple synergistic mechanisms, including chemical bonding with the aggregate surface, modification of the interfacial properties, and the creation of a physical barrier against water intrusion. Collectively, these actions significantly enhanced both the durability and the mechanical performance of asphalt concrete made with acidic aggregates. Incorporating cement filler alone, or using a combination of cement filler and non-amine anti-stripping agents, effectively strengthened the adhesive bond between the gravel aggregates and the asphalt matrix, thereby markedly improving the durability of the resulting acidic gravel aggregate hydraulic asphalt concrete. (3) Mechanical Behavior and Modeling: Asphalt concrete was recognized as a temperature-sensitive material. Analysis of triaxial test data revealed that the relationship between lateral strain and axial strain approximated a linear relationship. Specifically for the gravel aggregate asphalt concrete studied, its strength demonstrated a well-defined and favorable linear increase with rising confining pressure. The material's strength could be effectively characterized using the parameters of a linear strength model, namely the cohesion and the angle of internal friction. (4) Overall Performance Improvement: Incorporating cement filler or adding non-amine anti-stripping agents substantially improved the comprehensive performance profile of acidic gravel aggregate asphalt concrete. These enhancements directly translated to superior mechanical properties, increased resistance to water-induced damage, and extended long-term durability. [Conclusion] The application of acidic gravel aggregates in the construction of asphalt concrete core wall dams is demonstrated to be technically feasible. Key performance parameters evaluated in this study, including the long-term water immersion stability coefficient, the freeze-thaw cycle splitting tensile strength ratio, and the failure tensile strain, provide a robust theoretical foundation and essential technical support for the engineering application of this material.

Key words： severe cold region; asphalt concrete core wall; acidic gravel aggregate; durability of hydraulic asphalt concrete

Cite this article

YAN Xiao-hu , LI Hai-feng , LI Da-hong , FENG Wei . Performance of Hydraulic Asphalt Concrete with Acidic Aggregates in Severe Cold Regions[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2026 , 43(3) : 185 -191 . DOI: 10.11988/ckyyb.20250124

0 引言

水工沥青混凝土作为水利工程中关键的防渗与防护材料,在沥青混凝土面板、大坝心墙及渠道衬砌等工程领域得到了广泛应用。传统上,水工沥青混凝土多采用碱性骨料(如石灰岩、白云岩)作为主要骨料,与沥青的界面黏附性及长期稳定性已形成较为成熟的技术体系。然而,在我国西部、北方等寒冷地区,酸性岩矿广泛分布,碱性骨料资源稀缺,导致工程建设面临长距离运输带来的成本激增与碳排放问题。如何合理开发利用当地筑坝材料,成为水工沥青混凝土发展过程中的一个关键挑战。以新疆、西藏等地区为例,许多河流发源于高山冰川区,卵石、砾石等冰积物在融雪、暴雨、洪水、泥石流的作用下被带入上游河道,进而被输送到河流冲积扇段沉积。这些地区的水电工程坝区附近戈壁广阔,山涧河滩众多,天然砂砾石资源极为丰富,且分布范围广、储存量大、便于开采及加工运输、成本低廉[1-4]。然而,由于砾石骨料种类繁多,且以酸性岩石为主,采用就地取材的砾石骨料虽具有显著的经济与环境效益,但因其表面富含硅酸盐矿物,与沥青的界面黏附性显著弱于碱性骨料,在复杂水-热-力耦合作用下易发生剥离破坏,严重影响混凝土的防渗性能与耐久性[5-6]。目前,针对酸性骨料改性与沥青-集料界面强化机制的研究尚不系统,特别是在水工特殊服役环境下的长期性能演化规律仍不明确。开展酸性骨料水工沥青混凝土的界面改性技术研究,不仅对突破区域资源限制、推动绿色建材发展具有重要现实意义,更能为复杂环境下水工建筑物的长效服役提供理论支撑,对实现资源匮乏地区水利工程建设的可持续发展具有显著的社会经济效益。
针对上述问题,本文从实用性角度出发,以酸性破碎砾石作为粗、细骨料,水泥或石灰岩作为填料,制备水工沥青混凝土,并开展包括长期浸水和长期冻融耐久性试验在内的各项关键性能研究,旨在为酸性骨料在水工沥青混凝土中的应用提供技术支撑[7-9]。

1 材料与试验方案

1.1 试验原材料

沥青采用克拉玛依90号A级沥青;填料为灰岩、水泥;抗剥落剂DY-AS型和KBL-3型(非胺类)。粗、细骨料:破碎砾石,试验结果表明,砾石骨料中品种复杂,既有碱性骨料也有中性和酸性骨料,以酸性骨料为主,砂中石粉为酸性,化学成分检测结果见表1。
表1 砾石骨料的化学成分检测结果

Table 1 Results of chemical composition test for gravel aggregates

骨料品种 SiO2含
量/%		 Fe2O3含
量/%		 CaO含
量/%		 MgO含
量/%		 烧失
量/%		 碱度
模数
砂中石粉 71.7 4.6 5.0 2.4 2.9 0.16
天然骨料1# 60.6 10.5 7.4 5.9 2.8 0.37
天然骨料2# 74.2 2.0 3.3 1.2 3.2 0.08
天然骨料3# 45.5 10.8 11.2 14.6 6.2 0.78
天然骨料4# 22.0 0.7 26.6 17.1 35.9 2.01
天然骨料5# 72.3 4.4 2.9 2.0 0.8 0.12
天然骨料6# 39.9 4.7 18.1 17.2 20.6 0.99

注:砂中石粉为天然细骨料粒径<0.075 mm颗粒。碱度模数M的计算公式为:M=(CaO+MgO+FeO)/SiO2。公式为含量之比。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、填料用量F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[10],根据沥青混凝土初选配合比试验,本次酸性破碎砾石骨料沥青混凝土性能试验配合比,见表2。
表2 砾石骨料沥青混凝土性能试验配合比

Table 2 Mix proportions for performance testing of gravel aggregate asphalt concrete

配合
比
编号		 骨料种类 填料
种类		 DY-AS
抗剥落剂
掺量/%		 配合比主要参数
级配指数
r		 沥青含量
B/%		 填料用量
F/%
2 破碎砾石 水泥 0.0 0.39 6.5 12
3 破碎砾石 水泥 0.4 0.39 6.5 12
7 破碎砾石 灰岩 0.0 0.39 6.5 12
8 破碎砾石 灰岩 0.4 0.39 6.5 12
12 破碎砾石 水泥 0.4 0.39 6.8 12
13 破碎砾石 水泥 0.0 0.39 6.8 12

2 沥青混凝土配合比性能试验

2.1 沥青混凝土水稳定

沥青混凝土的水稳定性有时也称之为耐水性,它是指沥青混凝土在水损害条件下,其力学特性变化或残留的特性,《水工沥青混凝土试验规程》(DL/T 5362—2018)[11]以沥青混凝土在60 ℃水中浸泡48 h与20 ℃浸泡48 h的抗压强度变化来评定。水损害是沥青混凝土在水等因素的作用下,进入沥青混凝土孔隙中的水分逐渐渗入沥青与骨料的界面上,使沥青黏附性降低,并逐渐丧失黏聚力,沥青膜从骨料表面剥离,沥青混凝土掉粒、松散,继而形成沥青混凝土松散、剥落等损害,是沥青混凝土的主要病害之一。表3为沥青混凝土短期水稳定性试验结果。
表3 沥青混凝土短期水稳定性试验结果

Table 3 Results of short-term water stability test for asphalt concrete

配合比
编号		 配合比主要参数 不同养护温度下
平均抗压强度/MPa		 水稳
定系
数Kw
骨料
品种		 填料
种类		 沥青
含量
B/%		 抗剥落
剂掺
量/%		 20 ℃ 60 ℃
7 砾石 灰岩 6.5 0.0 0.98 0.97 0.99
2 砾石 水泥 6.5 0.0 1.05 1.02 0.97
3 砾石 水泥 6.5 0.4 1.10 1.09 1.00
12 砾石 水泥 6.8 0.0 1.06 1.05 0.98
13 砾石 水泥 6.8 0.4 1.01 0.99 0.98

注:抗剥落剂品种为DY-AS型。

根据表3沥青混凝土水稳定性试验结果,可以得出以下结论:
(1)使用酸性砾石骨料,编号7灰岩填料沥青混凝土的水稳定系数为0.99。未添加抗剥落剂的水泥填料酸性砾石骨料沥青混凝土,随着沥青含量的增加,水稳定系数分别达到0.97和0.98,均>0.9。同时,复掺抗剥落剂的水泥填料酸性砾石骨料沥青混凝土,水稳定系数也分别达到1.00和0.98,同样>0.9。
(2)在使用酸性砾石骨料的情况下,编号7灰岩填料沥青混凝土在20 ℃时的抗压强度为0.98 MPa,60 ℃时的抗压强度为0.97 MPa,均低于其他采用水泥填料的沥青混凝土配合比。
(3)水泥作为一种传统的沥青抗剥落剂,其内部的Ca2+、Mg2+等金属离子能与沥青中的氧原子形成化学键,通过拌合黏结在一起。水泥填料通过水化反应和孔隙填充,增强了骨料与沥青之间的黏结力,减少了水分侵蚀引起的剥离现象。无论是单掺水泥填料还是复掺水泥填料抗剥落剂的砾石骨料水工沥青混凝土,其水稳定系数均>0.90。然而,即使未采用抗剥落措施,灰岩填料的砾石骨料水工沥青混凝土水稳定系数也达到了0.99,满足了《水工混凝土应用酸性骨料技术规范》(DL/T 576—2024)[12]要求。这是因为沥青混凝土的孔隙率较小,抗渗性能较好,水分子在短时间内难以渗透到骨料与沥青的界面。因此,对于采用酸性砾石骨料的沥青混凝土,仍需进行耐久性评价。

2.2 沥青混凝土直接拉伸

砾石骨料沥青混凝土直接拉伸试验结果见表4。研究结果表明:①对比编号2、编号3与编号12和编号13,采用水泥填料,掺抗剥落剂砾石骨料沥青混凝土拉伸强度和拉伸应变变化不大,均有降低趋势。对比编号3与编号13随着沥青含量的增加,沥青混凝土的拉伸强度减小,而拉伸应变微量增大。②对比编号7与编号8,采用灰岩填料,由于抗剥落剂改善沥青与骨料界面结构,提高了沥青混凝土的黏结力,掺抗剥落剂砾石骨料沥青混凝土拉伸强度增加和拉伸应变略有增大。③对比编号2与编号7、编号3与编号9采用水泥填料沥青混凝土拉伸强度和拉伸应变均优于掺灰岩填料。
表4 沥青混凝土直接拉伸试验结果

Table 4 Results of direct tensile test for asphalt concrete

沥青混凝土
编号		 骨料
品种		 填料 沥青含量
B/%		 抗剥落剂
掺量/%		 拉伸强度
Rt/MPa		 拉伸应变
εt/%
2 砾石 水泥 6.5 0.0 0.44 1.755
3 砾石 水泥 6.5 0.4 0.39 1.524
7 砾石 灰岩 6.5 0.0 0.37 1.480
8 砾石 灰岩 6.5 0.4 0.41 1.499
12 砾石 水泥 6.8 0.0 0.38 1.554
13 砾石 水泥 6.8 0.4 0.35 1.539

注:抗剥落剂品种为DY-AS型。

2.3 沥青混凝土小梁弯曲

本次试验选取的特征温度较低(11.8 ℃),砾石骨料沥青混凝土小梁弯曲试验的结果见表5。结果显示:①沥青混凝土是一种对温度变化敏感的材料,试验中观察到的抗弯强度较高,而最大弯拉应变及挠跨比相对较小,这与沥青混凝土温度敏感性的普遍规律相吻合。②对比编号2、编号3与编号12和编号13的试验结果,复掺水泥填料和抗剥落剂的沥青混凝土挠弯强度有所降低,最大弯拉应变则呈现增加的趋势。对比编号2与编号12、编号3与编号12随着沥青含量的提升,沥青混凝土的弯曲强度有所下降,而最大弯拉应变则略有增加。③将编号7与编号8的试验结果进行对比,采用灰岩填料并掺入抗剥落剂的沥青混凝土挠弯强度有所提高,最大弯拉应变则呈现减小的趋势。④总体而言,采用水泥填料的沥青混凝土挠弯强度优于采用灰岩填料的,但两者在最大弯拉应变方面的变化并不显著。
表5 沥青混凝土小梁弯曲试验结果

Table 5 Results of small beam flexural test for asphalt concrete

沥青
混凝土
编号		 骨料
品种		 填料 抗剥落
剂掺量/
%		 抗弯
强度
Rb/MPa		 最大弯
拉应变
εb/%		 挠跨
比/%
2 砾石 水泥 0.0 0.95 4.537 3.8
3 砾石 水泥 0.4 0.81 4.860 4.0
7 砾石 灰岩 0.0 0.54 6.678 5.6
8 砾石 灰岩 0.4 0.75 4.387 3.6
12 砾石 水泥 0.0 0.84 4.720 3.9
13 砾石 水泥 0.4 0.79 4.930 4.0

注:抗剥落剂品种为DY-AS型。

2.4 沥青混凝土渗透

沥青混凝土渗透性能试验结果见表6。心墙坝沥青混凝土,其渗透系数非常小,常常测不出渗透系数。鉴于低压变水头渗透系数因历时短很难测出渗透系数,本试验采用有压渗透法,以缩短心墙沥青混凝土的试验周期。试验结果表明,6组配合比沥青混凝土经有压渗透试验,结果为无漏水,则定义为不渗透,渗透系数均<1×10-8cm/s,能够满足《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》(SL 501—2010)的要求。
表6 沥青混凝土渗透试验结果

Table 6 Results of permeability test for asphalt concrete

沥青
混凝土
编号		 骨料
品种		 填料 抗剥落
剂掺量/
%		 时间/
h		 压力/
MPa		 渗水量/
mL		 渗透系数/
(cm·s-1)
2 砾石 水泥 0.0 2 1.0 0 <1×10-8
3 砾石 水泥 0.4 2 1.0 0 <1×10-8
7 砾石 灰岩 0.0 2 1.0 0 <1×10-8
8 砾石 灰岩 0.4 2 1.0 0 <1×10-8
12 砾石 水泥 0.0 2 1.0 0 <1×10-8
13 砾石 水泥 0.4 2 1.0 0 <1×10-8

2.5 沥青混凝土静三轴

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1。
图1 三轴试验设备

Fig.1 Triaxial test equipment

针对优选配合比2号及3号,试件尺寸Φ100 mm×H200 mm,试件经击实法成型后,在11.8 ℃的水中恒温养护48 h。试验温度11.8 ℃,进行围压0.2、0.5、0.8、1.0 MPa,轴向变形速率0.20 mm/min的静力三轴试验,测试酸性砾石骨料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见图2、图3所示。
图2 2号沥青混凝土三轴试验成果

Fig.2 Triaxial test results of No.2 asphalt concrete

图3 3号沥青混凝土三轴试验成果

Fig.3 Triaxial test results of No.3 asphalt concrete

由三轴试验结果可知,沥青混凝土属于温度敏感性材料,沥青混凝土侧向应变与轴向应变关系见图4,试验结果表明,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是双曲线而近乎直线关系,2组砾石骨料沥青混凝土的强度随围压增大呈现良好的线性,设计计算时可采用线性强度模型参数c、φ值。2组沥青混凝土配合比材料的Duncan-Chang模型参数[12-13]见表7,对比编号2和编号3,掺抗剥落剂砾石骨料沥青混凝土力学指标和变形模量均小于未掺抗剥落剂,模型参数可用于大坝应力应变数值计算,其中K的物理意义为围压为一个大气压时的初始切线模量与大气压的比值;Kb为围压等于一个大气压时切线体积模量与大气压的比值;G为围压等于一个大气压时初始切线泊松比;Rf为破坏应力与双曲线模型下极限应力的比值,其值能较好地反映土体的软化程度;n反映初始切线模量随围压增大而增大的急剧程度;m反映初始切线体积模量随围压增大而增大的急剧程度;F反映初始切线泊松比随围压增大而增大的急剧程度;D值越高,表示较小的偏应力增量会引起较大的侧向膨胀应变增量。
图4 沥青混凝土侧向应变-轴向应变曲线(11.8 ℃)

Fig.4 Lateral strain-axial strain curves of asphalt concrete at 11.8 ℃

表7 沥青混凝土Duncan-Chang模型参数

Table 7 Duncan-Chang model parameters of asphalt concrete

编号 温度/℃ 剪切速率/(mm·min-1) c/kPa φ/(°) K n F G Rf D Kb m
2 11.8 0.2 294.9 33.1 520.0 0.260 0.030 0.490 0.800 0.000 770.0 0.210
3 11.8 0.2 319.3 31.1 500.0 0.300 0.030 0.490 0.800 0.000 720.0 0.250

2.6 沥青混凝土长期浸水的水稳定性

本试验基于固定级配指数0.39、填料掺量12%及沥青含量6.5%的配合比设计,开展长期水浸与冻融条件下的耐久性研究。作为大坝核心防渗结构,心墙沥青混凝土持续承受动态高水压渗透作用,背水面则处于相对干燥环境,这种非对称水力条件对材料的长期水稳定性提出严格要求。现行水稳定测试方法主要借鉴公路沥青混凝土试验,但二者性能需求存在显著差异:公路材料侧重透水性与高温稳定性,而沥青混凝土心墙更关注抗渗性能与变形协调性。根据《水工沥青混凝土应用酸性骨料技术规范》(DL/T 5876—2024)[14],试验设置两组对比:基准组试件经48 h在(20±1)℃的水中,标准养护后测定初始抗压强度R1;长期水稳定性试验方法与标准水稳定性试验方法的不同之处在于,第二组试件浸入水温为(80±1)℃的水中750 h后,移到温度为(20±1)℃的水中4 h,测定残余强度R750。通过水稳定系数Kw1(R750/R1)评估材料耐久性,具体配合比参数见表8,长期浸水性能变化趋势见图5。
表8 沥青混凝土耐久性试验配合比

Table 8 Mix proportions for durability testing of asphalt concrete

配合比编号 骨料品种 填料品种 抗剥落剂品种 掺量/%
1 灰岩 灰岩 0
2 砾石 水泥 0
3 砾石 水泥 DY-AS 0.4
4 砾石 水泥 DY-AS 0.6
5 砾石 水泥 KBL-3 0.4
6 砾石 水泥 KBL-3 0.6
7 砾石 灰岩 0
8 砾石 灰岩 DY-AS 0.4
9 砾石 灰岩 DY-AS 0.6
10 砾石 灰岩 KBL-3 0.4
11 砾石 灰岩 KBL-3 0.6
图5 不同龄期沥青混凝土水稳定性系数

Fig.5 Water stability coefficients of asphalt concrete at different ages

研究结果表明:①采用砾石骨料与灰岩填料的编号7试样(未添加抗剥落剂)Kw1为0.79,低于规范要求,酸性骨料表面在水介质中更易形成水膜,导致沥青-骨料界面黏结力衰减,引发渐进式剥落破坏[15-17],其原理是由于水分侵入沥青混凝土时,水可能取代沥青与骨料的结合,导致界面剥离。这一过程受三相界面张力平衡:根据热力学条件,若骨料-水界面张力与沥青-水界面张力之和小于骨料-沥青界面张力,水将自发侵入骨料-沥青界面,引发剥离。酸性岩石表面张力较低,易被水润湿,水优先吸附,破坏沥青结合,导致抗剥落性能差;②通过复掺抗剥落剂和水泥填料,可促进骨料-沥青界面化学反应,优化微观结构,从而显著提升材料的水稳定性。其原理是因为抗剥落剂中的碱性成分与骨料表面的H+反应,降低了局部酸度,抑制了SiO2的溶出。水工沥青混凝土沥青含量高,沥青在骨料表面形成柔性薄膜,填补微裂缝,减少水分渗透路径,提升抗渗能力,同时抗剥落剂降低骨料-浆体间的接触角,促进水泥颗粒均匀包裹骨料,增强界面粘结强度。沥青胶浆填充骨料的孔隙,减少薄弱区,提高密实度。抗剥落剂使骨料表面疏水性增强,阻断水分侵入,降低了冻融破坏风险。该结论为酸性骨料在防渗工程中的安全应用提供了理论支撑。③采用砾石骨料、水泥填料、高温浸泡750 h后,沥青混凝土强度增加,浸水水稳定性有增加趋势,随着抗剥落剂掺量增加,沥青混凝土水稳定系数变化不大。对比灰岩骨料,灰岩填料沥青混凝土具有良好的长期浸水水稳定性。④采用砾石骨料、灰岩填料,高温浸泡750 h后,不同抗剥落剂对沥青混凝土长期浸水性能影响不同,掺DY-AS抗剥落剂沥青混凝土浸水水稳定性有增加趋势,抗剥落剂亲油基与沥青通过相似相容原理结合在一起,亲水基与酸性骨料产生化学反应形成三氢键、C-O-Si键等,键能较强,掺KBL-3抗剥落剂沥青混凝土浸水水稳定性有减小趋势。⑤高温浸泡750 h,复掺水泥填料和DY-AS抗剥落剂沥青混凝土水稳定性系数分别为1.11、1.38和1.27,大于灰岩填料0.97、1.10和0.99。

2.7 沥青混凝土长期冻融劈裂

冻融劈裂试验依据《水工沥青混凝土应用酸性骨料技术规范》(DL/T 5876—2024)[14],将第一组试件在11.8 ℃养护不少于4 h进行劈裂试验,将第二组试件在20±1 ℃的水中浸泡养护24 h后,放入全级配混凝土抗冻试验机中,一次冻融循环历时13~14 h,其中降温历时7~8 h,升温历时5~6 h。降温和升温结束时,控制箱中心温度分别控制在-18±2 ℃和8±2 ℃,冻融循环40次,分别测定其劈裂抗拉强度RT0、RT4。不同龄期沥青混凝土冻融试验结果见图6。
图6 不同龄期沥青混凝土冻融劈裂试验

Fig.6 Results of freeze-thaw splitting tensile tests for asphalt concrete at different ages

试验结果表明:①采用砾石骨料,灰岩填料,未掺抗剥落剂沥青混凝土冻融循环40次后,劈裂抗拉强度降低明显,强度比为84.4%,不满足《水工沥青混凝土应用酸性骨料技术规范》(DL/T 5876—2024)[14]要求。②掺抗剥落剂或者水泥填料均能提高沥青混凝土冻融劈裂抗拉强度比。③采用砾石骨料、水泥填料,冻融循环40次后,沥青混凝土强度变化不明显,劈裂破坏拉伸应变比有增加趋势,随着抗剥落剂掺量增加,沥青混凝土劈裂抗拉强度比变化不大。④采用砾石骨料、灰岩填料,冻融循环40次后,沥青混凝土劈裂抗拉强度比有减小趋势。⑤冻融循环40次后,采用水泥填料沥青混凝土劈裂抗拉强度比大于灰岩填料,但劈裂破坏拉伸应变低于灰岩填料,与沥青混凝土高温浸泡750 h后性能相同。

3 结论

(1)砾石骨料的成分多样,包括碱性、中性和酸性骨料,以酸性岩石为主。由于沥青与酸性骨料之间的界面黏结力较弱,在长期的浸水环境下,沥青容易被水逐渐置换,从骨料表面剥离,无法确保沥青混凝土的耐久性。因此,在应用砾石骨料水工沥青混凝土时,必须进行耐久性评估。
(2)水泥中的Ca2+、Mg2+等金属离子与沥青中的氧原子形成化学键,经过拌合黏结在一起。抗剥落剂通过化学键合、界面改性和物理屏障等多重机制,显著提升酸性骨料沥青混凝土的耐久性和力学性能。通过单独掺入水泥填料或复掺水泥填料与非胺类抗剥落剂,均可以增强砾石骨料与沥青之间的黏结力,从而提升酸性砾石骨料水工沥青混凝土的耐久性能。由于水泥填料的化学反应和孔隙填充作用,其力学性能优于灰岩填料。
(3)通过静三轴试验,我们整理出了酸性砾石骨料沥青混凝土材料的Duncan-Chang模型参数,这些参数可用于大坝的应力应变数值计算。
(4)施工时,当采用水泥填料时,水泥填料宜采用独立加料罐,独立称量加料,并做好防潮、防结块措施。当采用掺聚合物抗剥落剂提高骨料黏附性时,抗剥落剂应按照配合比试验确定的掺加比例加入沥青保温罐中。

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