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浇筑式沥青混凝土心墙防渗技术的试验研究 摘要 自七十年代以来，我国北方地区已建成浇筑式沥青混凝土心墙堆石 坝十余座。目前，对碾压式沥青混凝土的材料与结构性能进行了大量试 验研究，其设计方法、施工工艺和设备较为成熟。而浇筑式沥青混凝土 处于试验阶段，缺少系统地研究和原型观测。本文结合实际工程进行了 如下几方面的工作： 1 ) 分析了浇筑式沥青混凝土心墙堆石坝在寒冷地区施工的优势，其 防渗结构的耐久性、可靠性、抗裂性等方面性能均优于混凝土面板。 2 ) 确定浇筑式沥青混凝土施工配合比，确定对原材料的选择原则， 探讨骨料离析与配合比的关系。 3 ) 根据工程设计与建设的需要，对浇筑式沥青混凝土进行变形与强 度的试验研究，对沥青混凝土压缩蠕变性能进行了分析。 关键词：沥青混凝土心墙配合比防渗变形强度蠕变 t e s ta n d s t u d y o n i m p e r m e a b i l i t y f o r p o u r e d a s p h a l t i c c o n c r e t ec o r e a b s t r a c t s i n c e1 9 7 0 墨t e na n dm o r ep o u r e da s p h a l t i cc o n c r e t ec o r e r o d c f i l ld a m s ( p c r d ) h a v e b e e nb u i l t 加t h en o r t h e r e nr e g i o no f c h i n a a t p r e s e n t , t h ed e s i g nm e t h o d , c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ea n d e q u i p m e n th a sb e e ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d f o rt h ep c r d ，s i n c e m u c ht e s ta n ds t u d yo ni t sm a t e r i a la n ds t r u c t u r a lf e a t u r e sh a s b e e n d o n e b u t f o r t h ep o u r e d a s p h a l t i cc o n c r e t e ( p a c j ，i t i so n l y i nt h et e s t i n gs t a g ea n dl a c k ss y s t e m a t i caa n l y s e sa n dp r o t o t y p e o b s e r v a t i o n s w i mt h ep r o j e c tp e r f o r m a n c et h i sa r t i c l ei n t r o d u c e s s o m ew o r k so np a cu n d e rt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： 叫d v a n t a g e so f p c r dc o n s t r u c t i o ni nt h ec o l dd i s t r i c t , m o r e d u r a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n d c r a c kr e s i s t a n c eo ft h ep a c c o r et h a n c o n c r e t e f a c i n gs l a b ； 一一m 没d e s i g n c r i t e r i ao fm a t e r i a l s e l e c t i o n , r e l a t i o n s h i p b e t w e e na g g r e g a t es e g r e g a t i o na n dm i x p r o p o r t i o n ； _ 1 1 e s ta n ds t u d yo nd e f o r m a t i o na n ds t r e n g t ho ft h ep a c a n a l y s i so f c r e e p b e h a v i o u ro f t h ep a c k e y w o r d s ： a s p h a l t i c c o n c r e t ec o r em i xp r o p o r t i o ni m p e r m e a b i l i t y d e f o r m a t i o ns t r e n g t hc r e e p 大连理工大学工程硬士学位论文 1 1 国内外工程建设与发展概况 七十年代初，在我国东北首先将浇筑式沥青混凝土技术用于筑坝， 即吉林省安图县白河水电站拦河坝( 坝高2 4 5 m ，装机6 m w ) 。近十五 年来，此项技术在东北寒冷地区得到广泛应用，据不完全统计，已建同 类坝有1 0 座左右( 见表1 - 1 ) 。 与碾压式沥青混凝土相比，浇筑式沥青混凝土混合料中沥青( 加碴 油) 含量高达1 0 5 1 6 5 ，其沥青材料用量除充满全部骨料空隙外， 还有所富裕，浇筑后靠自重压密而不必碾压。所以，浇筑式结构的物理 力学性能和流变性能与使用的沥青性质关系极大，为使其具有足够的力 学稳定性，一定要选用抗流变较好的沥青品种。 浇筑式沥青混凝土心墙堆石坝的最大特点是适合寒冷地区冬季施 工，如东北、西北地区，其典型工程气温资料见表1 - 2 。典型坝体剖面 见图1 - 1 。 磊i f i釜沁、_ 司“、i彳怠盟： 冁一- 蜥驻一瓢二1毫- 一一j t 陋巍一一一卑麓广一 图1 - 1 浇筑式沥青混凝土心墙堆石坝横剖面 垡翌三查兰三堡翌主兰垡塑 向 粪 辎 臻鼎 媒甍| 稍 甏 每缸念岔箍 赴 缸缸缸缸 丞 羁蝎髂蝎妪 剖 垂蓬 碴碴 琏醯醢 茸 晷 目 8 世 塞 譬誊 主蓄 垂嚣 三墓 主菱|鏊嚣 卜赠 籀鞋 卜赠 囊蚕 热蜒 叫犀 叫器 叫露 犀 鞋茧 姥卜 量 卜赠 赛 gn叫辎h舔 鬣 萋妻 ：。 鞫旨导 学 纣 2? =竺 hn 兰 昌 h h “ 甚 、一 qn卜 恒 葛蛊n 繇 ，、 色 bbb 鐾熏 o一 x g q导= 旨 、j n 一一 翮m悼m崛俺mm坤悼 辱掣 落 掣螂掣蝌掣蝉蝉 命 群雹脚 燃蕻魅 御脚聊脚脚 h 匝划曩 攥键 跳描划聪越 奄 g譬 矗长客 襄豢 根l 卜 一一 璺量当- 一 一 匝 刈轴 基 幅 莲 霹戳 蔑 础- k 嚣 畦 嚷 盏 鬓 悄瞥斟 蚓 窘hh 蓑 *髅 世 窿鑫 校 吲辑 琵 瓣 h 姐 静端 翟 霹 也 锵镨桀 挝日茸 口 辟蠼 i 1世 髓聪谰 暑 h 血 寐 掣静砸h驿算垂州劈嘿簟翳懈塔瘸觏求箍e匾 大连理工大学工程硕士学位论文 国外在七十年代前约建十座( 最大坝高5 5 0 m ) ，此后十五年发展速 度较快，地区分布也更加广泛，累计建坝近五十座，以碾压式心墙坝为 主。八十年代初在前苏联西伯利亚地区相继修建t e l m a m s k a y a ， b o g u c h a n s k a y a 等高浇筑式沥青混凝土心墙堆石坝。总体上看这是一种 年轻的坝型，工程类比经验较少，设计方法与原理不成熟，尚缺少有效 的技术指标来科学评定浇筑式沥青混凝土各种性能。故已建工程主要是 经验型的。 表1 - 2寒冷地区浇筑式沥青混凝心墙堆石坝气温资料( o c ) 工程名称多年平均气温最高气温最低气温 西沟 - 0 3 03 7 7- 4 4 5 库尔滨 _ 0 5 03 6 3 1 4 8 白河2 2 0 3 3 0_ 4 2 0 新鄂 1 4 23 5 2 - 4 8 1 t e l m a m s k a y a 坝浇筑式沥青混凝土心墙高h = 1 4 0 m ，变截面心墙厚 5 ：0 5 1 4 m ，坝顶宽1 2 ，0 m ，坝顶长1 1 0 0 m ，坝址区冬长夏短，多年 平均气温t = - 5 c 6 3 c ，负温期长达2 0 0 天，最低气温为_ 5 5 。c ，坝基 冲积层和砂卵砾石层厚达2 5 0 m ，右岸坡较陡( 约2 5 。8 0 。) ，而左 岸较缓( 1 5 。1 8 。) 。区域地震烈度估计约7 。8 。心墙与基础混 凝土廊道连接，廊道下为双排粘土一水泥浆防渗墙，并与基岩灌浆帷幕 相接。沥青混凝土心墙体积约1 0 1 0 4 m 3 ，心墙下游砂砾石过渡层厚为 6 0 m ，设计容重y - - 2 12 2 k n m 3 ，沥青混凝土骨料0 5 0 r a m 粒径占 6 0 ，5 1 0 r a m 占1 5 ，按重量比沥青含量b = 1 0 7 5 。 b o g u c h a n s k a y a 堆石坝，沥青混凝土心墙弯曲型布置，坝高h = 7 9 o m ， _ 卜 大连理工大学工程硕士学位论文 坝顶长1 8 6 0 m 。心墙厚为0 6 1 2 m 。沥青含量b = 1 2 ，用量约1 4 1 0 4 m 3 。该坝址多年平均气温为3 2 c ，年冰冻期为1 1 2 天。以上两坝址 气候条件比国内恶劣。 1 2 心墙防渗结构的综合评价 以往在修建堆石坝时，一般习惯于采用天然材料构筑防渗体，即所 谓“天然材料防渗体”。自从采用沥青等材料来构筑防渗体后，即出现 了所谓“人工材料防渗体”。它们之间经过比较后，可以看出沥青混凝 土防渗墙所具有的一些特点。 ( 1 ) 防渗性能比较好。碾压式沥青混凝土的渗透系数一般小于1 仃” 1 0 8 c m s ，浇筑式沥青混凝土实际上是不透水的。 ( 2 ) 适应变形能力比较强。沥青混凝土具有较好的柔性，基本能适应 各种不均匀沉陷。如果一旦发生裂缝后，在水流冲刷下，也不容易再进 一步扩大，甚至还有闭合自愈能力。当岸坡属于陡谷，土质心墙容易发 生裂缝，采用耐水的高塑性的沥青混凝土心墙能避免开裂。 ( 3 ) 由于不用防渗土料，因而可以少占用农田，保护耕地面积。对于 缺乏良好的天然土料的地方，更显示其优越性。 ( 4 ) 工程量减少，可以节省劳动力，加快施工进度。一般地讲，沥青 混凝土防渗体体积约为粘性土防渗体的1 2 0 1 5 0 。沥青混凝土防渗体 工程量小，使用劳动力集中，便于提高工效，加快施工进度。 ( 5 ) 沥青防渗体比土质防渗体易于施工，在多雨地区，更显示其优越 性。但是，在施工中需选择适当的沥青材料，要采用热施工，重视安全， 注意质量控制。 ( 6 ) 心墙结构与施工工艺简单，在恶劣气候条件下易保证浇筑层面接 大连理工大学工程硬士学位论文 合质量。浇筑速度快，可与主体工程同步进行，便于施工管理和质量控 制，因此可以缩短建设工期。而混凝土、粘土、碾压式沥青混凝土均不 宜冬季施工。 ( 7 ) 沥青混凝土的塑性性日甚可有效地吸收坝体超载引起的材料变形而 不影响其防渗性能，抵抗冲击能力较强，其耐久性、防渗可靠性、裂缝 自愈能力均优于面板混凝土。 ( 8 ) 与沥青混凝土面板相比；主要是耐久性好。心墙在水平面上浇筑， 可使用小型机械，密实性亦能满足要求。心墙基座与墙体结合紧密，止 水效果好。防渗心墙处于坝体内部，免受波浪冲刷和阳光照射，防冻防 晒，可避免裂缝和流淌。防渗体与坝体同时填筑，所以施工过程中便可 蓄水。 ( 9 ) 心墙的布置决定其帷幕接触带最短，抵抗动力冲击性能较强。且 能够承受较大剪切变形，室内试验表明，在发生1 4 的压缩变形和1 4 的侧向变形能保持抗渗性能。 1 3 主要工程特性研究 由于填筑技术、经济论证以及安全性分析等方面发展，最近几年出 现许多新式沥青混凝土防渗心墙坝型。设计者在总体上将心墙厚度减 薄，采用变截面布置；垂直心墙上部向下游倾斜变化，防止和减少防渗 墙内部应力；坝轴线由直立式逐渐向迎水面呈圆拱型变化等。其主要工 程特性如下。 1 3 1 不透水性及稳定性 堆石坝中沥青混凝土心墙必须满足防渗、稳定和变形性能，许多工 程实践和室内试验表明防渗是显然的，只要其孔隙率控制在2 0 。渗透 大连理工大学工程硕士学位论文 系数k 1 0 1 0 c m s 。 沥青混凝土的不透水性与结构型式无关，而与颗粒级配密切相关， 限制骨料数量和粒径即可保证不出现渗透裂隙。 试验研究表明主应力比 - - - 0 2 0 5 5 心墙是稳定的。 1 3 2 挠曲性能 库尔滨工程试验结果表明：沥青混凝土试件规格：4 0 0 x1 0 0x5 0 0 m m ( 长x 宽高) ，试验温度t = 6 t c ，两端简支梁问以0 2 0 5 m m h 速 率强压变形，出现裂缝时的挠跨比为( 1 3 3 2 5 7 ) ，远大于计算值。 其中碱性骨料比酸性骨料抗挠性好。 1 3 3 心墙裂缝自愈功能 裂缝自愈功能主要由以下二方面条件实现：一是心墙上下游过渡料 级配设计，具备颗粒充填阻塞裂缝功能；二是在渗透力作用下沥青混凝 土的局部流变，或压力水中气体逸出，气泡逐渐将毛细孔道隔断，导致 渗透系数随时间延长而减少。 沥青混凝土的愈合机理不同于土体的水化、膨胀、崩解特性。在心 墙上游侧过渡层填筑无凝聚性细料，随渗透水流充填裂缝使之进口阻力 增大，限制流速使之不产生连续渗流冲刷。若下游过渡层粗粒含量过高， 就不能有效截留裂缝中的冲刷颗粒，形成连续流而不能自愈。如果其孔 隙直径小于被冲刷土颗粒直径，就会淤填予b 墙与过渡层界面，加大出 1 2 阻力，减少裂缝中流速，创造愈合条件。其中与心墙接触部位的过渡 层颗粒构成最为关键。 结合西沟工程施工试验研究裂缝自愈功能。钢环试件内径r = 2 5 0 m m ， 防渗体长1 0 0 m m ，厚6 0 m m ，预置通缝宽0 5 i 5 m m 。按施工配合比设 大连理工大学工程硕士学位论文 计，石灰岩碎石d = 2 5 1 5 r a m 占1 3 ，d = 1 5 5 m m 占2 8 ；砂占5 1 ； 方解石粉8 ：胜利1 0 0 沥青b = 1 2 。试验沥青混凝土板底部设细砂透 水支承体，周围钢环内壁用相同级配沥青混凝土封闭，上部设水压室和 气压室，中间用软胶皮隔开，试验温度仁1 3 2 0 。当初始水压力 p = 1 0 0 k p a ，二组试件裂缝渗漏量q 分别等于2 2 9 、5 7 7 r a y s 。施工组合 压力p = 2 0 0 k p a ，气压q = 2 5 0 k p a ，经8 4 小时和3 8 4 小时后渗水量渐变为 零，裂缝基本自愈。 碧流河沥青混凝土心墙土石坝相同库水位渗流变化情况：实测四个 集水点，8 6 年3 月8 7 年2 月，q = 5 0 7 0 m y s , 8 7 年2 月8 8 年8 月， q = - 2 5 5 0 m y s ；8 8 年8 月8 9 年1 2 月，q _ 2 0 4 0 n 山s ；9 0 年1 月9 0 年7 月，q = 0 2 5 i i l l ，s 。可见总的渗流量逐年递减。阿尔及利亚格里布 坝，坝体不均匀沉陷导致渗漏，未加修补，几个月后邸行停止。库尔滨、 白河等工程大坝尚未发现明显渗漏。 俄罗斯研究的成果表明：随着降低沥青混凝土中沥青含量或提高其 粘度，沥青混凝土试件中的裂隙封闭过程变慢：当裂隙中的水温下降时， 裂隙封闭过程减缓；配合比中多余沥青含量超过5 ，结构中的压应力 不超过沥青混凝土流动极限，沥青混凝土中的渗水裂隙就可产生自愈现 象。所以，为发挥浇筑式沥青混凝土中渗水裂隙在建筑物运行过程中能 自愈的优越性应在选定的混凝土初次配比的基础上，依据预测的运行期 间沥青混凝土心墙的应力状态，进一步诃整混凝土配比，使其流动极限 接近心墙中的挤压应力值。 1 - 3 4 低温性能 结合库尔滨工程施工测定低温性能，将试件放入冷库恒温。试件尺 大连理工大学工程硕士学位论文 寸：4 0 0 x1 0 0 5 0 0 r n m ，材料配比：大庆沥青碴油各8 。5 ，控制软化点 5 0 5 5 ；混合骨料6 7 ；石棉4 ，石粉2 2 。 ( 1 ) 轴向拉伸试验成果表明：抗拉强度o 。随温度t 降低而逐渐增大， t 一- - 2 5 c 强度趋于峰值，此后渐减，t = 2 0 3 0 6 c 时沥青混凝土亦由塑性 向弹性转变，且负温下变形模量逐渐增大，拉伸变形随温度升高而增加。 ( 2 ) 低温抗压强度试验变形速度为2 2 8 m m m i n 直至破坏( 圆柱型 试件0 7 1 8 0 r a m ) ，其抗压强度与变形模量随温度的降低而增大，当t 。3 0 时出现峰值。 ( 3 ) 抗挠强度试验：小梁弯曲试件( 4 0 0 1 0 0 5 0 0 m m ) 净跨 3 5 0 r a m ，集中加载速度为( 5 0 0 1 0 0 0 ) k p a m i n ，直至破坏。试验结果 表明抗挠强度与变形模量随温度降低而逐渐增大，当t * 2 4 时抗挠强 度达峰值，t a 3 7 ( 2 时变形模量达峰值，此后随温度降低而下降。主要 原因是沥青超过脆化点温度( 仁1 8 c ) 后趋向脆性材料性质。负温时挠 跨比曲线较平缓，t o c 曲线渐陡。不同温度抗挠应力与挠跨比关系说明， 低温下沥青混凝土近似脆性材料特征，t o c 呈现塑性材料特性。 1 3 5 工作温度状态下的抗剪强度与变形性能 现阶段工程设计常用控制软化点的方法进行配合比设计。寒冷地区 沥青混凝土心墙运用期工作温度一般在2 2 0 c 。 ( 1 ) 抗剪强度：浇筑式沥青混凝土的抗剪强度取决于颗粒问沥青膜 的厚度及骨料的内摩擦角妒、工作温度和加荷速率。沥青含量越高，拌 和物问沥青膜就越厚，因为凝聚力c 越高，骨料间接触少，一值降低， 如西沟工程沥青含量b = 1 2 ( 胜利1 0 0 沥青) ，t = 7 * c 测得c = 3 9 0 k p a ： # 7 = 2 0 4 。当沥青含量较低时，b = 5 5 、6 5 、7 5 ，t = 5 0 c 测得( 2 - - 1 5 0 0 、 大连理工大学工程硕士学位论文 1 1 0 0 、8 5 0 k p a ；q ，= 2 1 0 、2 1 5 、2 2 0 。；当t = 1 5 测得c = 5 4 0 、2 7 0 、1 6 5 k p a ， q = 2 7 、2 9 、3 0 5 。可见随温度升高抗剪强度c 明显降低。 沥青混凝土心墙与其它材料结合面之间具有足够的抗剪强度。 ( 2 ) 变形性能：配合比设计：碎石d = 2 5 1 5 m m 占2 6 ；d = 1 5 5 m m 占2 5 ；河砂d 5 m m 占3 6 ；石粉占1 3 ，试验温度t - _ _ 4 2 0 。c 。当b = 1 3 ( 胜利1 0 0 沥青) 测得挠跨比仁( 8 4 4 1 0 1 ) ；相对伸长率e = ( 1 8 7 2 6 5 5 ) ；极限( 开裂) 挠曲强度0 庐o 9 3 k p a ；抗压强度o = ( 6 2 2 ，o ) m p a 。当b = 7 5 时变形性能明显降低，测得f - ( 5 3 6 8 4 3 ) ；= ( o 8 2 5 1 7 9 2 ) ：0 庐( 0 7 7 o 9 7 ) m p a 。 沥青混凝土的塑性性能使心墙在不减少坝体稳定性前提下，有效地 吸收坝体超载引起材料变形。能适应蓄水期坝体位移，承担和传递因自 重和水压力产生的压力，而不影响其防渗性。 与沥青混凝土面板相比：主要是耐久性好。心墙在水平面上浇筑， 可使用小型机械，密实性亦能满足要求。心墙基座与墙体结合紧密，止 水效果好。防渗心墙处于坝体内部，免受波浪冲刷和阳光照射，防冻防 晒，可避免裂缝和流淌。防渗墙与坝体同时填筑，所以施工过程中便可 蓄水。 心墙的布置决定其帷幕接触带最短，抵抗动力冲击性能较强。且能 够承受较大剪切变形，室内试验表明，在发生1 4 的压缩变形和1 4 的 侧向变形能保持抗渗性能。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 确定浇筑式沥青混凝土施工配合比，确定对原材料的选择原 则，探讨骨料离析与配合比的关系。 大连理工大学工程硬士学位论文 ( 2 ) 总结浇筑式沥青混凝土的工程特性和试验研究成果。 ( 3 ) 根据工程设计与建设的需要，对浇筑式沥青混凝进行变形 与强度的试验研究。 ( 4 ) 压缩蠕变性能试验研究。 2 原材料与配合比选择原则 2 1 浇筑式沥青混凝土的定义 浇筑式沥青混凝土施工，不需要对混凝土拌和物进行碾压或振捣， 只需简单地将一定温度( 1 5 0 1 6 0 c ) 的混凝土拌和物( 按重量百分比 口= l o 5 16 - 5 ) 直接浇筑摊铺到模板或沟槽形成的仓体内，利用热态 拌和物的流动性使拌和物在仓内自身流平，且在流平及自然冷却的过程 中，借用拌和物的容重自身压实，能达銎 设计规定性能指标的沥青混凝 土称为浇筑式沥青混凝土。 2 2 石油沥青的选择及其主要技术性能 2 2 1 浇筑式沥青混凝土石油沥青的选择 石油沥青的品种应根据工程的类型、等级、工作条件以及气候条 件、配合比类型( 碾压式或浇筑式) 、材料价格等因素选用。目前，国 内外各种碾压式水工沥青混凝土所用的石油沥青，多为针入度4 0 1 0 0 的石油沥青。在气温较高的地方，大多采用针入度较小的沥青。在气 温较低的地方，则采用针人度较大的沥青。 浇筑式沥青混凝土是无孔隙型的沥青混凝土，其矿料孔隙全部由沥 青充填并有剩余。其沥青材料宣选用抗流变性好和感温系数小的石油沥 青。 大连理工大学工程硕士学位论文 沥青的针入度指数愈大，其抗流变性能愈好。一般氧化沥青和部分 多蜡的直馏沥青，其针入度指数均大于+ 2 ，具有抗流变性能较好的特点， 使用这类沥青是适宜的。因此，对浇注式沥青混凝土，可采用建筑沥青、 普通道路沥青，必要时也可选用普通石油沥青或掺配适量的减压渣油以 改善其施工特性。 我国地域辽阔，各地气象条件、工程条件等差别较大，很难设想有 某一种沥青髓够满足各种变化的条件。因此，在选用沥青时，一定要做 到因地制宜，取长避短，根据不同工程性质去选取不同性质的石油沥青。 选用的沥青还必须结合工程实际，进行试验和论证。 2 2 。2 水工石油沥青的主要技术性能 ( 1 ) 粘度与针入度粘结力是指沥青材料在外力作用下，沥青颗粒 间产生相互位移时抵抗变形的能力。 当剪切应力与剪切速率之比为一常数时，称为牛顿液体的粘度。而 沥青是一种复杂的胶体物质，只在高温时( 例如加热至施工温度时) 才 接近于牛顿液体；而当沥青处于常温时，则表现为粘弹性体。在不同 的剪切速率下，表现出不同的流变性质。因此，沥青的粘度与剪切应力、 剪切速率之比并非线性关系。当液体的剪切应力与剪切速率之比不是一 个常数，则称为非牛顿液体。由于沥青粘度测定方法比较复杂，目前我 国粘稠沥青技术标准多采用针入度来评定。 针入度试验方法见我国的s y 2 8 0 1 - 7 7 石油沥青针入度测定法。沥青 的针人度是沥青试样在规定温度条件下，以规定荷重的标准针，在规定 的时间内贯入试样中的深度。单位以l l o m m 表示。 我国粘稠沥青技术标准规定针入度条件为2 5 c ，荷重l o o g ，时间5 s ， 一1 1 一 大连理工大学工程硕士学位论文 即p ( 2 5 c 、1 0 0 9 、5 s ) 。可按下式计算“针入度温度指数” 用以表示沥青温度稳定性。 p r ，：韭坠! 鱼擘：里l 韭罂幽 p 。c 1 0 0 9 , s s ， ( 简写为p - t i ) ， ( 2 1 ) 沥青的针入度p 与绝对粘度r l ( p a s ) 之间的关系可用下式表示： 。1 5 8 x 1 0 9 ( 2 - 2 ) 町2 矿 因此可以认为，沥青针入度即是沥青在一定温度条件下的粘度，简 称“等温粘度”。针入度愈大，粘度则愈小，沥青就愈软。我国粘稠石 油沥青中的道路沥青、普通沥青以及建筑沥青的等级，就是按针人度值 来划分的，故亦称“针入度级沥青”。沥青针人度，是工程上选用沥青 材料的主要根据之一。 沥青针入度指数( p i ) 越大，感温性越小，抗流变能力越强。为了 使浇筑沥青混凝土防渗墙在运用中不产生过大的自重流变，应采用针人 度指数较大的沥青。根据实践经验和试验研究表明：为满足浇筑式沥青 混凝土防渗墙抗流变的要求，宜采用p i 值大于1 0 的溶凝胶型或凝胶 型沥青。 针入度指数p i 可按下式求得： ：旦一1 0 ： a ：l 0 9 8 0 0 - l o g p ( 2 3 ) 靠一2 5 式中a 一感温系数； 卜温度2 5 c 的针入度： 一1 2 _ 一 大连理工大学工程硕士学位论文 t r 软化点( ) 。 采用两种沥青掺配或在沥青中加入掺料，可调整沥青的软化点、针 入度和延度。因掺配沥青的性能与所用的沥青品种、生产工艺、胶体结 构等因素有关，虽可用经验公式估算其掺配比例，但最终还必须经试验 确定。 ( 2 ) 软化点沥青是一种高分子非晶态物质。它没有明显的熔点， 它从固态转变为液态两者之间有很大的温度间隔，因此选择在粘塑态时 的一种条件温度为软化点。最常用的测验方法为“环球法”，软化点的 计算表达式为： 矗一l = 0 8 7 2 1 ( t 0 一丁) + r ( 2 - 4 ) 式中：t r 广沥青软化点( 环球法) ， t 0 液化点，；t - 一固化点， 我国现行石油沥青软化点测定法( 环球法) ，试样是在规定尺寸的铜 环内( 内径；上口1 7 4 6 m m ，下口1 5 8 8 m m ，高6 3 5 m m ) 上置规定尺 寸和重量的钢球( o9 5 3 m m ，重3 5 9 ) 放于水( 估计试样软 化点低于8 0 c 时) 或甘油( 估计试样软化点高于8 0 c 时) 中，以5 m i n 的加热速度加热，使试样软化两下沉达到规定距离( 2 5 4 m m ) 时的 温度为软化点，以表示。 软化点是测定沥青材料达到固定条件粘度时的温度，即“等粘温度”， 用环球法测定软化点时的沥青的粘度为： 钉：旦 ( 2 5 ) o b c 式中o 作用于试样的剪切应力，p a ； 岔试验结束时的剪切挠度； 大连理工大学工程硬士学位沦文 b 一温度上升速度，s ； r 试验常数，l 。 上式可以改写为： 蟹：i!曼皇：21103(pas)19 3 。xo 0 8 3 3 xd 1 6 8 “ 因此可以认为沥青软化点则是“等粘温度”，而沥青针人度则是“等 温粘度”，都是沥青粘度的不同表示形式。一般来说，同一种原油所得 的沥青针人度可与软化点进行换算。但不同原油所锝的疆青，即使具有 相同的针入度，而软化点可以相差很远，故我国沥青技术标准把两者均 列入控常8 项目。 沥青软化点愈高，则表示沥青的温度稳定性愈好，它在一定程度上 反映沥青的感温性能，是工程上选用沥青材料的主要依据之一。 ( 3 ) 延伸度一般认为沥青的延伸度，即表示沥青的塑性。所谓塑 性就是指沥青在一定温度条件下，承受一定的外力作用而产生的不可恢 复的变形。其适应变形能力的大小，以延伸度来表示，延伸度愈大，煲1 j 塑性愈好。 石油沥青延伸度测定法是将沥青试样制成8 字形标准试件( 最小断 面l c m 2 ) ，在规定温度下，在比重接近沥青的液体中，以一定速度延伸 至拉断的长度称为延伸度，以c m 表示。非经另外规定，温度为2 5 ， 拉伸速度为5 0 5 c i h ，m i n 。但是有时为了测定沥青的低温延伸度，往往 采用不同规定：温度为1 5 、速度5 e r a r a i n ，或温度o 、速度i c m ，m i n 等。 对于延伸度。各国存在着一定的分歧，主要认为沥青延伸度与沥青 大连理工大学工程硬士学位论文 混凝土的技术特性之间的相关性不十分明显。但最近有关工程资料统计 表明，4 低温延伸度和路面质量的关系十分密切。在我国，粘稠石油 沥青技术标准对沥青延伸度有明确规定，沥青延伸度也是选用沥青材料 主要根据之一。一般来说，选用粘稠石油沥青都比较关心沥青的针人度、 软化点和延伸度，即所谓沥青三大指标。这三项指标可以基本上反映沥 青性质，它们之间有着相互联系。这三项试验是较为古老的试验方法， 它确实存在一些缺点，但是它已由前人至今作了大量工作，积累了极为 丰富的资料，并为世界各国所公认，是目前世界上大多数国家评价沥青 性能和分类的主要指标。因此在今后工程实践和科研活动中仍要使用这 些古老方法，以便相互比较。 ( 4 ) 脆点沥青材料随着温度的降低，由粘一塑性状态逐渐转变为 弹脆性状态，因而表现为塑性逐渐减少，脆性逐渐增加。沥青低温时 的变形性能是水工沥青的一个极为重要的指标。目前除了进行低温延伸 度试验外，较多地采用产生条件脆裂时的温度，即所谓“脆点”来表示。 多年来许多研究者致力于沥青脆点确定方法，但是至今还没有找到一个 公认的满意的试验方法。由于试验方法的不同，相同的一种沥青可以得 到非常不同的结果，为取得一致的可比性，目前世界各国多采用a 弗 拉斯建议的方法( 以下简称弗氏法) 。 按弗氏法的定义，沥青脆点的测法是：0 ：4 1 c m 3 的沥青试样，均分 在( 4 1x 2 0 ) 1 1 1 1 1 1 2 面积的标准金属片上，此金属片装置在脆点仪弯曲器 的夹钳上，以稍弯曲地置于间距为4 0 r a m 的夹钳中，将弯曲器置于每分 钟降低1 德瓦尔真空器中，均匀摇动手柄，以每秒钟1 圈的旋转手柄 的速度、用l l s 时间使夹钳间距由4 0 r a m 缩至3 6 5 m m ，迫使夹钳所夹的 一1 5 一 大连理工大学工程硕士学位论文 涂有沥青的金属片弯曲。同时又以同样速度使夹钳恢复至起始位置。如 此每降i ，进行弯曲试验一次。当金属片上的沥青涂层出现第一次裂 缝时的温度即为脆点。应当着重指出，弗氏脆点试验法的试验重复性较 差。 弗氏脆点测定法在水利工地现场试验室测定起来比较困难。由于水 利工地往往远离城镇，而试验时又需要干冰作为制冷荆，采购、运输都 很困难。为此可采用下列方法作简易测定，以供参考。 首先，熔化沥青并倾倒在金属板上，使沥青层厚度约1 6 m m ，沉没 在2 1 ( 熔化和倾倒沥青时，其温度应不超过软化点1 1 ) ，然后将试 件放在冷冻室内降至某一温度，并保持5 m i n ，用刀尖插入沥青层，刀片 几乎与金属板平行，然后以刀背为轴，尽量迅速地旋转刀片。当旋转刀 片时，沥青层不再伸张。而是突然剥落，这时的温度，就是沥青的脆点。 2 3 填料的选择 2 3 1 填料的作用爰其技术要求 填料是指粒径在0 0 7 4 m m 以下的极细的矿料，又称矿粉。填料与 沥青组成沥青胶结料，在沥青混凝土中起粘结作用，并填充粗颗粒间的 空隙。填料沥青体系是填料在沥青中的悬浮体，可以使填料均匀分 散在沥青中，从而降低了沥青的感温性，增加了它的粘结力、粘度和韧 性。 常用的填料有石灰岩粉、白云岩粉、水泥等碱性矿粉，其亲水系数 应小于1 。亲水系数是矿粉吸附水分和吸附煤油体积的比值。亲水材料 制成的矿粉，其体积在水中膨胀比在煤油中大，因而亲水系数也较大。 憎水性材料制成的矿粉则在煤油中具有较大的体积，因而这类矿粉的亲 一1 6 _ 一 大连理工大学工程硬士学位论文 水系数小于1 。填料中要求小于o 0 7 4 m m 的颗粒含量大于7 0 ，含水量 不大于o 5 ，应不含泥土、有机物等杂质，要防止微粒固结成块。 2 3 2 填料与沥青界面的吸附性 在沥青与填料体系中，存在着固体与粘性液体之间的吸附，影响吸 附机理的主要因素是沥青的化学组分和填料的性质。例如，沥青与消石 灰之间的吸附是很高强度的化学吸附，沥青与硅质填料之间的吸附是强 度很低的物理吸附。在发生化学吸附时，界面上产生新的化学键合时， 放出大量的热。物理吸附放出的热量是很低的，且主要取决于填料的比 表面积。 释放热量的差别，反映了填料的表面活性的大小。表面活性大的填 料，容易均匀地分散在沥青中，可以使沥青产生较大的硬化效应，还能 降低沥青混凝土的膨胀系数。 添加2 - 4 熟石灰，可以改善沥青混合物的结构机构性能，保 持较高强度的同时，提高了沥青混凝土的低温变形能力a 2 3 3 填料的稳定指数 沥青和填料的混合物一般称为沥青胶，沥青胶的粘度有如下关系式： r 。= c - 1 0 ” ( 2 - 6 ) 式中：q 。为沥青胶的粘度； 卜为填料在沥青胶中所占的体积百分数； a 是沥青胶的粘度与填料体积百分数关系曲线的斜率； c _ 为纯沥青的粘度。 由于填料的活性和形状都不相同，它的稳定指数也有较大差别，用 以下公式定出各种填料的稳定性指数： 大连理工大学工程硕士学位论文 s i = 1 0 0 ( 1 0 4 - 1 ) ( 2 - 7 ) 根据以上公式可知，不同填料虽加入量相同，对提高沥青的粘度是 不同的。 2 3 4 填料的选用 目前，国内外广泛采用石灰岩粉做为沥青混凝土的填料，这主要是 因为石灰岩粉是碱性矿物，亲水系数介于0 7 5 0 8 5 之间，它与沥青界 面能产生物理化学反应。在其表面形成的沥青膜，在水的长期浸泡下也 不会产生剥离现象。 石灰岩是沉积岩，在沉积过程中也可能混入其他杂质。用作填料的 石灰岩粉，在盐酸中不溶解的残留物不应超过5 。石灰岩粉除了具备 优良的技术性能外，还具有储量大、成本低的特点。因此，它是优先选 用的填料。 水泥用作填料，沥青混凝土中的骨料可以使用酸性石料。东北勘测 设计研究院的试验研究证明，用水泥作填料，用酸性石料作为骨料制作 的沥青混凝土，经过7 年水的长期提泡，而其水稳定系数仍达到0 8 5 以 上，完全满足水工沥青混凝土的耐水性要求。 2 4 骨料的选择 骨料性质对沥青混凝土的技术性能有重大影响。骨料性质是指级配、 形状、表面特性、硬度、耐久性i 热稳定性及粘附性等一这些性质中骨 料和沥青的粘附性，在水工沥青混凝土中显得特别重要。粘附性取决于 骨料的性质和沥青的性质。碱性骨料通常比酸性骨料的粘附性好。在工 程实践中，必须优先选用能与沥青粘结良好的碱性骨料。沉积岩中石灰 岩、白云岩为碱性岩石，与石油沥青粘附性较好。岩浆岩应根据其二氧 一1 8 大连理工大学工程硕士学位论文 化硅含量的多少确定岩石的酸碱性。如s i o ：含量大于6 6 为酸性，s i o ， 含量在5 5 6 6 范围内为中性，s i o ：含量小于5 5 为碱性。常用的碱 性岩浆岩有玄武岩、辉绿岩等。 若采用酸性骨料，可采用水泥和熟石灰作为部分填料乃至全部填料， 用以作为防止沥青和骨科剥离的材料，其防止剥离的效果是十分显著 的。但是，对于熟石灰尚需要研究出施工性能良好的配合比。 2 4 1 粗骨科 粗骨料是指粒径大于2 5 m m 的矿料。用于拌制水工沥青混凝土的粗 骨料与沥青的粘结力，一般不应低于4 级，否则将不能选用。 石料与沥青牯结力的试验方法，是将粒径为2 5 m m 左右的石子洗净、 烘干，然后用线缚好，在1 6 0 1 8 0 c 的烘箱内加热l h ，取出后迅速浸 入加热至1 6 0 1 8 0 4 c 的沥青中，经1 5 s 后提出，挂在支架上使多余沥青 流出，经1 5 r a i n 后，将已冷却的石子浸入煮沸蒸馏水中，煮了3 m i n 后， 根据当时颗粒表面沥青膜的情况，评定粘结力等级。 对粗骨料的技术要求，取决于沥青混凝土的类别、用途。一般要求 清洁、坚硬、焉吏久、均匀，要清除灰尘、粘土及其它杂质。粗骨料表面 要求粗糙、多棱角，针片状颗粒含量要少，加热过程中质地不变化。粗 骨料的形状和表面粗糙程度以及级配等，对沥青混凝土影响较大。粗骨 料的级配应保证与其它矿料混合时，能使混合料符合最大密实度的要 求。 2 4 2 细骨料 细骨料是指粒径在2 , 5 0 0 7 4 m m 之间的矿料。一般可用 可砂、山砂、 海砂、人工砂，或天然和人工的混合砂。天然砂长期与周围的介质和水 大连理工大学工程硕士学位论文 接触，砂表面能形成一层薄膜物质，这层薄膜物质是各种矿物和有机化 学物的复杂的综合物，它必然对砂与沥青的粘结力起决定性作用，因此 必须对其进行试验研究。细骨料要求清洁、坚硬、耐久，不能被粘土、 粉砂和其它有害物质包裹，也不能含有粘土块、淤泥及其它杂质。细骨 料必须具有适当的级配，还应通过试验确定其水稳定性等级，一般不得 低于4 级。 2 5 配厶比选择 2 5 1 配合比选取原则 依据浇筑式沥青混凝土心墙的施工工艺和运行状况，确定对其配合 比的主要技术要求是：具有一定的骨架性、浇筑时能流动，在工艺温度 下和冷却过程中不发生骨料离析、易于自身压实。 沥青混凝土的骨架性决定着混凝土的力学性能，而骨架性能取决于 混凝土的矿料组成，尤其是影响混凝土密实性的粗骨料的