沥青混凝土心墙配合比设计中参数的选择探析★

慈 军 刘 健 陈英杰

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

·建筑材料及应用·

沥青混凝土心墙配合比设计中参数的选择探析★

慈 军 刘 健 陈英杰

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

针对沥青混凝土心墙配合比设计中对矿料级配及沥青用量等参数合理取值的问题，结合国内已建的沥青混凝土心墙工程，从矿料级配的选择及沥青用量的选择原则上进行了探讨和分析，结果表明：对沥青混凝土配合比设计参数的合理取值，可以保证配合比设计的准确性，同时也可以优化配合比方案。

沥青混凝土心墙，配合比，设计参数，沥青用量

0 引言

沥青混凝土具有很好的抗渗性能，渗透系数可达10-7cm/s～10-10cm/s，同时沥青混凝土还因具有较好的塑性和柔性，能适应坝体的变形而得以在许多水利工程中广泛应用。水工沥青混凝土配合比设计的主要任务就是对各项设计指标提出要求，选出技术上可靠、经济上合理的配合比[1]，以便保证工程的安全可靠性。配合比设计工作通常包括室内配合比设计试验和现场铺筑试验两部分：通过对现场取样的沥青、粗细骨料检验及分级后进行室内配合比试验，优化矿料级配及沥青用量等各配比参数，确定出标准配合比[2]；现场铺筑试验则是根据现场矿料的实际筛分结果和试铺试验的实际效果，对标准配合比中的矿料级配及沥青用量这两个配合比参数进行适当的调整，从而保证浇筑的沥青混凝土的孔隙率及马歇尔强度和稳定度等指标均能满足工程设计的要求。

1 矿料级配的选择

在沥青混凝土的组成材料中，各级矿料的级配组成对沥青混凝土的物理、力学性能影响很大。各级矿料在级配良好的情况下，可以最大程度上减小矿料颗粒间的空隙率，使成型后的沥青混凝土达到较为紧密的状态，从而可最大限度地发挥沥青混凝土结构强度的效能，保证沥青混凝土具有良好的综合性能。

1.1 骨料

1.1.1 骨料种类

沥青混凝土骨料包括粗骨料和细骨料。粗骨料一般要求采用坚硬、无风化、洁净且与沥青粘结力良好的碱性岩石。细骨料可选用人工砂或天然砂[3]，人工砂多为碱性母岩破碎形成，与沥青的粘附性较好，因而多将人工砂作为首选考虑。天然砂固然多为酸性骨料或含酸性矿物及泥质较多，但天然砂一定比例地取代人工砂后具有可改善整体矿料的级配以及可降低沥青混凝土成本的优点，使得在一些水利工程中采用天然砂与人工砂掺配使用也同样取得了良好的效果[4]。

1.1.2 骨料最大粒径

骨料最大粒径对沥青混凝土的防渗效果有影响。骨料粒径过大，使沥青混凝土的匀质性降低，容易形成渗漏通道，降低防渗效果；粒径过小，沥青混凝土的强度降低，变形增大。

通常对于防渗沥青混凝土粗骨料的最大粒径不应超过压实后的沥青混凝土层厚度的1/3，且不应大于19 mm[5，6]。理论计算及大量工程实践证明，水工沥青混凝土骨料最大粒径取19 mm是较适宜的。国内几个水工沥青混凝土工程中所使用的骨料最大粒径情况见表1。

表1 国内水工沥青混凝土工程混合料骨料最大粒径 mm

1.2 填料

1.2.1 填料种类

填料通常是指矿料中颗粒粒径小于0.075 mm，且能够较好在沥青中高度分散并与沥青很好地粘结在一起用于填充其他各级矿料间空隙的材料。工程中通常采用的填料多为石灰岩、大理岩及白云岩等碳酸岩石加工而成，当加工填料的石料岩性偏酸性或加工的矿粉填料数量及质量不能满足工程需求时，此时可考虑选用有足够细度的水泥作为填料来替代矿粉，可有效改善骨料与沥青的粘附性，保证沥青混凝土的水稳定性。

1.2.2 填料用量

填料数量的多少对沥青混凝土的力学性能影响较大。通常以填料浓度的大小来表征沥青胶结料的粘度和强度：当填料浓度较大时，填料表面形成的沥青膜的厚度减薄，混凝土内部能够形成许多细小的封闭孔隙，沥青胶结料的粘度和强度会随之提高，从而也会使沥青混凝土获得较大的稳定性；当填料浓度较小时，沥青混凝土内部多形成连通的开口孔隙，沥青混凝土的力学性能及耐久性性能均会不同程度地降低。因此，填料用量是沥青混凝土配合比设计的一个关键技术指标，应做好对填料用量的实时控制[7，8]。

填料用量和沥青用量比例调整适宜可使沥青混凝土获得较低的孔隙率及良好的技术性能。在改变沥青用量的同时，也应相应地改变填料用量，二者之间存在的最佳比例关系一般在1.9左右，这样配得的沥青混凝土的孔隙率可在规程允许范围之内。SL 501—2010土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范中(以下表述简称设计规范)推荐的碾压式沥青混凝土心墙材料的填料用量范围为10%～14%；浇筑式沥青混凝土心墙材料的填料用量范围为12%～18%。

1.3 矿料的标准级配

水工沥青混凝土的矿料标准级配设计通常是根据设计规范中丁朴荣教授提出的丁氏公式计算获得。丁氏公式是基于泰波公式，而泰波公式又是将级配接近抛物线状的富勒曲线进行相应调整，允许集料的级配在一定的范围内波动。丁氏公式则是考虑填料的取值会影响到沥青混凝土的相关技术性质的变化，故先将填料用量确定出来。

丁氏级配公式为：

其中，Pi为孔径di筛的通过率，%；P0.075为粒径小于0.075 mm填料用量，%；Dmax为矿料最大粒径，mm；di为某一筛孔尺寸，mm；n为级配指数。

从上述丁氏级配公式中可以看出：在骨料最大粒径和填料用量已确定前提下，级配指数对矿料的标准级配影响较大，该指数可以表征矿料中粗、细骨料含量的比例：级配指数越小，则矿料中细骨料部分的含量越多；级配指数越大，则矿料中粗骨料部分的含量越多。

目前，国内碾压式沥青混凝土心墙材料的矿料级配指数多在0.38～0.42之间取值，设计规范中推荐碾压式沥青混凝土级配指数的范围为0.35～0.44。西安理工大学的学者认为，矿料级配指数在0.34～0.42之间变化，可以使矿料达到较大的堆积密度。对于浇筑式沥青混凝土，级配指数可以取值小一点。设计规范中推荐浇筑式沥青混凝土级配指数取值范围为0.30～0.36。

2 沥青

2.1 沥青种类

在沥青混凝土组成材料中，沥青作为胶结矿料的载体，其稳定性对沥青混凝土的力学性能影响较大。为提高碾压式沥青混凝土的稳定性，通常选用标号较高的沥青(如70号或90号)；对于浇筑式沥青混凝土而言，因考虑其油石比较大，为防止沥青混合料分离流变而一般选用标号较低的沥青(如50号)。

2.2 沥青用量

通过以上参数的选择，就可计算出矿料级配的设计值。在确定出矿料合成级配后，沥青用量成为影响沥青混凝土性能的唯一因素，工程中对沥青混凝土的沥青数量是用沥青用量或沥青含量来表示的。

沥青用量(或称油石比)系指沥青材料质量与矿料总质量的比率[9]，即：

沥青含量系指沥青材料质量占沥青混凝土总质量的比率，即：

两个量之间的关系：

显然，沥青含量数值要小于沥青用量数值。由于沥青用量在计算、配料、调整以及操作等方面较方便，常为工程人员使用。沥青用量通常对沥青混凝土的密度、强度、水稳定性等性质影响较大，对于沥青混凝土心墙材料不仅有强度上的要求，而且有适应变形的性能(即在一定温度和荷载作用下不易开裂的塑性)的要求。因此，在沥青混凝土的组成结构中还应保持一定“自由沥青”的数量。从而对于沥青用量的问题，也就成为如何选择自由沥青用量的问题。

设计规范中推荐碾压式沥青混凝土心墙中的沥青占沥青混凝土总重(沥青含量)为6%～7.5%；浇筑式沥青混凝土心墙中的沥青占沥青混凝土总重(沥青含量)为9%～13%。国内的几座水工沥青混凝土的沥青用量情况见表2。

表2 国内水工沥青混凝土工程沥青用量

从表2中可以看出以上几个工程的沥青用量均在规范推荐范围之内，其中下坂地工程因其心墙坐落在深厚覆盖层上，为增加沥青混凝土心墙的柔性以适应地基的较大变形，因而选用了较大的沥青用量。

3 结语

1)沥青混凝土配合比设计旨在合理选择各级矿质材料的级配组成和沥青用量这两大参数，以便正确的指导沥青混凝土配合比设计。2)沥青混凝土配合比设计参数的合理取值，一方面可以保证配合比设计的准确性，另一方面也可以优化配合比方案，减少试验工作量，提高工作效率。3)通过沥青混凝土室内配合比设计得到的矿料级配和沥青用量参数应该在现场试铺试验中进行进一步的验证，并根据现场各级矿料的实际分布情况通过级配调整使配制出来的沥青混凝土满足工程设计要求。

[1] 丁朴荣.水工沥青混凝土材料选择与配合比设计[M].北京：水利水电出版社，1990：117-120.

[2] 慈 军，葛毅雄，努尔开力·依孜特罗甫，等.正交设计在浇筑式沥青混凝土心墙坝中的应用[J].水资源与水工程学报，2012(6)：62-64.

[3] 吕伟民.沥青混合料设计原理与方法[M].上海：同济大学出版社，2001：15-26.

[4] 慈 军，李双喜，努尔开力·依孜特罗甫.掺不同细骨料的碾压式沥青混凝土的力学试验研究[J].水利与建筑工程学报，2012(4)：50-75.

[5] SL 514—2013，水工沥青混凝土施工规程[S].

[6] SL 501—2010，土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范[S].

[7] 慈 军.人工细集料中的矿粉含量对碾压式沥青混凝土稳定性的影响[J].中国农村水利水电，2014(6)：180-185.

[8] 慈 军.沥青混凝土配合比设计后矿料级配调整分析[J].人民长江，2014(6)：68-70.

[9] 张怀生.水工沥青混凝土[M].北京：中国水利水电出版社，2005：419-420.

The mix ratio design of asphalt concrete core in the choice of parameters analysis★

Ci Jun Liu Jian Chen Yingjie

(HydraulicandCivilEngineeringCollegeofXinjiangAgricultureUniversity,Urumqi830052,China)

Toward how to reasonable selection the mineral aggregate gradation and the asphalt content in parameter design of asphalt concrete core, the selection principle was discussed and analysed respectively from the mineral aggregate gradation and asphalt content which through combined with the existing domestic asphalt concrete projects, the result shows that the reasonable selection of the design parameters, on the one hand can guarantee the accuracy of the mixture ratio design, on the other hand can also be optimal mixture ratio.

asphalt concrete core, mix ratio, design parameters, asphalt content

2015-02-27★：新疆水利水电工程重点学科基金资助(项目编号：xjzdsk-2002-10-05)

慈 军(1977- )，男，硕士，讲师

1009-6825(2015)13-0119-02

TU528.42

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