CN106904872A - 一种破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土 - Google Patents

一种破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土 Download PDF

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严建军
周世华
石妍
陈霞
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张建峰
吕兴栋
张亮
高志扬
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Abstract

本发明提供一种破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土，由沥青、破碎天然砂砾石骨料、填料和非胺类抗剥落剂组成，其中沥青、破碎天然砂砾石骨料、填料按照如下质量百分比配比：沥青6.4％～6.7％、破碎天然砂砾石骨料80.3％～82.6％、填料11％～13％，非胺类抗剥落剂占沥青质量的0.3％～0.5％，破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土矿料的级配指数为0.38～0.40。本发明可采用全部破碎天然砂砾石料作为水工沥青混凝土主要的原材料组分，配制破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土，可满足水工沥青混凝土性能，降低工程成本，技术经济效益显著，采用非胺类抗剥落剂提高酸性骨料与沥青的黏附性，保障水工沥青混凝土的长期水稳定性及长期工程安全。

Description

一种破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土
技术领域
本发明涉及水工沥青混凝土技术领域，具体是一种破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土。
背景技术
沥青混凝土应用于土石坝中相对较晚，世界上最早建成的沥青混凝土心墙坝是1949年葡萄牙的瓦勒多盖奥(Vale De Caio)坝，坝高45m。由于工程师对沥青材料的认识尚浅，而且心墙较薄并设置在坝体内部，不宜检查，若大坝发生渗漏，修复较为困难，除此之外，施工技术和施工设备的落后也是造成早期沥青混凝土心墙发展比较迟缓的原因。随着水工沥青混凝土现代化技术的发展，沥青质量的优化，机械化施工程度的提高，同时心墙处于坝体的坝壳料和过渡料之间，有很好的稳定性，受外界自然条件影响小，不易老化，耐久性好，能够适应坝基和坝体的变形，通常基础处理工作量也较小，而且心墙施工工艺简单，因此近年来沥青混凝土心墙坝发展迅速。
沥青混凝土心墙坝具有优越的抗渗性能、适应变形能力、裂缝自愈能力、抗震性能、环境适应性和安全性、严寒条件下亦可施工以及整个心墙无须设置结构缝等优点，正在被越来越多的工程技术人员所接受，并且已逐步成为土石坝筑坝技术应用的主要坝型之一。国际大坝委员会(ICOLD)在1992年第84号公报中曾指出：沥青混凝土心墙土石坝是“未来最高坝适宜的坝型”。在International Journal on Water Power&Dams 2014年年报上注册的沥青混凝土心墙土石坝有156座，国外有81座，国内有75座。建坝较多的国家有：中国、德国和挪威。
目前，随着我国西部大开发，沥青混凝土心墙坝已被大量应用于水利水电工程，但是传统观念认为水工沥青混凝土防渗结构中，碱性骨料可以与沥青中的表面活性物质产生化学吸附，有很好的黏附性，酸性骨料与沥青主要是物理吸附作用，与沥青的黏附性和耐久性无法保证，在长期浸水作用下，沥青膜易被水逐渐置换而从骨料表面剥离，从而导致结构破坏。
自然界中碳酸盐类岩类的分布仅占岩石总量的0.25％，我国西部很多地方碱性骨料资源有限。在水利工程中的很多坝区，不一定都能找到满足工程要求的碱性岩石料源，即使在一定距离范围内发现有碱性岩石料源，也需要进行人工破碎岩石等，造成污染大、能耗高，再加上运输成本等，使得工程造价较高。
许多水电工程坝区具有广阔的山涧河滩、戈壁，天然砂砾石资源极为丰富，尤其新疆。然而，天然砂砾石中骨料品种复杂，既有碱性岩石又有酸性岩石，以花岗岩和石英岩居多。按照现有技术还无法直接使用当地矿产资源天然砂砾石料作为水工沥青混凝土主要的原材料组分。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明的目的是利用当地筑坝材料，采用破碎天然砂砾石料进行水工沥青混凝土配合比，提出了适用于沥青混凝土心墙坝的一种破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土，其可在确保大坝安全的前提下，起到节约成本、加快工程进度等效果，具有显著的技术经济效益。
本发明采用的技术方案是：
一种破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土，由沥青、破碎天然砂砾石骨料、填料和非胺类抗剥落剂组成，其中沥青、破碎天然砂砾石骨料、填料按照如下质量百分比配比：沥青6.4％～6.7％、破碎天然砂砾石骨料80.3％～82.6％、填料11％～13％，非胺类抗剥落剂占沥青质量的0.3％～0.5％，破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土矿料的级配指数为0.38～0.40，采用丁朴荣教授基于富勒(Fuller)公式提出的矿料级配公式确定。
进一步的，所述破碎天然砂砾石骨料为酸性骨料。
进一步的，所述沥青为90号石油沥青。
进一步的，所述非胺类抗剥落剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的匀强oR-EASA100沥青抗剥落剂(非胺类)。
本发明具有如下优点：
(1)充分利用当地原材料
目前国内没有采用全部破碎天然砂砾石料在沥青混凝土心墙坝中的应用，本发明充分利用当地矿产资源天然砂砾石料作为水工沥青混凝土主要的原材料组分，配制破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土，可满足水工沥青混凝土性能，降低工程成本，技术经济效益显著。
(2)采用非胺类抗剥落剂，提高水工沥青混凝土耐久性《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》(DL/T5411-2009)中，对沥青混凝土骨料选用提出：粗骨料宜采用碱性岩石(石灰岩、白云岩等)破碎的碎石。当采用未经过破碎的天然卵砾石时，其用量不宜超过粗骨料用量的一半；当采用酸性碎石时，应采取增强骨料与沥青黏附力措施，并经试验论证。本发明采用非胺类抗剥落剂，其特点是热稳定性和耐久性较好，提高酸性骨料与沥青的黏附性，保障水工沥青混凝土的长期水稳定性及长期工程安全。通过采用破碎天然砾石料水工沥青混凝土长期浸水性能试验，并与灰岩骨料水工沥青混凝土进行对比试验，试验结果表明破碎天然砂砾石水工沥青混凝土能够满足沥青混凝土心墙坝要求。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土的配制方法，包括以下步骤：
(1)明确设计指标
工程概况：新疆奴尔水利枢纽工程位于奴尔河中下游河段，属新疆维吾尔自治区和田地区策勒县境内的奴尔河控制性工程，是一项以灌溉、防洪为主，兼顾水力发电的综合性水利工程。水库总库容0.68亿m3，拦河坝坝高80.0m。大坝为碾压式沥青混凝土心墙坝，沥青混凝土心墙总填筑量3.38万m3，混凝土防渗墙面积1.31万m2。
奴尔河山区历年极端最高气温36.4℃，极端最低气温-22.5℃，多年平均气温4.7℃，多年平均年降水量195mm，多年平均年蒸发量1267mm。最冷月平均气温-5.3℃。多年平均年最大风速11.6m/s，最大冻土深度87cm。
新疆奴尔水利枢纽工程心墙沥青混凝土技术要求见表1.1。
表1.1沥青混凝土主要技术要求
(2)混凝土原材料及配合比
原材料包括中国石油天然气股份有限公司克拉玛依分公司生产的90号石油沥青(以下简称克拉玛依90号)及中国石化塔河炼化有限责任公司生产的90号石油沥青(以下简称库车90号)、当地灰岩填料、全破天然砂砾石骨料、江苏博特非胺类抗剥落剂(匀强oR-EASA100)。其中沥青混凝土配合比主要参数见表1.2，天然(破碎)砂砾石骨料化学成分检测结果见表1.3。
表1.2沥青混凝土配合比
表1.3天然(破碎)砂砾石骨料的化学成分(％)
根据天然(破碎)砂砾石骨料化学成分检测结果(表1.3)，按SL501-2010《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》分析工程拟用骨料的酸碱性。碱度模数M＝(CaO+MgO+FeO)/SiO2，M＞1为碱性骨料，M＜0.6为酸性骨料。经计算，工程拟用天然骨料的碱度模数M＝0.21，即为酸性骨料。
(3)沥青混凝土基本性能试验结果
参照DL/T 5362-2006《水工沥青混凝土试验规程》，测试沥青混凝土性能指标，试验结果见表1.4。
T-1主要原材料粗细骨料为全部破碎天然砂砾石料，填料为灰岩矿粉，沥青为克拉玛依90号。T-2主要原材料粗细骨料为全部破碎天然砂砾石料，填料为灰岩矿粉，沥青为库车90号。A-1主要原材料粗细骨料为人工灰岩料，填料为灰岩矿粉，沥青为克拉玛依90号，为比对试验。试验结果表明，沥青混凝土三组配合比室内拌和物性能良好，孔隙率＜2％。
表1.4混凝土性能测试结果
(4)沥青混凝土力学性能及变形性能试验结果
由表1.5试验结果表明，三组配合比沥青混凝土水稳定性试验、间接拉伸试验、直接拉伸试验、小梁弯曲试验、单轴压缩试验、渗透试验及静三轴试验各项性能能够满足沥青混凝土心墙的相关技术要求。其中，T-1与T-2采用相同的配合比，而T-1采用克拉玛依90号，T-2采用库车90号。
表15沥青混凝土力学性能试验结果
续表15沥青混凝土力学性能试验结果
(5)沥青混凝土长期浸水性能试验结果
本试验方法是根据前苏联学者提出的将沥青混凝土在80℃水中浸泡75h，相当于在20℃水中浸泡一年的定量关系基础上而制定的。按击实法制备试件，试件尺寸符合DL/T5362-2006《水工沥青混凝土试验规程》中有关规定，每个配合比制备18个试试件，分为6组，第一组试件在20±1℃的空气中养护不少于48h进行抗压试验，测定其抗压强度R0；其余5组沥青混凝土试件在80℃±1℃恒温水箱中浸泡后750h后，取出1组在20±1℃水中恒温2h，进行抗压试验，测定其抗压强度R1。前后2组抗压强度之比为浸水水稳定系数K10＝R1/R0，依次类推，每隔750h从80℃±1℃恒温水箱中，取出1组在20±1℃水中恒温2h，进行抗压试验，测定其抗压强度分别为R2、R3、R4、R5，分别与第1组试件抗压强度之比，为浸水水稳定系数K20＝R2/R0、K30＝R3/R0、K40＝R4/R0、K50＝R5/R0。
依据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》(DL/T5411-2009)中对沥青混凝土骨料选用：“粗骨料宜采用碱性岩石(石灰岩、白云岩等)破碎的碎石。当采用未经过破碎的天然卵砾石时，其用量不宜超过粗骨料用量的一半；当采用酸性碎石时，应采取增强骨料与沥青黏附力措施，并经试验论证”。从表1.6采用破碎天然砂砾石料配合比T-2与采用灰岩骨料配合比A-1试验结果表明：两种配合比其长期浸水水稳定系数各龄期变化不明显。
表1.6沥青混凝土长期浸水水稳定性能试验结果
根据长江水利委员会长江科学院提供的心墙沥青混凝土各项性能试验成果，尤其是采用破碎天然砂砾石与灰岩骨料沥青混凝土长期浸水性能试验成果，心墙沥青混凝土采用破碎天然砂砾石骨料是可行的。新疆奴尔水利枢纽工程沥青混凝土心墙采用的破碎天然砂砾石骨料属于酸性骨料，采用合理的抗剥离剂技术方案，可以提高砾石破碎骨料沥青混凝土的长期稳定性和耐久性能。
本发明通过当地原材料优选、配合比设计等步骤，配制破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土，可保证水工沥青混凝土的长期浸水耐久性，保障工程质量和安全，具有重要的工程应用前景。

Claims (4)

1.一种破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土，其特征在于：由沥青、破碎天然砂砾石骨料、填料和非胺类抗剥落剂组成，其中沥青、破碎天然砂砾石骨料、填料按照如下质量百分比配比：沥青6.4％～6.7％、破碎天然砂砾石骨料80.3％～82.6％、填料11％～13％，非胺类抗剥落剂占沥青质量的0.3％～0.5％，破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土矿料的级配指数为0.38～0.40。
2.如权利要求1所述的破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土，其特征在于：所述破碎天然砂砾石骨料为酸性骨料。
3.如权利要求1所述的破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土，其特征在于：所述沥青为90号石油沥青。
4.如权利要求1所述的破碎天然砂砾石料水工沥青混凝土，其特征在于：所述非胺类抗剥落剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的匀强oR-EASA100沥青抗剥落剂。
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