防滲層水工瀝青混凝土級配設計與過程控制

楊看迪, 李 紳,許 林,蔡榮生,林振華,磨煉同

(1.山東濰坊抽水蓄能有限公司,濰坊 262699; 2.浙江華東工程咨詢有限公司,杭州 310014; 3.中國水利水電第六工程局有限公司,沈陽 110013; 4.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室,武漢 430070)

隨著我國新興能源的大規模開發利用,抽水蓄能電站建設得到了快速發展以提升清潔能源利用水平。瀝青混凝土面板是抽水蓄能水庫重要的防滲結構形式之一,其中瀝青混凝土防滲層是重要的防滲結構層,要求具有良好的抗滲性、穩定性、抗裂性和耐久性,因此一直以來瀝青混凝土防滲層從材料設計、施工、現場檢測等環節都十分重視。在配合比設計方面,丁樸榮等[1,2]通過填料濃度和膠骨比提出水工瀝青混凝土配合比平面的概念和求解施工配合比平面邊界的方法。劉增宏[3]利用效用函數法建立了水工瀝青混凝土配合比設計數學模型,并發現最佳瀝青用量是條件性的。徐天毅[4]開展三個以上配合比參數的水工瀝青混凝土配合比的設計理論和方法研究,利用正交設計法和計算機輔助設計及數據處理實現配合比的多元設計。在性能影響因素分析方面,余華英等[5]試驗發現影響水工瀝青混凝土孔隙率的各種因素的排序為:級配指數>油石比>填料用量。余梁蜀等[6]利用正交試驗方法對水工瀝青混凝土配合比進行試驗,研究了瀝青用量、填料用量、級配指數3個因素對瀝青混凝土強度、變形性能和防滲性能的影響,發現瀝青用量對瀝青混凝土性能的影響最顯著。劉杰等[7]通過對水工瀝青混凝土進行低溫凍斷試驗,發現不同廠家的瀝青、填料用量對瀝青混凝土凍斷溫度影響很大,瀝青用量和天然砂摻量對防滲層水工瀝青混凝土凍斷溫度幾乎無影響。鄒長根等[8]開展了不同瀝青品種、瀝青用量和骨料級配的低溫小梁彎曲試驗,發現瀝青品種對彎曲應變影響最大,其次為瀝青用量,骨料級配影響最小。此外,集料粒形和瀝青高溫流變性能對防滲層水工瀝青混凝土高溫抗流淌性能影響顯著[9]。

當前防滲層水工瀝青混凝土配合比設計缺少公認的設計方法與步驟,礦料合成級配設計未形成認可的級配范圍,缺少關鍵篩孔通過率控制要求,實際設計級配與理論目標級配存在偏差,級配調整與控制認識不一致。礦料合成級配的選擇是水工瀝青混凝土配合比設計的一個重要問題,當前其設計級配主要以骨料最大粒徑、級配指數和填料用量3個參數進行表征。防滲層水工瀝青混凝土配合比設計試驗時要充分考慮不同級配指數、填料用量和瀝青用量組合的影響,試驗工作量大,級配選取往往基于孔隙率和斜坡流淌值,力學性能只是簡單驗證為主,導致最終推薦的級配并非最優級配,因此如何根據水工瀝青混凝土性能設計要求有效地優化和控制礦料合成級配,在理論和實踐上仍有待進一步研究。為此,論文分析防滲層水工瀝青混凝土級配設計存在的問題以提出設計級配與礦料合成級配偏差控制要求,同時探討級配調整與過程控制方法,結合前期項目試驗結果分析級配偏差對防滲層水工瀝青混凝土孔隙率和斜坡流淌值的影響,為進一步優化級配設計提供新思路。

1 級配設計

不管是道路瀝青混凝土還是水工瀝青混凝土,其配合比設計主要包括礦料合成級配設計與瀝青用量的確定。我國道路瀝青混凝土的礦料合成級配一般按給定的級配范圍進行設計,而美國Superpave瀝青混合料礦料合成級配則按控制點和禁區進行設計,二者均要求合成的級配曲線須在級配上、下限范圍內或應通過控制點,但不能通過禁區。水工瀝青混凝土礦料合成級配設計與道路瀝青混凝土差別大,前者其主要是先通過丁樸榮公式計算和確定一個標準設計級配,再通過調整不同礦料用量比例使得礦料合成級配盡可能接近標準設計級配即可,但實際上二者存在偏差,其偏差與骨料規格分級數量有關,但更多的是與細骨料0.075～2.36 mm的級配有關。當前對于防滲層水工瀝青混凝土所用骨料,從大到小主要按9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm和0.075～2.36 mm進行分級,大于2.36 mm粗骨料基本上是按單一級配骨料分級,因此不管單一規格粗骨料的超遜徑含量如何,均可通過調整各粗骨料用量比例使礦料合成級配在大于2.36 mm各篩孔的通過率與標準設計級配保持一致。此外,0.075 mm通過率也可通過調整礦粉用量比例來實現其合成級配通過率與標準設計級配一致。實際上水工瀝青混凝土級配設計難點是0.075～2.36 mm之間各篩孔,包括0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm的通過率往往與標準設計級配存在較大偏差。圖1中標準設計級配參數為最大粒徑Dmax=16 mm,級配指數r=0.4和填料用量F=12%,按丁樸榮公式計算得到各篩孔通過率。當細骨料級配合理時,礦料合成級配與標準設計級配高度一致,二個級配曲線基本重合。當細骨料偏細,合成級配曲線則在0.075～2.36 mm之間出現向上凸形成典型駝峰曲線;而細骨料偏粗,合成級配則在0.075～2.36 mm之間出現向下凹形成典型近間斷曲線。當前細骨料0.075～2.36 mm的加工級配主要按超徑含量不大于10%、遜徑含量不大于5%進行控制,缺少中間各篩孔通過率要求,完全不能控制合成級配在0.075～2.36 mm之間走勢,因此不利于級配設計與過程調整控制。結合前期幾個項目機制砂加工實際情況發現,細骨料加工按超徑含量不大于10%、遜徑含量不大于5%進行控制和驗收基本難以達到要求,多表現為兩頭多、中間少的不良級配,即粗料多,粉料多,中間有用細顆粒少,因此細骨料加工可按《公路瀝青路面施工技術規范 》JTG F40—2004對細骨料規格加以要求,如表1所示。此外應進一步限制細骨料中小于0.075 mm含量不大于12%,細骨料中多余石粉一般可在瀝青拌和樓通過烘料除塵去除。整體上,要保證礦料合成級配與標準設計級配相一致,須從源頭上控制好細骨料加工級配,級配不良和變異性大均不利于配合比設計與施工生產過程質量控制。

表1 道路瀝青混合料機制砂0～3 mm規格要求

當前水工瀝青混凝土所用骨料規格分級有限,多為4～5個規格,分級數總小于篩孔數,因此在室內配合比設計時礦料合成級配不可能與設計級配完全吻合,二者偏差最小值是確定礦料合成級配和各礦料用量的重要手段。目前瀝青混凝土配合比設計中多采用Excel中規劃求解不等式約束條件下多變量函數最優化方法來確定礦料合成級配和各礦料用量比例, 其將各篩孔通過率偏差的平方之和達到最小值作為設置目標,各礦料用量比例作為變更函數,同時約束各礦料用量比例不小于0且不大于100%,各礦料用量比例總和為100%,最終通過改變不同礦料用量比例組合以實現各篩孔通過率偏差的平方之和達到最小值。利用上述方法求解有很大的局限性,其不能優先保證關鍵篩孔2.36 mm和0.075 mm通過率與設計級配一致,其原因是細骨料0.075～2.36 mm級配包括0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm篩孔,其通過率偏差的平方之和往往大于2.36 mm和0.075 mm篩孔通過率偏差的平方。為了使所有篩孔偏差的平方之和最小,礦料合成級配曲線擬合時優先向0.15～1.18 mm篩孔接近,而關鍵篩孔2.36mm和0.075 mm通過率則偏離設計級配值。

上述分析表明:當各篩孔偏差的平方之和均采用平均權重,即式(1)中的Ki值為1求和時,擬合得到的礦料合成級配會犧牲關鍵篩孔2.36 mm和0.075 mm通過率,特別是關鍵篩孔0.075 mm通過率容易偏離設計級配值且超過規范要求的±1%控制范圍。為了解決上述問題,必須在關鍵篩孔2.36 mm和0.075 mm引入遠大于1的權重,如Ki=100以保證這二個篩孔的擬合通過率與對應的設計值保持一致。

(1)

式中,Y為各篩孔通過率偏差的平方之和;Pi和P′i為設計級配和礦料合成級配各篩孔通過率;Ki為各篩孔的權重;Ki一般取值為1。對于關鍵控制篩孔,Ki可取值100。

當前防滲層水工瀝青混凝土配合比設計均是以標準設計級配為整個項目施工過程控制和調整的目標級配,其配合比設計一般要分為室內配合比設計、現場鋪筑試驗和生產性試驗三個階段。若室內配合比試驗確定的可用于現場攤鋪試驗的礦料合成級配與標準設計級配存在偏差,則再用標準設計級配指導設計和控制現場鋪筑試驗以及生產性試驗的礦料合成級配就缺乏其作為基準的指導意義。為了消除二者偏差的影響,有些項目對各規格粗骨料進行嚴格人工篩分全部去除超遜徑,同時對細骨料進行逐級人工二次篩分,分別得到1.18～2.36 mm、0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm、0.15～0.3 mm和0.075～0.15 mm規格骨料,利用人工處理后的骨料進行級配設計和配料以保證合成礦料曲線與標準設計級配完全一致。上述理想化做法其實并不可取,其完全忽略骨料級配代表性,試驗結果更缺乏對現場配合比的指導性,也反映了對合成級配與理論設計級配偏差存在認識不一致問題。從嚴格意義上分析可知,室內配合比試驗實際上是驗證和最終推薦室內合成礦料級配,而非理論上的標準設計級配,二者不應混為一談,因此在室內配合比報告確定和推薦配合比時,須列表同時給出標準設計級配和室內合成礦料級配,必要時應給出偏差控制范圍,不應只簡單給出最大粒徑Dmax、級配指數r、填料用量F和瀝青用量。

2 級配調整與過程控制

防滲層水工瀝青混凝土在完成室內配合比設計后,須經過場外鋪筑試驗和場內生產性試驗的驗證與調整以最終提出施工合成級配。實際每天瀝青混合料生產過程中,仍需要通過熱料篩分結果以及現場瀝青混合料抽提檢測及時調整瀝青拌和樓生產配合比,以確保實際生產合成級配與目標合成級配一致。當前目標合成級配往往采用以最大粒徑Dmax、級配指數r和填料用量F三個級配參數確定的標準設計級配,忽略了實際礦料合成級配在室內配合比設計、現場鋪筑試驗和生產性試驗階段存在的偏差問題。 生產過程中熱料合成級配和現場瀝青混合料的抽提級配一般要求在可控的范圍內,否則應對生產配合比進行調整。當前規范要求級配的偏差按≥4.75 mm篩孔通過率±5%, 2.36 mm篩孔通過率±3%,0.075 mm通過率±1%進行控制。0.075～2.36 mm之間各篩孔,包括0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm的通過率如何控制成為難點,若均按通過率±3%偏差控制,則可以直接提出任一標準設計級配的上下限控制范圍,如表2所示。為方便前后對比分析,表2中的設計級配與抽提級配均與圖1數據為例。按上述提出的設計級配控制要求,因細骨料級配不良造成的駝峰型和近間斷型級配在0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm篩孔通過率容易超出級配控制上下限,其進一步表明標準設計級配與前期室內礦料合成級配存在較大偏差時應慎重選擇合理目標級配作為控制基準。此外,前期幾個項目發現0.075 mm通過率按±1%進行控制較為苛刻,不管采用三氯乙烯溶劑抽提法還是燃燒法檢測現場瀝青混合料的級配,檢測結果變異性大,因此0.075 mm通過率宜按±2%進行控制更為合理。當前防滲層水工瀝青混凝土配合比敏感性檢驗時一般通過改變填料用量±1%進行試驗,前期大量室內試驗結果表明填料用量波動±1%對防滲層水工瀝青混凝土各項性能影響極小。實際在瀝青混合料拌和生產過程中,抽提級配0.075 mm通過率按±1%控制極為苛刻,原因是0.075 mm通過率主要受礦粉用量及其0.075 mm通過率、細骨料用量及其0.075 mm通過率共同影響。其中防滲層水工瀝青混凝土細骨料用量高達35%左右,反算可知細骨料的0.075 mm通過率波動范圍須控制在±3%方能實現瀝青混合料抽提級配0.075 mm通過率波動控制在±1%,這對細骨料加工生產和瀝青拌和樓除塵長期穩定性均提出了苛刻的要求,后期應結合瀝青混合料配合比設計中填料用量敏感性試驗分析,提出更為合理的控制范圍。

表2 標準設計級配控制要求與抽提級配對比分析

目前水工瀝青混凝土抽提級配合格與否的判定主要有兩種方法:一種是采用前述的各篩孔通過率偏差控制法,另外一種是不同規格骨料(如9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0.075～2.36 mm和小于0.075 mm)配比偏差控制法。前者是利用抽提篩分結果與目標級配比較而得,如前述分析指出,目標級配的選擇很關鍵,若抽提級配超出目標級配上、下限范圍即可判定不合格。配比偏差控制法為了從抽提級配中計算得到上述各規格骨料和填料配比,一般采用不含超遜徑的礦料分計篩余法進行計算,即利用某一規格骨料最大粒徑通過率減去對應最小骨料粒徑的通過率而得到。以標準設計級配為例,其對應的理論骨料配比見表3。以表3作為基準分析近間斷型級配的骨料配比偏差如表4所示,近間斷型級配即使在0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm出現嚴重偏差,但其理論配比中0.075～2.36 mm用量與設計級配的偏差很小,仍在可控制范圍。上述分析表明配比偏差控制法只管細骨料用量是否用足,而不管細骨料是否合格,因此存在很大的局限性。上述兩種方法各有優缺點,對同一個抽提級配判定是否合格可能出現不同的結論,如通過率偏差控制法不把0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm的通過率偏差考慮在內,其本質上與配比偏差控制法相同。前期一些項目也將細骨料0.075～2.36 mm加工生產時進一步細分為0.6～2.36 mm和0.075～0.6 mm兩種規格以提高級配控制精度,但其要增加機制砂選粉設備,同時對瀝青拌和樓上料控制精度、增加冷料倉、熱料篩分混料控制等提出更高要求,實用性不足而基本棄用。從級配調整與過程控制角度分析,通過率偏差控制法實用性更強,更能反映級配波動情況以便更好指導骨料質量檢測、拌和樓篩分控制和生產配合比調整。須指出的是,上述提到的抽提級配的配比偏差控制與瀝青拌和樓生產過程中配合比波動逐盤在線檢測有本質區別。生產配合比波動逐盤在線檢測主要利用計算機自動采集每盤瀝青混合料實際稱取的各規格熱骨料質量、礦粉質量和瀝青質量,計算每盤實際材料比例,并與生產設定的配合比進行比較,按粗骨料用量偏差±5%、細骨料用量偏差±3%、填料用量偏差±1%、瀝青用量偏差±0.3%來檢驗瀝青混合料生產過程中配合比控制精度是否達到要求。為達到上述控制精度要求,瀝青拌和樓的稱量系統在使用前和使用過程須做好靜態和動態稱量標定工作。

表3 標準設計級配的理論骨料配比與控制要求

表4 近間斷型抽提級配的理論骨料配比與偏差分析

3 級配偏差的影響

目前防滲層水工瀝青混凝土配合比設計一般重點檢驗瀝青用量、填料用量、粗細骨料用量(即級配指數)的敏感性,缺少細骨料級配變異敏感性分析。在實際工程中粗骨料均以單一粒徑分級,其骨料離析和級配波動小,然而細骨料0.075～2.36 mm粒徑跨度大,分布著6個篩孔,其級配在破碎加工、堆放以及瀝青拌和樓烘干除塵過程中易出現離析和波動大的問題。前期研究表明細骨料級配變異對瀝青混凝土的體積和力學性能影響較大[10]。在細骨料中,0.075～0.6 mm細骨料是有用細顆粒,其具有很好的填充粗骨料礦料間隙和形成瀝青膠砂骨架作用。前期沂蒙項目開展了細骨料級配對防滲層水工瀝青混凝土的防滲和抗高溫斜坡流淌性能的影響研究,其結果見表5。表5中骨料最大粒徑Dmax為16 mm,級配指數r為0.4,填料用量F為9%,油石比為7.6%。配料和試件成型時將細骨料0.075～2.36 mm人工二次篩分以得到三種近間斷合成級配:1)人工篩除細骨料中0.6 mm以下顆料使其通過率小于10%而得到0.6 mm近間斷合成級配;2)人工篩除細骨料中0.3 mm以下顆料使其通過率小于5%而得到0.3 mm近間斷合成級配;3)人工篩除細骨料中0.15 mm以下顆料使其通過率小于3%而得到0.15 mm近間斷合成級配。試驗結果表明小于0.6 mm部分細顆粒過度缺失對防滲層水工瀝青混凝土孔隙率影響很大,而小于0.3 mm部分細顆粒和小于0.15 mm部分細顆粒缺失對孔隙率影響小,其原因是0.075～0.3 mm粒徑與填料接近,其填充作用可以被填料所彌補。在抗高溫斜坡流淌方面,雖然同一組試驗數據變異性較大,如0.15 mm近間斷級配試驗結果中高溫斜坡流淌值最大值是2.55 mm,最小值為0.20 mm,平均值為0.68,但整體上細骨料在0.15～0.6 mm形成間斷級配有利于提高細骨料骨架結構從而達到更好的熱穩定性。若剔除個別變異大的試驗結果發現從0.6 mm近間斷級配到0.15 mm近間斷級配,高溫斜坡流淌值呈下降趨勢,表明控制細骨料中石料含量有利于提高防滲層水工瀝青混凝土高溫穩定性。

表5 細骨料級配對防滲層水工瀝青混凝土的孔隙率和斜坡流淌值的影響

為了進一步驗證級配偏差的影響,采用表6中的設計級配和合成級配進行試驗,其中設計級配按最大粒徑Dmax=16 mm、級配指數r=0.3和填料用量F=12%計算而得,而實際礦料合成級配在細骨料0.15～1.18 mm部分與設計級配存在明顯偏差。為了最大限度滿足設計級配要求,對細骨料進行逐級人工二次篩分,分別得到1.18～2.36 mm、0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm、0.15～0.3 mm和0.075～0.15 mm規格骨料,從而保證室內配料的合成礦料曲線與標準設計級配完全一致。按表6中標準設計級配和實際未人工二次篩分合成級配配料和拌制試件以檢驗二者的孔隙率與斜坡流淌值,結果見表7。實際合成級配的孔隙率略大于標準設計級配,而實際合成級配的斜坡流淌值遠小于標準設計級配。上述分析結果表明按標準設計級配制備的瀝青混凝土綜合性能不一定是最佳,礦料合成級配曲線在小于2.36 mm向下略偏離標準設計級配具有更好的高溫穩定性,其與道路瀝青混凝土具有相同結論,即細骨料過度填充有利于提高密實性和防滲性能,但不利于結構高溫穩定性。前期現場取芯和抽提級配檢測結果表明即使級配偏差較大,防滲層水工瀝青混凝土現場孔隙率仍可控制在3%以下,但其對力學性能的影響尚需進一步深入研究。出于防滲設計理念,防滲層水工瀝青混凝土具有填料用量高、細骨料用量高和瀝青用量高的“三高”特點,其級配設計采用連續級配設計理論并非是最優方案。近代膠漿理論認為瀝青混凝土是由粗細骨料和瀝青膠漿逐級填充的空間網狀結構分散體系,合理優化級配,特別是小于2.36 mm以下部分可顯著改善瀝青混凝土內部結構和力學性能,今后級配優化方案可借鑒道路瀝青混凝土級配設計現有成果,如SMA瀝青瑪蹄脂混凝土的間斷級配理念在0.15～0.6 mm形成間斷級配,或美國Superpave瀝青混合料級配控制點和禁區設計理念在0.075～2.36 mm引入關鍵控制點或禁區進一步優化細骨料的填充效果與骨架結構。

表6 防滲層水工瀝青混凝土標準設計級配與實際合成級配偏差分析

表7 級配偏差對防滲層水工瀝青混凝土的孔隙率和斜坡流淌值的影響

4 結 論

a.防滲層水工瀝青混凝土的礦料合成級配曲線在0.075～2.36 mm之間易出現典型駝峰或近間斷曲線,須從細骨料加工源頭上保證合理級配以便于配合比設計與施工過程質量控制。

b.傳統采用各篩孔通過率偏差的平方之和擬合得到的礦料合成級配會犧牲關鍵篩孔2.36 mm和0.075 mm通過率,使其嚴重偏離設計級配目標值,須在關鍵篩孔2.36 mm和0.075 mm引入遠大于1的權重,以保證關鍵篩孔的擬合通過率與對應的設計值保持一致。

c.礦料合成級配與標準設計級配存在偏差,室內配合比試驗實際上是驗證實際礦料合成級配,因此在室內配合比報告確定和推薦配合比時,須列表同時給出標準設計級配和室內合成礦料級配以及級配控制偏差要求。

d.水工瀝青混合料抽提級配是否合格的判定可采用各篩孔通過率偏差控制法和配比偏差控制法,前者可建立級配上下限范圍且反映細骨料級配變異性,實用性更好,更有利于級配調整與控制。

e.防滲層水工瀝青混凝土標準設計級配不一定是最佳級配,礦料合成級配曲線在小于2.36 mm向下略偏離標準設計級配具有更好的綜合性能,后期可結合SMA瀝青瑪蹄脂混凝土的間斷級配理念和美國Superpave瀝青混合料級配控制點和禁區設計理念進一步優化細骨料的填充效果與骨架結構。