1.2 水工沥青混凝土性质

自从人类研究出沥青混凝土，首先在公路工程应用比较多，然后在水工建筑防渗结构方面得到了广泛的应用。水工建筑物中所用的沥青混凝土，称为水工沥青混凝土。水工沥青混凝土与公路沥青混凝土相比，具有沥青和填料用料较多、粗骨料用量小、配合比计量精度要求高、拌和时间长等特点。

沥青混凝土在水工建筑物防渗体应用时，要求具有一些性质，需要在设计和施工中进行研究确定，其性质主要为抗渗性、强度、热稳定性、柔性、耐久性及和易性。

1.2.1 抗渗性

沥青混凝土抗渗性能的大小，可通过渗透试验来评定，并用渗透系数来表示。

防渗用的沥青混凝土，其渗透系数一般要求在10^-7～10^-10cm/s之间。其他用途沥青混凝土的渗透系数，应根据设计要求选择，如沥青混凝土面板防渗体中排水层的渗透系数一般不小于10^-2cm/s。

沥青混凝土的渗透系数取决于矿质混合料的级配、填充空隙的沥青用量以及碾压后的密实程度。一般级配良好、填充空隙的沥青用量较多、密实度较大的沥青混凝土，其渗透系数较小。沥青混凝土渗透系数与孔隙率的关系曲线见图1-1，由图1-1的试验结果可以看出：孔隙率越小，渗透系数越小；一般孔隙率在4%以下时，渗透系数可小于10^-7cm/s。因此，为了保证防渗沥青混凝土的不透水性，在设计沥青混凝土配合比和施工时，常以4%孔隙率作为控制指标。我国水利与电力行业规范采取的是当孔隙率不大于3%时，渗透系数不大于10^-8cm/s。

沥青混凝土的渗透系数还随所受压力的增加而减小，有些试验资料指出，当水压力为0.2kgf/cm^2[1]时，沥青混凝土的渗透系数为10^-7cm/s；当水压力增加为10kgf/cm²时，渗透系数可降低至10^-10cm/s。

1.2.2 强度

沥青混凝土的力学性质，可用抗剪强度、抗压强度、抗拉强度等指标来表示。沥青混凝土的力学强度主要取决于其内摩擦角和黏结力，可通过闭式三轴压力试验，利用莫尔-库仑方程计算求得。然后根据黏结力和内摩擦角计算沥青混凝土的抗剪强度、抗压强度及抗拉强度等。

沥青混凝土的内摩擦角取决于矿物混合料颗粒之间的互相嵌挤作用。它与粗骨料的用量、骨料的颗粒形状与表面粗糙程度和矿物混合料的密实度有关。矿料中粗骨料用量增多或带棱角的、表面粗糙的颗粒增加时，则内摩擦角增大；矿物混合料的密实度越大，内摩擦角也越大。

沥青混凝土的黏结力取决于沥青与矿物混合料颗粒表面的黏结能力。它与沥青的黏滞度和沥青表面活性、沥青膜的厚度、矿物混合料的比表面积和亲水程度等因素有关。沥青的黏滞度越大、沥青的表面活性越高、沥青膜越薄及矿物混合料的比表面积越大时，沥青混凝土的黏结力越大。使用憎水性的或碱性矿料时黏结力较大。

沥青混凝土的力学性质随温度、加荷速度及加荷时间等因素而异。在低温或短时间负荷下，它的性能近乎弹性，而在高温或长时间负荷下就表现出黏弹性。因此在研究沥青混凝土的力学性质时，应分别考虑此特性。

1.2.3 热稳定性

热稳定性是指沥青混凝土在最高使用温度下，抵抗塑性流动的性能。当温度升高时，沥青的黏滞性降低，沥青与矿料之间的黏结力也降低，因此使沥青混凝土的强度降低，塑性增加。特别是当温度升高至某一温度时，沥青混凝土中各矿料颗粒在自重作用下产生相互移动，使变形不断增加，最后导致沥青混凝土因丧失稳定而破坏。一些经常暴露在大气作用下的表层沥青混凝土，由于沥青混凝土呈黑色，具有吸热作用，在阳光直射下，它的温度可以比气温高出20～30℃。因此，必须具有足够的热稳定性。

沥青混凝土的热稳定性取决于沥青的性质和用量、矿物混合料的级配和性质，以及填充料的用量。

为了提高沥青混凝土的热稳定性，可选用软化点较高的沥青。沥青用量不能过多，否则将降低沥青混凝土的热稳定性。

矿料级配良好的沥青混凝土具有较高的热稳定性，其中级配偏粗的比级配细的、碎石比卵石、憎水性的矿料比亲水性的矿料热稳定性高。

当填充料用量增加时，矿料表面的沥青膜减薄。因此，能使沥青混凝土的热稳定性提高。但若矿粉量过多，将使沥青混凝土的内摩擦阻力减少，反而使热稳定性降低。

此外，当温度升高，沥青的体积要增大，一般石油沥青的膨胀系数为6.4×10^-4，因此压实后的沥青混凝土应保留一定的孔隙率，以适应高温下沥青本身的膨胀。为此，一般认为沥青混凝土中以保留2%的孔隙率为宜。

沥青混凝土的热稳定性，应根据工程具体情况，通过三轴压力试验或斜坡流淌试验，求出在规定温度下，沥青混凝土的力学性质或斜坡流淌值来予以评定。

沥青混凝土的热稳定性还常用马歇尔稳定度试验来评定。热稳定性合格的水工沥青混凝土，在60℃时，其稳定度应大于300kg，流淌值在30～80(1/100cm)范围内。

1.2.4 柔性

柔性是指沥青混凝土在自重或外力作用下适应变形而不产生裂缝的一种性能。柔性也就是沥青混凝土的变形性。柔性好的沥青混凝土具有良好的塑性，适应变形而不裂缝的能力大，即使产生裂缝时，在高水头作用下裂缝也能自行封闭。所以水工沥青混凝土的柔性应满足设计要求。

沥青混凝土的柔性，可以根据工程中的具体情况，通过梁或圆板的弯曲试验，测出试件不发生裂缝时的最大挠跨比，也可由拉伸试验测出其极限拉伸变形，予以评定。沥青混凝土的柔性具有以下特性。

（1）沥青混凝土的变形能力随温度和变形速度（加荷速度）而变。温度越高，变形能力越大。但在高温区域内，不管加荷速度如何，破裂应变是一定的。

当温度降低时其变形能力减小，加荷速度增快时其变形能力也减小。但在低温区，不同加荷速度的破裂应变也很接近。

一些表面防渗沥青混凝土，当温度降低时，由于沥青混凝土的体积收缩受到基层的约束产生强迫变形，当强迫变形超过沥青混凝土低温时的极限拉伸变形时，就要出现裂缝。特别是在接缝或断面变化等部位，应力集中，更容易出现裂缝。为了防止裂缝的产生，必须使沥青混凝土在低温时仍具有良好的柔性。

(2)沥青混凝土的柔性主要取决于沥青的性质和用量、矿物混合料的级配以及填充料与沥青用量的比值。

1）为了提高沥青混凝土的柔性，应选用针入度大、延伸度大且温度稳定性较高的沥青。在满足热稳定性的前提下多用沥青，可使柔性增加。但是随着沥青用量的增多，沥青混凝土的温度变形也随之增大，因而受温度影响而产生裂缝的可能性也要增加。因此，沥青用量必须适宜。

2）一般连续级配或级配细的沥青混凝土，比间断级配或级配粗的柔性好。

3）填充料与沥青用量的比值（重量比），对沥青混凝土的柔性影响较大。比值过大，将使沥青混凝土的柔性降低；但比值过小，其抗渗性等则不能保证。该比值一般应控制在1.5左右。

1.2.5 耐久性

水工沥青混凝土的耐久性主要包括大气稳定性、水稳定性等。

（1）大气稳定性。在大气综合因素作用下，沥青是否易于老化，这是工程上较为关心的问题。

根据阿尔及利亚格里布坝沥青混凝土斜墙运用18年后取样试验结果证明：对水上部分，其孔隙率为2%～5%的沥青混凝土中，沥青软化点仅仅提高5℃，而在孔隙率较大的沥青混凝土中，沥青软化点提高25℃以上，由此可见，密实的沥青混凝土在一定程度上可以延缓老化现象。对水下部分的沥青混凝土，几乎看不到软化点增高的情况。因此，可以认为水下部分沥青混凝土不容易老化。

（2）水稳定性。这是指水工沥青混凝土长期在水作用下，其物理力学性质能保持稳定的性能。由于水分侵入，破坏了沥青与矿料间的黏结力，因此使强度降低，最后导致沥青与矿料之间产生剥离而破坏。沥青混凝土的水稳定性，取决于沥青混凝土的孔隙率及沥青与矿料间的黏结力。

1）沥青混凝土的孔隙率越小，水稳定性越高。一般认为沥青混凝土的孔隙率小于4%时，其水稳定性是有保证的。

2）沥青与矿料表面的黏结力，对沥青混凝土的水稳定性有决定性的影响，因此应选用憎水性或碱性的矿料。为了改善沥青与酸性矿料之间的黏结力，可以用消石灰或水泥对矿料进行处理，也可在石油沥青中掺入少量煤沥青或其他表面活性物质（如粗环烷酸、皂角、棉籽油等）以改善沥青的表面活性。潮湿的矿料或沥青中水分未脱尽时，都将影响沥青混凝土的水稳定性。

1.2.6 和易性

沥青混凝土的和易性是指它在拌和、运输、摊铺及压实过程中与施工条件相适应，既保证质量又便于施工的性能。沥青混凝土的和易性取决于所用材料的性质、用量及拌和质量。

（1）沥青黏滞度过大，容易结块不易摊铺。沥青用量过多，运输容易出现泛油。卸料时，容易结成大块或黏住车槽，使卸车困难，并且难于铺平。

（2）填充料的特性及其含量对沥青混凝土混合料的和易性影响较大，如未烘干的湿矿粉，易使混合料结块，不易铺平。湿矿粉和结团的矿粉易使混合料中出现矿粉团，碾压时易被压碎，施工后易被水冲走出现麻点或蜂窝等现象。矿粉用量过多，使混合料黏稠，难以摊铺。矿粉少，混合料松散性好，容易摊铺，但矿粉用量过少，混合料难以整平压实，而且要降低沥青混凝土的抗渗性、强度、耐久性等。因此，矿粉用量应适宜。

（3）沥青混凝土混合料的拌和质量，对沥青混凝土的性质影响较大。一般机械搅拌比人工搅拌的好，强制式拌和机拌制的沥青混凝土混合料比自落式拌和机拌制的质量好。下料次序，应先加骨料再加矿粉，经干拌一定时间后，才可加入沥青，否则要影响沥青混凝土混合料的质量。