骨料特性及在工程中的作用

沥青混凝土防渗心墙在碾压施工过程中承受较大的动荷载，在浇筑施工和运行过程中承受的荷载较小，主要是自身荷载和来自坝体的挤压力。因此，对沥青混凝土骨料来说并不需要较高的强度，其骨架结构只要能够承受施工荷载的作用而不致颗粒破碎就可以了。但为安全起见，水工沥青混凝土的骨料宜采用质地坚硬、性质稳定的岩石加工而成，当采用天然卵石加工碎石时，卵石的粒径宜为碎石最大粒径的3倍以上；若需用小卵石、砾石作粗骨料，应通过试验作充分论证。骨料的骨架结构特性取决于骨料的质地、颗粒组成、密实度（或空隙率）及内摩擦力等指标，在骨料的质地确定后，骨料的加工方法将直接影响骨料的形状和颗粒分布，进而影响骨料的堆积密度。因此，骨料加工设备应以反击式碎石机设备为宜，因为这种设备加工出来的骨料针片状颗粒含量较少，颗粒形状较好，这有利于骨料堆积密实的提高，进而降低沥青混凝土的填料和沥青用量，提高沥青混凝土的热稳定性。此外，如果骨料表面不洁净或性质不稳定，在骨料烘干、加热（一般不超过200℃）和配制沥青混凝土混合料时就会降低骨料表面与沥青之间的粘附性。表面洁净且性质稳定的骨料粘附性主要取决于沥青与骨料界面之间产生的物理化学作用。由于大多数矿物如氧化物、碳酸盐、硅酸盐（滑石、石棉除外）、云母、石英等均属于亲水性的材料，在潮湿状态下它们的表面不能被沥青所浸润。在干燥高温下，沥青可以浸润矿料表面并裹覆成膜，如果沥青与矿料之间仅有分子力的作用，就只存在物理吸附，其粘附力较小。当沥青与矿料表面形成新的化合物时，就产生了化学吸附，如果新生成的化合物又是难溶的，由于化学键的出现，沥青与矿料之间不仅有较大的粘附力，而且抗水能力也将大为改善。酸性岩石（SiO2含量大于65%的岩石）与沥青之间主要是物理吸附作用，故粘附性较差。碳酸盐或碱性岩石可以与沥青中的表面活性物质（酸性胶质或其他表面活性掺料）产生化学吸附，故能较好地相互粘附。粗骨料宜采用碱性岩石，是基于碱性岩石与沥青的粘附性要优于酸性岩石和中性岩石。因此，水工沥青混凝土的矿料，一般多采用碳酸盐或碱性岩石制成。石英砂与沥青的粘附性较差，但用作细骨料的天然砂，由于其表面常包有一层铁、铝和其他金属化合物，使其粘附性能大大改善，而碎石及细骨料的粘附力，则主要取决于岩石的矿物成分和化学性质。当需用酸性或中性岩石时，必须有充分的试验论证，研究是否需要对酸性骨料进行适当的技术处理，否则会造成酸性骨料沥青混凝土在短期内即会出现严重的剥蚀或破坏现象。室内外的试验成果表明，在酸性骨料沥青混凝土中掺加适量的消石灰、硅酸盐水泥、电石渣、三氯化铁、煤焦油、聚酰胺等，作为防剥离剂可以明显提高酸性骨料与沥青的粘附性能。由于影响酸性骨料粘附性的因素较复杂，对防剥离剂的作用机理和掺加工艺还有待进一步探讨和改进，因此工程上对酸性骨料的利用仍持较慎重态度。

沥青和骨料的粘附性的本质是两种材料的界面亲和力，这种亲和力是指表面张力、范德华力、机械附着力及化学反应引力，沥青和骨料之间的粘附性差是因为沥青和骨料之间的界面亲和力小于骨料与水之间的界面亲和力，由于水的极性很强，骨料表面的沥青能被水置换。石英类材料由于硅的含量很高，表面带有弱的负电荷，它与水分子中的氢离子能以氢键的方式结合，由于这类材料与沥青的结合主要依靠相对较弱的范德华力，此种结合力比水分子与硅的极性吸引力小得多，水更容易穿透沥青达到骨料表面将骨料与沥青分开；对于石灰岩材料，它与沥青的吸附作用主要是化学吸附力，而这种力是远远大于骨料与水分子的亲和力的。用煮沸法测定的骨料岩性与沥青的粘附性试验结果如下：

（1）岩石与沥青的粘附性与岩石矿物组成、结晶大小、排列方向、结构型式等有关。岩浆岩的粘附性随FeO、MgO、CaO等氧化物含量的增大而提高，随SiO2含量的增大而降低，随Na2O、K2O含量的增多而降低。

（2）岩浆岩风化后，表面可能部分高岭土化（如凝灰岩）、蒙德石化（如玄武岩）、水云母化（如云母）、绿泥石化（如角闪石）、蛇纹石化（如橄榄石）。对原来粘附性较好的岩石，风化后粘附性将有所降低，但对原来粘附性就较差的岩石，风化后粘附性反而会有所提高。通常可以认为，对于酸性岩石（如花岗岩）、中性岩（如正长岩），经轻微风化后其粘结性将有所改善，而对基性岩（如辉长岩）、超基性岩（如橄榄岩）则有所降低。

（3）以CaO、MgO为主要成分的沉积岩，与沥青的粘附性好，但随SiO2含量的增加而降低，SiO2含量达50%时，粘附性显著降低。同类灰岩的粘附性主要受岩石密度和孔隙率大小的影响，孔隙多的，由于沥青的渗入可使沥青膜粘附牢固。(www.xing528.com)

（4）变质岩以铁、镁、钙含量高的硅酸盐类矿物和碳酸盐类矿物所组成的岩石的粘附性最好，其中有蛇纹岩、绿泥石片岩、滑石片岩、千枚岩、钙质板岩、大理岩、白云岩等。而石英片岩、云母石英片岩、花岗片麻岩、石英岩则最差。

（5）将岩石在160℃的沥青中浸渍后，切片用偏光显微镜观察，可以发现在岩石内部的矿物节理及颗粒表面、胶结质中有淡黄色的渗入物，渗入深度与矿物成分、节理发育的程度、胶结质孔隙的性状有关。这些渗入物经水煮30min亦不脱落，可能已形成稳定的难溶盐类，改善粘附性。

水工沥青混凝土施工规范对骨料与沥青的粘附性用以下指标表示：粗骨料与沥青的粘附力、细骨料的水稳定等级。评定指标的试验方法均已定型，我国一直采用这两个指标进行骨料与沥青的亲和性能的评定。但这两个指标的提出也存在一些问题，一是试验指标只反映了沥青与骨料结合性的短期效应，沥青混凝土长期耐久性如何这一指标仍无法反映；二是试验方法没有根据水工沥青研制技术的发展得到改进，过去我国沥青生产技术水平不高，沥青质量很差，用这两项指标可以评定它与骨料的结合情况，但随着沥青加工技术的发展，水工沥青质量越来越好，最显著的指标是沥青含蜡量大幅度降低，沥青与骨料的粘附力靠现有的两个指标无法客观评定。例如，规范要求粗骨料与沥青的粘附力不小于四级，而硅质天然卵石与克拉玛依水工沥青和中海水工沥青的粘附力均为五级。因此，沥青与骨料的粘附性评定及检验方法是需要进一步研究的课题。

采用多孔矿料时，由于沥青渗入孔隙内部，使粘附性得到显著改善，但应注意到矿料孔隙对沥青选择性吸附的影响。微孔结构的矿料具有极大的吸附势能，在矿料表面吸附着沥青质，微孔中吸收胶质，而油分则渗入微孔的深处。选择性吸附的结果将大大改变沥青的性质，使其强度、热稳定性等提高，塑性降低，从而表现出硬化的倾向。对粗孔结构的矿料，由于吸附势能低，沥青主要是向粗孔内部渗透，选择性吸附的影响甚小，虽然要增加沥青用量，但对其性质没有明显的影响。