1 绪论
1.1 论文背景及意义
水稳定性是水工沥青混凝土重要的性能指标，指水工沥青混凝土在水损害条件下，通过其力学特性或残留的特性来表示，水工沥青混凝土水稳定性通常以其浸水前后的抗压强度变化来评定。通过对水工沥青混凝土水稳定性能进行深入研究探讨完善，为改善沥青混凝土整体性能提供参考依据。
1.1.1 研究背景
水工沥青混凝土防渗结构尽管在工程应用中发展迅速，但对其各项性能研究还不能尽善尽美。以往对水工碾压式沥青混凝土工程的研究中，其防渗性能、变形能力等性能研究较多，而对其水稳定方面的性能相对研究较少。
对于水工防渗建筑结构体系，心墙防渗结构的迎水面常年处在高水头的压力下，且随着水位不断涨落变化，而背水面基本处于相对干燥状态。沥青混凝土要承受年复一年的库水循环浸泡及不对称的高压渗透作用，而且它作为大坝的防渗体，隐蔽于坝体结构中，因而水稳定性的优劣直接影响大坝的运行安全。对于水工防渗面板结构的沥青混凝土，其受水作用的频率要远高于心墙及路面沥青混凝土，承受的水压低于心墙而高于道路沥青混凝土。
沥青混凝土的水稳定性主要指其遇水剥离的问题，在水和外力的作用下产生骨料和沥青的剥离，破坏其内部结构，从而使沥青混凝土整体结构破坏。水稳定系数是水工沥青混凝土水稳定性的衡量指标，其满足设计要求则水稳定性更容易得到保证。
沥青混凝土心墙坝在坝体运行的整个过程中，沥青混凝土心墙受到水的浸润、水压力等各种因素的影响，长此以往，使沥青混凝土心墙的使用寿命缩短。在沥青混凝土大坝长时间的运转情况下，外界环境（压力、温度等）的影响会使心墙出现一些早期破坏，水稳定性破坏是防渗结构常见的破坏形式，伴随着它的出现会引起结构其他方面的破坏，在很大程度上减弱了防渗结构的整体性能。其出现水稳定破坏主要是因为防渗体长时间接触水后，在水压力及温度变化的反复作用下，骨料表面的沥青膜逐渐被水置换。
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1.2 国内外研究现状
通过查阅文献资料，对国内外沥青混凝土水稳定性的研究有较清晰的了解认识，作为本文研究的理论基础，在此基础上通过试验对影响水稳定性的配合比参数因素以及海水条件下水稳定性的变化规律进行具体研究。
1.2.1 国内研究现状
国内学者对于水稳定性系统研究相对较晚，主要是通过研究沥青与骨料的粘附性来展现其水稳定性的优劣。以往对粘附性的研究表明，组成沥青混凝土的原材料性质与粘附性息息相关。通常情况下它们拌和接触后之间的相互作用是个复杂多变的的过程，相互作用后产生物理和化学吸附，其中对粘附性强弱起决定性作用的是化学吸附，由于化学吸附产生的作用力较强，决定着粘附性的好坏。碱性骨料和沥青拌和成型，会同时产生物理吸附和化学吸附作用，形成的难溶的化合物质，因此碱性骨料抗水剥离能力优良，但是酸性骨料与沥青之间不容易产生化学吸附，只有物理吸附，且粘附力极小，因而沥青与矿料间的粘结力较差。
哈尔滨工业大学的周秉誉研究了多孔沥青混合料抗剥落能力的试验方法及评价[10]，重庆交通大学的杨劲对排水沥青混合料在高粘度改性剂下水稳定性能进行了研究[11]，孙瑜、李立寒通过研究基于表面能理论的沥青混合料抗剥落性能[12]，李明婷针对基于表面能理论的沥青与骨料粘附性进行了系统的研究[13]，杜生翔针对基于孔隙水压力下的的沥青混凝土路面的水损害问题研究[14]，詹海玲等研究人员主要研究了泡沫沥青混合料水稳定性能 [15]，合肥工业大学的张苛、张争奇研究了沥青混合料在抗剥落剂作用下水稳定性能指标[16]，长安大学的王璐通过对沥青—骨料界面相结构和粘附机理对粘附性进行剖析研究[17]。
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2 沥青混凝土水稳定性机理研究及评价方法
2.1 沥青混凝土水稳定影响因素
论文研究的对象是水工碾压式沥青混凝土水稳定性，其中影响其因素主要为沥青混凝土原材料性质、沥青混合料性质、沥青混凝土施工影响、其他方面等[19]- [27]。此外，沥青混凝土所处环境对其水稳定性影响也很显著，如滨海地区环境、盐类碱类地区的环境。水稳定破坏主要表现在，在外界压力作用下，水分浸入沥青混凝土结构内部，产生动水压力和真空负压抽吸作用，以此对沥青膜形成冲刷作用，水分由此渗入油石界面，使沥青膜与剥落，粘附性降低[28]- [30]。综合其影响因素，原材料性质、沥青混凝土本身性质及所处外界环境对其水稳定性影响最为显著。
2.1.1 骨料性质
3 试验方案及材料选择 ....................................... 132 沥青混凝土水稳定性机理研究及评价方法
2.1 沥青混凝土水稳定影响因素
论文研究的对象是水工碾压式沥青混凝土水稳定性，其中影响其因素主要为沥青混凝土原材料性质、沥青混合料性质、沥青混凝土施工影响、其他方面等[19]- [27]。此外，沥青混凝土所处环境对其水稳定性影响也很显著，如滨海地区环境、盐类碱类地区的环境。水稳定破坏主要表现在，在外界压力作用下，水分浸入沥青混凝土结构内部，产生动水压力和真空负压抽吸作用，以此对沥青膜形成冲刷作用，水分由此渗入油石界面，使沥青膜与剥落，粘附性降低[28]- [30]。综合其影响因素，原材料性质、沥青混凝土本身性质及所处外界环境对其水稳定性影响最为显著。
2.1.1 骨料性质
骨料为沥青混凝土的骨架重要组成部分，因此，它的种类、化学组成、表面纹理结构、骨料坚硬程度等对水稳定性影响很大。本节主要从它的化学成分、表面构造、表面电荷、骨料洁净程度等几个方面进行阐述其对水稳定性的影响[28]。
（1）化学成分
骨料的化学成分对粘附性影响很大，同品种的骨料，化学成分也有很大差别。工程中使用的骨料主要为碱性、酸性骨料两大类，碱性骨料和沥青的粘附性好，作为工程常用材料，但沥青混凝土工程矿料用量巨大，因此讲究因地制宜、就地取材，一些地区只有酸性骨料，对于酸性骨料，酸性越强，亲水系数越大，通常骨料的亲水性大于对沥青胶结料的粘附力，导致沥青膜置换、沥青膜剥落，沥青混凝土抗水损害性能降低。碱性骨料进行矿物分析，主要成分有 SiO2、Fe2O3、Al2O3、Ga O，以及少量的 MnO 等物质，正常条件下，这些物质化学性质很稳定，使骨料表现为惰性，同时这些矿料化学成分会影响到沥青与骨料的粘附性等其它性质。
（1）化学成分
骨料的化学成分对粘附性影响很大，同品种的骨料，化学成分也有很大差别。工程中使用的骨料主要为碱性、酸性骨料两大类，碱性骨料和沥青的粘附性好，作为工程常用材料，但沥青混凝土工程矿料用量巨大，因此讲究因地制宜、就地取材，一些地区只有酸性骨料，对于酸性骨料，酸性越强，亲水系数越大，通常骨料的亲水性大于对沥青胶结料的粘附力，导致沥青膜置换、沥青膜剥落，沥青混凝土抗水损害性能降低。碱性骨料进行矿物分析，主要成分有 SiO2、Fe2O3、Al2O3、Ga O，以及少量的 MnO 等物质，正常条件下，这些物质化学性质很稳定，使骨料表现为惰性，同时这些矿料化学成分会影响到沥青与骨料的粘附性等其它性质。
（2）骨料表面结构
骨料表面形状各异，一般表面特性主要包括轮廓、棱角、纹理构造。具有立方体形状和丰富边角的骨料具有嵌入效果和高结构强度。 粗糙表面的骨料具有不规则形状，边角多，表面积大，与沥青接触面积大，沥青则更容易浸入骨料中并形成锚固和机械连接。 由于其较大的表面积，沥青和骨料之间的接触面积增加，因此它与沥青的粘附性更好。当骨料表面相对光滑时，孔隙和不规则纹理较少，沥青缺乏粘性锚固，因此粘附性差。与表面粗糙的骨料相比，表面光滑的骨料缺乏锚固和嵌入效应，抗剪切性能低。
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2.2 沥青与骨料的剥落机理
在沥青矿料体系中，它们相互之间存在着吸附作用。影响吸附机理的主要因素是沥青的组成和矿物的性质，即矿物组成、结构性质、表面性质和比表面积。骨料的性能比粘合剂的性能更重要。粘附力主要来源于沥青与活性骨料表面极性组分形成的各种化学键、范德华力等作用力[28]。
骨料表面形状各异，一般表面特性主要包括轮廓、棱角、纹理构造。具有立方体形状和丰富边角的骨料具有嵌入效果和高结构强度。 粗糙表面的骨料具有不规则形状，边角多，表面积大，与沥青接触面积大，沥青则更容易浸入骨料中并形成锚固和机械连接。 由于其较大的表面积，沥青和骨料之间的接触面积增加，因此它与沥青的粘附性更好。当骨料表面相对光滑时，孔隙和不规则纹理较少，沥青缺乏粘性锚固，因此粘附性差。与表面粗糙的骨料相比，表面光滑的骨料缺乏锚固和嵌入效应，抗剪切性能低。
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2.2 沥青与骨料的剥落机理
在沥青矿料体系中，它们相互之间存在着吸附作用。影响吸附机理的主要因素是沥青的组成和矿物的性质，即矿物组成、结构性质、表面性质和比表面积。骨料的性能比粘合剂的性能更重要。粘附力主要来源于沥青与活性骨料表面极性组分形成的各种化学键、范德华力等作用力[28]。
在形成化学吸附的情况下，在界面上生成新的化学键，释放大量的热量，另一方面，物理吸附释放的热量很低，吸附类型主要取决于填料类型。在沥青与矿物材料之间，吸附过程中产生的热效应称为吸附热，润湿过程中产生的热效应称为湿润热。从本质上讲，它是沥青与矿料相互作用的必然结果，吸附一般不单独产生，物理吸附和化学吸附经常相伴发生。然而，当沥青与矿物材料形成化学吸附层时，其相互粘附力远大于物理吸附所产生的粘聚力，只有化学吸附才能保证沥青混凝土良好的水水稳定性[31]
剥落的产生主要是沥青和骨料形成的粘附被破坏、失效导致。其主要原因可以概括为以下几个方面：
常用的骨料多是碱性材料，它们的表面碱金属含量多，与沥青中的不同组分可以形成可溶性物质、难溶性物质。当其表面钾、钠等低价阳离子含量较高时，它与沥青中的极性组分形成有机金属盐，这种盐在水中的溶解度较大，水工沥青混凝土作为防渗结构，经常与水接触，受水作用，有机金属盐溶解，沥青与骨料之间形成的粘附力会破坏以致于消失，从而形成剥落。骨料表面的高价碱土金属离子与沥青中的极性组分形成不溶于水的新物质，即使在水的作用下对其粘附性影响也很微弱。
常用的骨料多是碱性材料，它们的表面碱金属含量多，与沥青中的不同组分可以形成可溶性物质、难溶性物质。当其表面钾、钠等低价阳离子含量较高时，它与沥青中的极性组分形成有机金属盐，这种盐在水中的溶解度较大，水工沥青混凝土作为防渗结构，经常与水接触，受水作用，有机金属盐溶解，沥青与骨料之间形成的粘附力会破坏以致于消失，从而形成剥落。骨料表面的高价碱土金属离子与沥青中的极性组分形成不溶于水的新物质，即使在水的作用下对其粘附性影响也很微弱。
骨料的表面存在的水及负电荷和沥青中的负电荷结合时会引起相互排斥，影响粘附效果。水的表面张力比沥青的表面张力大得多，在相同条件下，水更容易吸附在骨料表面，若骨料表面存在很强的吸湿性的材料，如粘土、粉末和其他涂层或硅酸盐，使骨料中的水分产生聚集，形成水膜，吸附水在加热过程中容易去除，但化学结合水在加热到较高温度时，仍然难以从骨料表面分离，表面水的存在相当于沥青和骨料在材料界面的隔离剂，破坏粘附的形成。水的存在作用，使沥青骨料初始粘附不易形成，并且水容易导致沥青变软、粘性降低、塑化和开裂，更早出现剥落，使沥青混凝土整体性与强度减小。
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3.1 正交试验设计 ...................................... 13
3.1.1 正交试验方案概述 ................................. 13
3.1.2 试验方案设计 ......................... 13
4 影响水稳定性试验因素分析 ....................................... 27
4.1 水稳定试验 ...................................... 27
4.2 空气条件下试验结果分析 ................................... 28
4.3 水浴条件下试验结果分析 ............................. 31
5 模拟海水条件下水稳定性研究 ......................................... 43
5.1 试验目的 .............................. 43
5.2 试验方案 .................................. 43
6 海水条件下浸泡时间对水稳定性的影响
6.1 试验目的
沥青混凝土作为防渗材料，应用于土石坝心墙防渗层或面板防渗层，只要坝体正常运转，其沥青混凝土防渗体则一直承担防渗作用。因此使用年限长，所以水稳定试验 48h的浸泡时间不能反映沥青混凝土长时间浸泡条件下水稳定的变化情况。鉴于此原因，本章研究针对沥青混凝土试件在普通海水条件下，长时间浸泡对沥青混凝土水稳定性的影响规律。
试验表明，沥青混凝土长期浸泡在水中，其耐水性得到充分表现出来。长期浸水试验是测试沥青混凝土耐水性的最正确的做法。毫无疑问，对研究来说这将需要更长的时间，而且一般不能满足工程需要。为了快速、准确地测试沥青混凝土的耐水性，国内外学者开展了大量的试验研究工作。在大量试验数据和科学分析的基础上，提出了沥青混凝土耐水性试验方法的改进建议。其中，苏联学者提出将水的温度从 60℃提高到 80℃，经过大量试验，沥青混凝土在 80℃的水中浸泡 75 小时，相当于在 20℃水中浸泡 1 年的定量关系。
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7 结论及展望
7.1 结论
本文以水工碾压式沥青混凝土水稳定性作为研究目的，室内水稳定试验作为主要研究手段，进行分析说明影响水工沥青混凝土的水稳定性的因素。论文通过对沥青混凝土正交试验设计进行研究分析，探究配合比参数因素对水稳定性的影响，然后选择合适的配合比进行海水环境下水稳定性试验研究，在海水环境下主要进行沥青混凝土在普通海水浓度条件下、不同海水浓度情况下以及在改变沥青混凝土浸水时间情况下的的水稳定性试验，主要试验研究的结论包括：
参考文献（略）
7 结论及展望
7.1 结论
本文以水工碾压式沥青混凝土水稳定性作为研究目的，室内水稳定试验作为主要研究手段，进行分析说明影响水工沥青混凝土的水稳定性的因素。论文通过对沥青混凝土正交试验设计进行研究分析，探究配合比参数因素对水稳定性的影响，然后选择合适的配合比进行海水环境下水稳定性试验研究，在海水环境下主要进行沥青混凝土在普通海水浓度条件下、不同海水浓度情况下以及在改变沥青混凝土浸水时间情况下的的水稳定性试验，主要试验研究的结论包括：
参考文献（略）