不同取芯溫度對心墻瀝青混凝土性能影響分析

王中良，唐婉秋，謝自然，岳 杰，楊 坤

(四川省紅魚洞水庫建設管理局，四川 巴中 636600)

瀝青混凝土心墻壩具有抗滲性好、適應變形能力強、抗沖刷、耐老化等優點[1- 4]，已成為當地材料壩的首選壩型。然而，復雜氣候條件給瀝青混凝土心墻壩的施工帶來了諸多難題[5- 6]。如四川地區夏季平均氣溫在30℃左右，最高溫度高達40℃，在心墻填筑過程中，規范[6- 8]要求心墻填筑上升每8～12m需取芯一次，心墻溫度一般要降至一定溫度后才能進行鉆芯。瀝青混凝土終碾溫度一般在110℃以上，心墻溫度較高，心墻兩側被過渡料包裹，外露面面積小，加之環境溫度高，溫度降低緩慢。這導致瀝青混凝土心墻碾壓完成后，達到取芯樣的條件需停工3～4d時間，造成人工及機械的浪費。為保證復雜氣候條件瀝青混凝土心墻施工進度和施工質量，國內學者進行了較多的研究工作。針對冶勒水電站大壩特殊的建設條件，張應波、何仲輝提出了一套管理、檢測及質量控制措施[9- 11]。朱西超、王懷義等研究了瀝青混凝土碾壓結合面的力學性能[12- 14]，萬連賓、何建新、陳宇等研究了提高瀝青混凝土碾壓結合面質量的施工工藝及溫度對瀝青混凝土力學性能的影響[15- 17]。本研究將結合某工程現場碾壓試驗段，觀測瀝青混凝土碾壓后溫度變化過程，在滿足取樣條件后的幾個溫度下鉆取芯樣，室內對各芯樣進行物理、力學性能檢測，分析取樣溫度對瀝青混凝土性能的影響。在保證芯樣質量的前提下，確定適宜的取樣溫度，為加快施工進度提供可行性參考。

1 材料及方法

試驗研究選擇在碾壓試驗段上進行，瀝青混合料入倉溫度為160℃，初碾溫度為145℃，終碾溫度為110℃。碾壓結束后，待心墻溫度降低至一定溫度后方可進行取芯。現場取樣時發現，取芯溫度在60℃及以上時，瀝青混凝土芯樣很難取出，取出時大多也已產生斷裂和變形，失去試驗條件，故本次試驗研究取芯溫度分別設定為50、40、30、20℃，取芯時環境溫度為6～10℃。對不同取芯溫度的試樣分別進行如下試驗。

理論最大相對密度試驗：將瀝青混凝土芯樣上層整根取出，每種取芯溫度下取3根芯樣，從中間部位分隔開，分為上部和下部。試驗按照DL/T 5362—2006《水工瀝青混凝土試驗規程》方法進行試驗[18]。

瀝青混凝土單軸壓縮試驗：將制備好的試件分別放在相應溫度下恒溫4h以上，使試件內部溫度達到要求，然后進行單軸壓縮試驗。在10t自動控溫萬能材料試驗機(UTM- 5105)上進行，試驗采用的加載速率為1mm/min。試驗溫度分別設定為5、16.5、25℃，16.5℃為工程區多年平均氣溫。

瀝青混凝土小梁彎曲試驗：將現場圓柱形瀝青混凝土試件切割成標準小梁彎曲試件，測定試件密度及孔隙率，小梁彎曲試驗在瀝青混凝土綜合試驗機上進行，利用位移及荷重傳感器采集試驗數據，試驗加載速率為1.67mm/min，試驗溫度選擇16.5℃。

2 結果及分析

2.1 理論最大相對密度結果及分析

分別對不同取芯溫度下的芯樣進行理論最大相對密度試驗，結果見表1。

表1 不同取芯溫度下瀝青混凝土的理論最大相對密度結果 單位：g/cm3

表1可以看出，瀝青混凝土的上部的理論最大相對密度小于下部，上部的理論最大相對密度的平均值約為2.436g/cm3，下部的理論最大相對密度平均值為2.445g/cm3。

表2可以看出，隨著取芯溫度的升高，芯樣的密度逐漸減小，孔隙率不斷增加，取芯溫度20℃時孔隙率為1.6%，取芯溫度為50℃時，孔隙率增大到2.1%。說明相同質量的空氣在不同溫度的瀝青混凝土中形成的氣泡體積是不一樣的，溫度高的芯樣瀝青混凝土中氣泡體積較大，而瀝青混凝土中其他物質因溫度不同而產生的體積變化較小，這就導致不同溫度下取得的瀝青混凝土芯樣出現了上述現象。各取芯溫度下，瀝青混凝土的上部密度均小于下部的密度，在理論最大相對密度的測試中也出現了同樣的規律，從孔隙率來看，上下部的孔隙率差異性不大。

心墻施工過程中，由于攤鋪溫度及碾壓溫度較高，瀝青混凝土中瀝青膠漿將更加具有流動性，在振動碾作用下，易造成骨料與瀝青膠漿的離析，導致大骨料下沉，引起瀝青混凝土的下部密度大于上部；在取芯樣進行檢測時，為保證芯樣的順利取出，需連續晃動已鉆動的芯樣，保證底部完全脫離，上下部位受到的擾動程度不同，會出現的不同程度損傷，且溫度越高，損傷程度加大。

2.2 單軸壓縮試驗結果及分析

單軸壓縮試驗用于測定瀝青混凝土的軸向抗壓強度、應變和變形模量，是反映瀝青混凝土強度最直接的指標。當試驗溫度為5、16.5、25℃條件時，單軸壓縮試驗結果如圖1—3所示。

圖1 單軸壓縮試驗結果(5℃)

表2 不同取芯溫度下芯樣密度及孔隙率

圖2 單軸壓縮試驗結果(16.5℃)

圖3 單軸壓縮試驗結果(25℃)

圖1可以看出，試驗溫度為5℃時，不同取芯溫度的抗壓強度變化較為明顯，隨著取芯溫度的升高，抗壓強度呈現出逐漸下降的趨勢，取芯溫度為50℃時上部試件的抗壓強度較20℃時減小約20.8%，下部相比減小17.5%。瀝青混凝土是典型的溫度敏感型材料，當溫度較高時(高于瀝青的軟化點)，瀝青混凝土仍處于流塑狀態，外力作用對瀝青混凝土的結構和強度的形成產生較大影響。因此，隨著取樣溫度的提高，瀝青混凝土的抗壓強度逐漸降低。還可以看出，下部瀝青混凝土強度均高于上部，主要是下部瀝青混凝土試件中粗骨料含量較上部高，相比細骨料和填料而言，粗骨料的骨架作用更強，對強度的提高作用也更明顯。

在試驗溫度16.5℃時，不同取芯溫度的抗壓強度變化較小。瀝青混凝土芯樣下部抗壓強度基本保持不變，瀝青混凝土芯樣上部從取芯溫度20℃至取芯溫度40℃基本不變，但取芯溫度到50℃時，上部抗壓強度降低較為明顯，溫度為50℃時，已明顯高于瀝青的軟化點的溫度，在該溫度條件下，瀝青混凝土處于流塑狀態，無法形成有效的強度，因此，取芯溫度為50℃時，瀝青混凝土抗壓強度會出現較大程度的減小。

當單軸壓縮試驗溫度為25℃時，不同取芯溫度的抗壓強度基本保持穩定，說明在25℃的試驗溫度下，不同取芯溫度對瀝青混凝土抗壓強度影響很小。試驗溫度較高時，取芯溫度對瀝青混凝土結構等造成的影響已經不顯著了。同時，瀝青混凝土自身的強度也偏低，變形能力較強。

圖4試驗匯總曲線來看，無論試驗溫度是多少，均表現出瀝青混凝土芯樣上部的抗壓強度大于下部；試驗溫度越低，試件抗壓強度越高；試驗溫度越低，不同取芯溫度的抗壓強度差別表現越明顯，在試驗溫度為25℃時，抗壓強度幾乎不隨取芯溫度的變化而變化。從不同取芯溫度和不同試驗溫度的單軸壓縮試驗結果來看，對于取芯溫度為50℃的芯樣，單軸抗壓強度相對較低，取芯溫度為20、30、40℃的單軸抗壓強度隨取芯溫度的增加影響不大。

圖4 試驗匯總曲線

不同取芯溫度、試驗溫度的單軸壓縮試驗應力～應變曲線如圖5—7所示。

瀝青混凝土為溫度敏感性材料，其力學性能基本滿足黏彈性材料的特性。從圖5—6可以看出，應變在2%以內，應力～應變曲線基本都呈線性關系，材料處于線彈性狀態；隨著試驗溫度的升高，變形模量逐漸減小。應變在2%～4%時，應力～應變曲線出現明顯彎曲，切線模量逐漸減小，材料進入黏彈性狀態。應變大于4%時，隨著應變的增加應力基本保持不變，材料進入黏塑性狀態。從圖7可以看出，由于試驗溫度較高，上述3個階段界限不明顯，隨著應變的增大應力呈曲線變化，材料均表現為粘彈性狀態。

從圖5可以看出，隨著取芯溫度的增加，在相同的應變時，芯樣上部和下部均出現應力明顯降低的規律，應力～應變曲線差異較大。從圖7可以看出，隨著取芯溫度的增加，在相同的應變時，芯樣上部和下部的應力下降不明顯，應力～應變曲線差異不大，隨著試驗溫度的增加，減小了取芯溫度對應力～應變的影響。

圖5 試驗溫度5℃時不同取芯溫度的單軸壓縮應力～應變曲線

圖6 試驗溫度16.5℃時不同取芯溫度的單軸壓縮應力～應變曲線

圖7 試驗溫度25℃時不同取芯溫度的單軸壓縮應力～應變曲線

2.3 小梁彎曲試驗結果及分析

不同溫度條件下小梁彎曲試驗結果見表3，抗彎強度、最大彎拉應變平均值變化規律如圖8所示。

圖8 不同取芯溫度條件下芯樣抗彎強度、最大彎拉應變變化曲線

圖8可以看出，不同取芯溫度條件下的抗彎強度均滿足規范中大于400kPa、最大彎拉應變大于1%的要求。隨著取芯溫度的升高，試件抗彎強度逐漸降低，彎拉應變逐漸增大，當取芯溫度由40℃升高為50℃時，抗彎強度減小幅度較大，拉伸應變增長趨勢也較明顯，當取芯溫度為50℃時，對瀝青混凝土性能的影響較為顯著。

表3 不同取芯溫度下芯樣的小梁彎曲試驗結果

3 結語

本文結合某工程，對不同溫度瀝青混凝土鉆芯取樣，分別進行了理論最大相對密度、密度、孔隙率、單軸壓縮、小梁彎曲試驗，主要得到以下結論：

(1)心墻瀝青混凝土在碾壓過程中產生了一定程度離析，同一層瀝青混凝土中出現上部瀝青混凝土密度和理論最大密度都小于下部的現象；不同溫度條件下所取芯樣的密度和孔隙率均有差異。

(2)取芯溫度為20、30、40℃時，芯樣的單軸抗壓強度與彎曲強度與芯溫度不敏感，取芯溫度為50℃時，單軸抗壓強度、彎曲強度下降較多。單軸抗壓強度與彎曲強度的差異隨著試驗溫度的升高逐漸減小。

建議在心墻瀝青混凝土內部溫度低于40℃以后(應低于瀝青的軟化點)，再進行取芯為宜，此時可減小取芯過程對芯樣的損傷，保證芯樣質量，避免取芯溫度過高對芯樣檢測結果的影響。