水工瀝青混凝土劈裂特性影響因素分析

張 揚(yáng)

(莆田市生態(tài)水系建設(shè)投資管理有限公司,福建 莆田 351106)

具有低防滲性、變形適應(yīng)性強(qiáng)和耐久性好的瀝青混凝土被廣泛應(yīng)用于常年多雨、高寒區(qū)或缺乏黏土等地區(qū)的土石心墻壩工程[1]，如挪威128 m的Storglomvatn壩、四川冶勒壩與去學(xué)壩等工程。作為水工結(jié)構(gòu)中最重要的防滲體，瀝青混凝土材料特性成為瀝青混凝土心墻壩領(lǐng)域的重要課題[2]，其中配合比設(shè)計(jì)與分析是研究其物理力學(xué)性質(zhì)的重要途徑。骨料級(jí)配指數(shù)r、填料用量G及瀝青含量B是配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素[3]，閆小虎等[4]采用控制變量法探究了r、B及G對(duì)孔隙率、穩(wěn)定度及流值的影響，慈軍[5]指出G用量直接影響瀝青混凝土穩(wěn)定度及流值，r值對(duì)穩(wěn)定性存在影響；現(xiàn)有規(guī)范[6]對(duì)心墻瀝青混凝土給出了孔隙率、滲透系數(shù)等控制標(biāo)準(zhǔn)，并指出應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際要求提出有關(guān)變形與力學(xué)指標(biāo)[7]。當(dāng)前筑壩技術(shù)持續(xù)發(fā)展，瀝青混凝土心墻壩已有向數(shù)百米級(jí)發(fā)展的趨勢(shì)[8]，這進(jìn)一步促進(jìn)瀝青混凝土工程性質(zhì)的研究。

瀝青混凝土在組構(gòu)上屬于空間網(wǎng)狀多相分散體系，其內(nèi)部孔隙較小且處于封閉狀態(tài)，無(wú)孔隙水應(yīng)力作用，通常認(rèn)為瀝青混凝土心墻不存在水力劈裂問(wèn)題[9]，但已有局部裂縫在水力作用下仍存在擴(kuò)展可能性[10]。朱晟等[11]指出骨料級(jí)配影響瀝青混凝土剪脹性與孔隙率，拉應(yīng)力作用下局部微小裂紋誘導(dǎo)心墻發(fā)生水力劈裂；曹巖等[12]通過(guò)模型試驗(yàn)得到了剪脹作用下拉應(yīng)力對(duì)瀝青混凝土心墻開(kāi)裂影響規(guī)律；余梁蜀等[13]指出配合比參數(shù)對(duì)瀝青混凝土孔隙率、劈裂強(qiáng)度及劈裂位移影響均很大，但尚未量化討論影響程度。瀝青混凝土配合比對(duì)其工程特性影響規(guī)律仍在持續(xù)分析研究階段。因此，依據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，設(shè)定3因素4水平試驗(yàn)，采用極差與方差分析法探究因素r、G與B對(duì)劈裂強(qiáng)度及劈裂位移的影響，得到配合比參數(shù)最優(yōu)組合；將配合比參數(shù)空間化，分析瀝青混凝土劈裂特性分布規(guī)律，為其工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用瀝青為新疆克拉瑪依70號(hào)(A級(jí))瀝青，密度為0.989 g/cm3，針入度為69.8(單位為0.1 mm)，軟化點(diǎn)為47.6℃，延度大于176 cm(環(huán)境溫度為15 ℃)；所用填料為堿性礦粉，密度為2.69 g/cm3，含水率為0.08%，親水系數(shù)為0.88；粗細(xì)骨料均為灰?guī)r破碎篩分顆粒，表觀密度為2.74 g/cm3，吸水率為0.43%，壓碎率為7.56%，耐久性為0.436%，與所用瀝青黏附性等級(jí)為5級(jí)；其中，粗骨料粒徑范圍2.35～19.00 mm，細(xì)骨料為0.075～2.350 mm，詳細(xì)粒徑級(jí)配曲線見(jiàn)圖1(圖中Pi為小于某一粒徑di顆粒質(zhì)量的百分比)。

圖1 骨料粒徑級(jí)配曲線

采用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的馬歇爾試驗(yàn)儀進(jìn)行瀝青混凝土的劈裂試驗(yàn)，測(cè)定不同配合比下試樣劈裂強(qiáng)度σt和劈裂位移s變化規(guī)律；采用應(yīng)變控制施加荷載，加荷速率為1.0 mm/min，環(huán)境溫度為17.7 ℃；試樣尺寸為直徑100±1.0 mm、高63.5±0.5 mm的圓柱體。

1.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)已有成果[3-5]，用式(1)確定配合比參數(shù)r值。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，心墻所用瀝青混凝土骨料最大粒徑設(shè)定為19 mm，設(shè)定配合比參數(shù)均為4種水平，即r值為0.36、0.38、0.40及0.42，G值為10%、12%、14%及16%，B為6.0%、6.4%、6.8%及7.2%。

(1)

式中G——填料用量，即d< 0.075 mm顆粒質(zhì)量與骨料總質(zhì)量的百分比。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)與概率論為基礎(chǔ)的試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用較少試驗(yàn)組來(lái)反映全面試驗(yàn)所探尋內(nèi)在規(guī)律，通常采用正交表進(jìn)行影響因素試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。根據(jù)分析，選用3因素4水平16組的L16(43)正交表，正交試驗(yàn)見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

整理試驗(yàn)結(jié)果，得到16組不同配合參數(shù)時(shí)瀝青混凝土σt和s試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表2。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，采用極差法進(jìn)行因素影響分析，以確定不同因素間最佳水平組合。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 劈裂強(qiáng)度分析

(2)

Rj=[max(Kij)-min(Kij)]/kij

(3)

(4)

2.2.1極差分析法

整理表1、2，得到瀝青混凝土影響指標(biāo)σt下配合比參數(shù)間的Rj值，見(jiàn)表3。從表3可知，r、G與B的Rj依次是0.067 2、0.032 5與0.030 5；其中，r的Rj顯著大于G及B，則說(shuō)明r對(duì)σt的影響顯著大于G與B，且后兩者對(duì)σt的影響相差不大；依據(jù)因素間的極差意義，則配合比參數(shù)中對(duì)瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度影響次序?yàn)榧?jí)配指數(shù)>填料用量>瀝青含量。

表3 試樣σt的Rj值

瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度隨級(jí)配指數(shù)增加而增大，隨填料用量與瀝青用量增加呈先增大后減小。為盡可能增大瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度，工程實(shí)際使用時(shí)可參考級(jí)配指數(shù)0.42、填料用量12%及瀝青用量6.8%的配合比參數(shù)。

2.2.2方差分析法

表4 試樣σt的方差分析

2.3 劈裂位移分析

2.3.1極差分析法

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到指標(biāo)s下不同配合比參數(shù)間的Rj值，見(jiàn)表5。從表5可知，r、G與B的Rj依次是0.401 0、0.599 3與11.072 3；其中，B的Rj顯著大于r與G，則說(shuō)明B對(duì)s的影響顯著大于r與G，且G對(duì)指標(biāo)s影響稍大于r；這表明配合比參數(shù)對(duì)劈裂位移影響次序?yàn)闉r青含量>填料用量>級(jí)配指數(shù)，與劈裂強(qiáng)度的次序相反。

表5 指標(biāo)s的Rj值

瀝青混凝土劈裂位移隨級(jí)配指數(shù)增加呈波動(dòng)變化，在r=0.36時(shí)取極小值；隨填料用量增加呈先增大后減小變化，在G=12%處取極大值；隨瀝青用量增加呈先增大變化。從盡可能降低瀝青混凝土劈裂位移角度，工程實(shí)際使用時(shí)可參考級(jí)配指數(shù)0.36、填料用量16%及瀝青用量6.0%的配合比參數(shù)。

2.3.2方差分析法

表6 指標(biāo)s的方差分析

3 討論

3.1 強(qiáng)度與模量

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度隨應(yīng)變呈先增大后減小變化趨勢(shì)，抗拉模量隨應(yīng)變?cè)龃蠖€性降低變化規(guī)律，見(jiàn)圖2。常溫環(huán)境中瀝青混凝土受到劈裂荷載作用時(shí)，在壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為引起試樣破壞拉應(yīng)力過(guò)程[14]，骨料間摩擦、咬合及鑲嵌結(jié)構(gòu)仍能抵抗外部荷載作用；從強(qiáng)度指標(biāo)角度而言，骨料級(jí)配指數(shù)對(duì)瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度影響顯著大于填料用量與瀝青含量(表3)。另一方面，瀝青混凝土需適應(yīng)壩體心墻與兩側(cè)過(guò)渡層差異協(xié)調(diào)變形，可選擇適當(dāng)增加填料用量或?yàn)r青含量[15]；從剛度角度而言，瀝青含量對(duì)瀝青混凝土劈裂位移影響程度顯著大于其余配合比參數(shù)(表5)。因此，對(duì)于可能存在水力劈裂的工程部位選擇瀝青混凝土作為防滲體時(shí)宜充分考慮其所處應(yīng)力狀態(tài)而擇優(yōu)選擇適宜的配合比。

圖2 劈裂強(qiáng)度與抗拉模量-應(yīng)變分布

3.2 配合比參數(shù)分布

以瀝青混凝土配合比3個(gè)參數(shù)作為空間坐標(biāo)系，用球體大小及顏色表征分析指標(biāo)的數(shù)值大小，見(jiàn)圖3。由圖3a可知，球體在r軸正向上大體呈偏向由小及大、顏色為由紅至藍(lán)的分布，這表明骨料級(jí)配指數(shù)對(duì)劈裂強(qiáng)度影響較為明顯；在圖3b中，球體在B軸反向上大體呈偏向由小及大、顏色為由紅至藍(lán)的分布，即瀝青劈裂位移對(duì)瀝青用量的變化較為敏感。這與極差和方差的分析結(jié)果相一致。

a)劈裂強(qiáng)度

4 結(jié)論

a)極差分析法表明瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度隨級(jí)配指數(shù)增加而增大，隨填料用量與瀝青用量增加呈先增大后減小；配合比參數(shù)對(duì)劈裂強(qiáng)度影響次序?yàn)椋杭?jí)配指數(shù)>填料用量>瀝青含量。

b)方差分析法表明瀝青混凝土劈裂位移隨級(jí)配指數(shù)增加呈波動(dòng)變化，隨填料用量增加呈先增大后減小變化，隨瀝青用量增加呈先增大變化；配合比參數(shù)對(duì)劈裂位移影響程度次序?yàn)椋簽r青含量>填料用量>級(jí)配指數(shù)。

c)從強(qiáng)度而言，瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度優(yōu)先考慮級(jí)配指數(shù)取值；從剛度角度，瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度優(yōu)先考慮瀝青含量取值。在可能存在水力劈裂的工程部位選擇瀝青混凝土作為防滲體時(shí)宜充分考慮其所處應(yīng)力狀態(tài)而擇優(yōu)選擇適應(yīng)的配合比。