心墻瀝青混凝土力學性能試驗研究

王 煒，陳衛烈，謝嚴君

(葛洲壩集團試驗檢測有限公司，宜昌 443002)

密實的瀝青混凝土是一種防滲和變形能力良好的材料，且由于其施工便捷，目前越來越多的作為防滲體應用于水工建筑。瀝青混凝土心墻作為其中一種主要的應用形式，其抗滲性和協調變形的能力是工程關注的重點，強度指標方面往往存在一定的爭議[1,2]。但是同水泥混凝土材料相比，瀝青混凝土相對來說較為松散，可以近似當做一種散粒體進行研究，并且由于瀝青混凝土心墻與兩側壩體材料的剛度存在差異，心墻可能產生拱效應，心墻承受的豎向自重應力部分傳遞到過渡料，變相地降低了心墻抵抗剪切破壞的能力，而采用軟巖筑壩時，壩殼料傳遞到心墻上的水平土壓力又會增加，因此拋開具體的指標要求的合理性，研究瀝青混凝土心墻的抗剪強度是有實際意義的。

瀝青混凝土作為一種彈塑性材料，其力學特性取決于材料的組成和具體的使用環境，室內試驗結果則與成型方式、試驗溫度、應變速率、圍壓大小等試驗條件密切相關[3]。該文從試驗溫度、變形速率、圍壓等角度對瀝青混凝土的力學特性進行了研究。

1 試 驗

該文取某項目瀝青混凝土心墻芯樣，切割為φ100×200 mm標準尺寸，按設定試驗條件進行三軸試驗。為研究不同溫度、圍壓和加載速率對試驗結果的影響，分別選取了3.4 ℃、10 ℃和20 ℃三個溫度，0.2 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa、1.2 MPa四個圍壓，0.2 mm/min和0.05 mm/min兩個加載速率組合進行試驗，每個試驗條件下進行三次平行試驗。試件在圍壓條件下穩定30 min后進行軸向加載，通過傳感器用計算機采集試件加載過程中的軸向力、軸向位移和體變位移，再由試件面積、高度和體積計算出試件的軸向應力、軸向應變和體積應變。瀝青混凝土芯樣靜三軸試驗項目見表1。

表1 瀝青混凝土芯樣靜三軸試驗項目

2 結果與討論

2.1 應力應變曲線特性分析

不同試驗溫度下的應力應變曲線如圖1所示，圖中3條曲線為平行試驗結果。曲線基本呈現出較為明顯的反彎段、線性段、雙曲段和破壞段。試驗結果顯示，試驗溫度3.4 ℃時，應力應變曲線初始階段存在較為明顯的反彎點，隨著溫度的升高，反彎點下移，試驗溫度20 ℃時曲線初始階段已經沒有明顯的反彎點。反彎點的存在主要是由于試件初始孔隙率較大，易于壓縮，蠕變變形在總變形中占有較大的比重導致。隨溫度的升高，瀝青黏度降低，或者圍壓增大，試驗前的穩壓階段對試件的壓縮效果都會愈發顯著，使得試驗開始時試件處于難以壓縮的狀態。研究顯示，增大瀝青用量，反彎點也會下移直至消失。反彎點過后，曲線會出現短暫的近似直線段，有專家指出，直線段的存在是由于前一階段的加載使得孔隙減少并趨于均勻，骨料直接的接觸更加明顯，外部荷載由瀝青逐步轉移至骨料[4]。從曲線中也可以看出，隨著溫度的升高，線性段的長度減小，20 ℃的試驗溫度下已無明顯的線性段。

最大偏應力往往能直觀地反映瀝青混凝土的強度大小。試驗結果發現，3.4 ℃、10 ℃和20 ℃下，圍壓0.2 MPa的最大偏應力依次為2.32 MPa、1.29 MPa和0.73 MPa，最大偏應力時軸向應變依次為8.15%、12.24%和16.61%，初始切線模量降低了接近85%，數據見表2。結果表明隨溫度升高，主應力差顯著降低，峰值應變顯著增大，應力應變曲線明顯向橫軸靠近，形狀發生了明顯的變化。

表2 不同試驗溫度下的試驗結果(圍壓0.2 MPa)

不同圍壓下的應力應變曲線如圖2所示。隨圍壓的增大，曲線反彎段減小，且低圍壓下反彎點后出現較為明顯的線性段，但高圍壓時線性段已不明顯。圍壓0.2 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa和1.2 MPa的最大偏應力依次為2.32 MPa、2.50 MPa、3.29 MPa、3.48 MPa，最大偏應力時軸向應變依次為8.15%、10.85%、11.53%、13.56%，數據見表3。圍壓增大會提高峰值主應力差，變形也隨之增大，曲線向縱軸靠近，形狀變化也較為明顯。

表3 不同圍壓下的試驗結果(試驗溫度3.4 ℃)

不同變形速率下的應力應變關系曲線如圖3所示，數據見表4。從試驗結果可以看出，隨著加載速率的升高，初始直線段的切線模量明顯提高，相同的應變下，加載速率0.2 mm/min下的主應力差較0.05 mm/min增大接近一倍。經計算，3.4 ℃時0.2 mm/min和0.05 mm/min加載速率下的1%應變時割線模量分別為63.5 MPa和45 MPa，降低了近1/3，而隨著溫度的升高，這種趨勢會更加明顯，20 ℃下的初始切線模量從9 MPa降低到了0.48 MPa。隨著加載速率的降低，應力應變曲線將變得更加平緩。對比不同溫度和不同加載速率的試驗結果發現，升高溫度和降低加載速率得到一致的結果，驗證了瀝青混凝土力學性能上的時溫等效。

表4 不同加載速率下的試驗結果(圍壓0.2 MPa)

2.2 抗剪強度結果分析

試驗溫度3.4 ℃和10 ℃下的抗剪強度結果如表5所示。溫度從3.4 ℃升高到10 ℃，黏聚力降低了30%，溫度升高，瀝青從接近彈性狀態向彈塑性狀態轉變，結果為瀝青材料溫度敏感性的正常體現；而溫度從3.4 ℃升高到10 ℃，內摩擦角從25.7°降低到了21.6°，瀝青混凝土的摩擦強度微觀機理比較復雜，單從試驗結果可以斷定，瀝青膠結料力學模型的變換，會影響瀝青混凝土的摩擦強度。低溫下集料顆粒提升錯動、轉動、拔出等行為會消耗更大的能量。因此溫度升高，瀝青混凝土的黏聚力和內摩擦角都會降低。

表5 試驗溫度3.4 ℃和10 ℃下的抗剪強度結果

通過模型計算結果可以看出，溫度升高，模量數K降低。模量數K可以一定程度上表征應力應變曲線初始切線模量的大小，溫度升高，初始切線模量降低，模量數K降低，瀝青混凝土的變形能力提高。模量指數反映的是圍壓對初始切線模量大小的影響，溫度升高，模量指數n降低，圍壓對切線模量的影響降低。

3 結 論

從瀝青混凝土的結構形式，以及在壩體內的受力特點來看，研究瀝青混凝土的抗剪強度是具有實際意義的。該文研究了試驗溫度、圍壓和變形加載速率對瀝青混凝土三軸試驗結果的影響。隨著溫度的升高，峰值主應力差降低，對應的變形增大，黏結力和內摩擦角均降低；圍壓和加載速率增加，均會導致抗剪強度增大。試驗條件往往取自實際的工程情況，因此在材料組成設計階段，就需要充分考慮試驗條件對強度指標的影響，選擇合適的配比。