溫度場作用下水工瀝青混凝土的力學(xué)穩(wěn)定性研究

王靜雯

(江西省南昌縣聯(lián)圩河道堤防中心，江西 南昌 330200)

水工瀝青混凝土因其優(yōu)越的變形能力和防滲性能，在土石壩建造方面得到廣泛應(yīng)用[1]。目前,世界上已有130余座瀝青混凝土心墻防滲的土石壩，而瀝青混凝土用于土石壩防滲面板時(shí)，瀝青混凝土的動(dòng)力性能受溫度影響顯著[2]。溫度的變化造成瀝青砂漿力學(xué)特性下降，并導(dǎo)致瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，一旦受到外部動(dòng)荷載作用，混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布和裂縫會(huì)發(fā)生變化，極易引起內(nèi)部應(yīng)力和裂縫擴(kuò)展[3-4]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對水工混凝土力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究。Breth H等首次進(jìn)行直剪環(huán)實(shí)驗(yàn)指出，循環(huán)荷載對瀝青混凝土性能影響較小[5]；FEIZI-KHANKANDI等進(jìn)行了振動(dòng)臺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯恐赋觯S著溫度升高，瀝青混凝土吸水能力增強(qiáng)，剪切能力降低[6]；陳宇等研究了水工瀝青混凝土在0～20 ℃下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€特征，指出瀝青混凝土在0 ℃時(shí)表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力軟化現(xiàn)象，且隨著溫度上升，應(yīng)力軟化轉(zhuǎn)為應(yīng)力硬化[7]；田小革等指出溫度對瀝青混凝土的破壞模式和臨界應(yīng)力有顯著影響作用等[8]。

上述相關(guān)研究更多的是基于特定溫度條件下的研究，而水工混凝土不同溫度場下的破壞形式和綜合力學(xué)性能研究較少，基于此，本文在0～20 ℃場下分析了水工瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€特征，并給出不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型，為后續(xù)提升水工瀝青混凝土的力學(xué)性能提供技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試樣配合比

試驗(yàn)用水工瀝青混凝土取自某水庫工程鋪筑段的現(xiàn)場芯樣，瀝青混凝土骨料級配采用推導(dǎo)公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Pi為粒徑di通過率，%；P0.074為di=0.074 mm 時(shí)的通過率，%；Dmax為瀝青混凝土中最大粒徑，mm；n為級配指數(shù)，取n=0.4。根據(jù)式(1)得到瀝青混凝土骨料級配見表1所示。

表1 瀝青混合料骨料級配

1.2 試樣制備

將現(xiàn)場芯樣兩端打磨整平，切割成φ100mm×H100mm試件，為避免試件在溫度、重力場下發(fā)生變形，將切片試樣置于15 ℃光滑瓷磚上存放，并覆蓋遮光塑料薄膜。采用SY250-2.5型三軸壓縮試驗(yàn)機(jī)，通過配置的LSY型瀝青高低溫環(huán)境箱進(jìn)行瀝青混凝土動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取試件的應(yīng)力和應(yīng)變參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)方案

針對水工瀝青混凝土處于高寒地區(qū)和地震動(dòng)作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀況，分別進(jìn)行三軸圍壓試驗(yàn)和三軸蠕變試驗(yàn)。根據(jù)三軸試驗(yàn)要求，設(shè)定試驗(yàn)圍壓σ3分別為0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa，在溫度為0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃ 時(shí)進(jìn)行三軸試驗(yàn)，根據(jù)瀝青混凝土試件三軸試驗(yàn)方法，設(shè)置剪切速度為0.048 mm/min。

在三軸蠕變試驗(yàn)中，設(shè)置溫度場5 ℃、10 ℃、15 ℃，試件三種不同的受力條件：(1)σ3=0.15 MPa,σ1=0.5 MPa。(2)σ3=0.3 MPa,σ1=1.0 MPa。(3)σ3=0 MPa,σ1=1.0 MPa，加載時(shí)間均為1000 min。試驗(yàn)過程中，將試件置于恒溫箱內(nèi)24 h，然后,按照設(shè)定應(yīng)變速率施加變載荷，直到試件破壞。

2 結(jié)果和分析

2.1 材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖1是圍壓σ3=0.3 MPa時(shí)，瀝青混凝土在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出，隨著溫度場的下降，應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性端更加陡峭，破壞應(yīng)力不斷增加。當(dāng)溫度場為0 ℃時(shí)，試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的應(yīng)變較小位置出現(xiàn)顯著的峰值點(diǎn)，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力值急劇下降，試件表現(xiàn)出顯著脆性破壞。當(dāng)溫度上升到0 ℃以上時(shí)，隨著應(yīng)變的增加，瀝青混凝土偏應(yīng)力不斷上升，曲線呈現(xiàn)出應(yīng)力硬化趨勢，并未出現(xiàn)顯著峰值點(diǎn)。這主要是由于瀝青在0 ℃以下時(shí)表現(xiàn)為彈脆性，而溫度上升到0 ℃以上后，瀝青混凝土表現(xiàn)為黏彈性。

圖1 不同溫度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)溫度場在0 ℃時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)與瀝青混凝土典型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(如圖2),可以看出，曲線整體表現(xiàn)出典型的階段性，即瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線劃分為初始壓縮(OA段)、線彈性(AB段)、強(qiáng)度硬化(BC段)和應(yīng)力衰減(CD段)4個(gè)典型階段[9-10]。OA段為初始壓縮段，曲線向上形成凹形，彈性模量不斷增大，表現(xiàn)出壓縮特性。該階段試件內(nèi)部的微空隙和初始裂縫等在壓縮荷載和瀝青黏結(jié)力作用下發(fā)生閉合，強(qiáng)度非線性增加，同時(shí)，在荷載作用下瀝青砂漿的黏彈性發(fā)生壓縮硬化，彈性模量增加。AB段為線性變化段，其中A點(diǎn)時(shí)，試件內(nèi)部微孔隙已經(jīng)完全閉合，進(jìn)入彈性階段，到B點(diǎn)時(shí),試件達(dá)到彈性極限。BC段為非線性強(qiáng)化階段，試件內(nèi)部形成微裂紋，隨著應(yīng)力緩慢增加，微裂紋不斷擴(kuò)張，試件彈性模量逐漸減小，出現(xiàn)黏塑性變形。CD段為應(yīng)力衰減段，試件在荷載作用下，微裂紋快速擴(kuò)展，裂紋相互連接形成裂縫帶，材料承載力下降。

圖2 瀝青混凝土典型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.2 溫度對材料破壞偏應(yīng)力的影響

由應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析可知，瀝青混凝土在0 ℃時(shí)存在峰值點(diǎn)。根據(jù)三軸試驗(yàn)要求，曲線峰值點(diǎn)即試件破壞偏應(yīng)力σ(1-3)f，溫度高于0 ℃時(shí)的曲線并不存在顯著峰值點(diǎn)，選擇應(yīng)變ε=10%對應(yīng)的應(yīng)力值作為試件破壞偏應(yīng)力。

圖3為瀝青混凝土在不同圍壓下溫度場與σ(1-3)f破壞偏應(yīng)力關(guān)系曲線。在溫度場0～10 ℃段，隨著溫度的升高，瀝青混凝土破壞偏應(yīng)力大幅下降，溫度場10～20 ℃段，曲線增幅趨于緩和，10 ℃為曲線單調(diào)減小和非線性減小分界點(diǎn)，這是由于0 ℃時(shí)，瀝青力學(xué)性質(zhì)較偏脆性，試件的破壞偏應(yīng)力較大，隨著溫度升高，試件力學(xué)性能向黏彈性轉(zhuǎn)變，破壞偏應(yīng)力下降，在該溫度范圍內(nèi)試件的力學(xué)性能趨于穩(wěn)定。

圖3 不同溫度作用下破壞偏應(yīng)力

2.3 溫度對瀝青混凝土蠕變的影響

圖4為瀝青混凝土試件蠕變與溫度關(guān)系曲線，隨著溫度的升高，壓力比越大(軸向壓力與側(cè)向壓力比值)，瀝青混凝土的蠕變不斷增大，當(dāng)σ1=1.0 MPa、σ3=0 MPa時(shí)的蠕變達(dá)到最大值。其中溫度場在10～15 ℃區(qū)間的蠕變-溫度曲線斜率大于溫度場5～10 ℃區(qū)間，表明蠕變增加幅度明顯大于溫度增大幅度，這與瀝青在較高溫度下黏彈性有關(guān)。

圖4 不同溫度下的瀝青混凝土蠕變曲線

3 瀝青混凝土的溫度場模型

3.1 溫度場的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系

根據(jù)不同溫度下的瀝青混凝土溫度應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)可以看出，瀝青混凝土的應(yīng)力大小和應(yīng)變均與溫度場有密切關(guān)系，在5～15 ℃溫度區(qū)間曲線的變化規(guī)律相似，表現(xiàn)為典型的雙曲線模型。但各溫度場下的偏應(yīng)力不同，造成各溫度場下雙曲線關(guān)系式存在差異[11]。要建立合理的應(yīng)力-應(yīng)變模型來預(yù)測不同溫度場下的應(yīng)力應(yīng)變特征，需要引入相應(yīng)的溫度系數(shù)。基于此，本文根據(jù)瀝青混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)分段法建立不同溫度場的應(yīng)力預(yù)測模型[12]。考慮到0 ℃時(shí)試件呈脆性破壞狀態(tài)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線不符合雙曲線模型，根據(jù)相關(guān)研究，引入硬化參量以選取塑性功和彈簧模量對應(yīng)的應(yīng)力軟化部分來建立本構(gòu)模型，如式(2)：

(2)

式中：a(t)和b(t)為初始切線模量Ei的應(yīng)力差漸近值倒數(shù)的溫度場函數(shù)；εa為材料的軸應(yīng)變，%。

當(dāng)試件達(dá)到峰值應(yīng)力后，瀝青混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化兩類[13]。其中的應(yīng)力硬化視為衰減開始階段，到達(dá)峰值后的應(yīng)力應(yīng)變曲線采用遞減型logistic函數(shù)描述，應(yīng)變軟化型曲線包括衰減開始、快速衰減和衰減減速階段，滿足logistic曲線變化特征[14]，因此，獲得瀝青混凝土峰值應(yīng)力后模型方程(3)為：

(3)

式中：σ為瀝青混凝土應(yīng)力，MPa；σp k為峰值應(yīng)力，MPa；ε和εp k分別為瀝青混凝土應(yīng)變和峰值應(yīng)變。

3.2 模型驗(yàn)證

由式(2)和式(3)對0～15 ℃的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合，獲得不同溫度下預(yù)測模型的擬合曲線見圖5，表2給出了不同溫度下的預(yù)測模型擬合參數(shù)。可以看出，擬合曲線與實(shí)驗(yàn)曲線吻合度較高，其中溫度較高時(shí)，峰值應(yīng)力前的擬合曲線偏差較大，這主要是由于該階段的瀝青混凝土存在一定黏塑性，造成應(yīng)力應(yīng)變曲線中存在部分壓密段和非線性強(qiáng)化段。由于模型是基于鋼纖維混凝土構(gòu)建的，材料剛度較大，導(dǎo)致峰值應(yīng)力前曲線模型在低溫場適應(yīng)性更高。

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變擬合曲線

表2 瀝青混凝土應(yīng)力應(yīng)變模型擬合參數(shù)

4 結(jié) 論

(1)瀝青混凝土在0 ℃時(shí)表現(xiàn)出明顯應(yīng)力軟化現(xiàn)象，出現(xiàn)脆性破壞。在0 ℃時(shí)，材料表現(xiàn)為脆性破壞，材料破壞偏應(yīng)力較大，隨著溫度上升，材料表現(xiàn)為黏彈性，破壞偏應(yīng)力下降，溫度在10 ℃以上時(shí)材料蠕變增幅較大。

(2)根據(jù)瀝青混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線，引入硬化參量建立溫度場條件的本構(gòu)模型，采用遞減型logistic函數(shù)描述不同溫度場應(yīng)力應(yīng)變曲線。通過實(shí)例驗(yàn)證，模型函數(shù)與實(shí)測值擬合效果較好，能準(zhǔn)確反應(yīng)不同溫度的瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。