溫度對瀝青混凝土動力特性影響試驗研究

韓小檸　余梁蜀　龐淵

摘要：為研究溫度對瀝青混凝土動力特性的影響，對瀝青混凝土開展了不同溫度（4，10，17 ℃和22 ℃）條件下動三軸試驗，采用等效線性模型分析其動力特性的變化規律。試驗結果表明：瀝青混凝土動模量Ed隨溫度降低而增大。高圍壓作用時，4 ℃條件下最大動模量Edmax比22 ℃條件下的大3～4倍，且溫度的降低導致動模量Ed的變化幅度增大；材料常數k值隨溫度降低有增大趨勢，但n值隨溫度降低有減小趨勢；阻尼比λ隨溫度降低而減小，4 ℃條件下阻尼比為22 ℃條件下的1/2，且溫度的降低導致阻尼比λ的變化幅度減小。建立的多因素回歸公式能較好地描述瀝青混凝土最大動模量隨溫度、圍壓和固結比變化的定量關系。敏感性分析認為瀝青混凝土動力特性對溫度變化最敏感。

關 鍵 詞：瀝青混凝土； 溫度； 動模量； 阻尼比； 動三軸試驗

中圖法分類號： TV431+.5；TV441

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.032

0 引 言

瀝青混凝土因其優異的變形與防滲性能而廣泛應用于土石壩防滲結構中，而瀝青混凝土心墻堆石壩也是未來特高壩適宜的壩型［1］。隨著瀝青混凝土心墻壩的迅速發展，瀝青混凝土作為重要的施工材料得到了越來越多的關注與重視。由于中國地域遼闊、氣候條件復雜、區域地震頻發、區域溫度變化很大，這對瀝青混凝土的動力特性有較高的要求，否則一旦大壩失事，將會造成無法估量的損失。因此，為保證大壩安全穩定運行，研究不同溫度條件下瀝青混凝土的動力特性十分必要。

國內外學者對瀝青混凝土的力學特性相繼開展了研究，但對瀝青混凝土心墻壩的動力特性研究尚少［2-7］。瀝青混凝土動力特性是其在動態荷載作用下的受力變形特點。Akhtarpour［8］、Feizi［9-10］和Wang［11］等學者的研究結果表明，施加的循環荷載對瀝青混凝土性能沒有產生降低作用。Wang等［11］系統地總結和研究了近20 a來瀝青混凝土心墻動力試驗成果，結果表明動模量與平均靜壓力在對數圖上大致呈線性關系。寧致遠等［12-14］通過動態抗壓試驗研究了瀝青混凝土動態力學性能，結果表明溫度對瀝青混凝土應力應變特性有顯著影響，當應變速率不小于10-4/s時，-5 ℃和0 ℃時瀝青混凝土呈現應變軟化現象；5 ℃時這種應變軟化逐漸向應變硬化轉變。這些學者從多種角度對瀝青混凝土動力特性展開研究，但涉及動三軸試驗的較少。

本文采用動三軸試驗研究不同溫度條件（4，10，17 ℃和22 ℃）下瀝青混凝土的動力特性，基于土動力學理論［15］和等效線性模型［16］，分析瀝青混凝土的動模量Ed、k值、n值和阻尼比λ等動力學參數。在此基礎上，研究這些動力特性的變化規律并建立最大動模量隨溫度、圍壓和固結比變化的定量關系式，為今后瀝青混凝土心墻動力分析參數選取提供參考。

1 試驗設計

1.1 配合比選用及試件制備

試驗選用瀝青混凝土的配合比級配指數為0.39，油石比為6.5%，填料含量為11%，骨料最大粒徑為19 mm。

為了更貼近實際工程心墻取樣的方法，采用制作混凝土板鉆取芯樣的方案制備試件。將瀝青混合料分4層倒入試驗模具，由人工擊實，模具提前預熱至105 ℃并涂刷適量的脫模劑。板式試件尺寸一般為250 mm×120 mm×240 mm，然后鉆取芯樣，并用切割機齊平切除兩端多余的部分，即可得到直徑100 mm、高度200 mm的圓柱體試件，尺寸偏差±2 mm［17-18］。

1.2 試驗方案

本文以溫度為主要控制條件，結合瀝青混凝土心墻所處溫度，設置4組試驗。由于心墻常年處在5～20 ℃環境中［18］，因此4組試驗溫度分別設置為4，10，17，22 ℃，每一溫度下又分別設置了4種固結比Kc（1.0，1.2，1.4，1.6）和4種圍壓σ3（0.5，0.6，0.7，0.8 MPa）。

1.3 試驗設備及方法

本次試驗設備采用西安理工大學研制的LDS-00型振動三軸儀（見圖1）。該儀器主要由壓力室、靜應力施加系統、動應力施加系統及量測系統4部分組成，其中三軸儀安裝在恒溫室內，圍壓通過氣壓系統施加，靜動力均通過液壓系統施加并由計算機采集試驗數據。

試驗前先將試件在相應溫度下恒溫不少于3 h，再將試件安放在壓力室中偏壓固結0.5 h后進行試驗［19］。先施加靜荷和圍壓，等試件完成固結后再施加動應力，對每個試件分級施加逐級增長的動應力，每級振動5次，振動頻率為1 Hz。

2 結果與分析

2.1 溫度對動模量的影響

利用瀝青混凝土動三軸試驗所采集的動應力σd-動應變εd關系曲線，根據式（1）可得1/Ed和εd的關系：

1/Ed=a+bεd（1）

式中：1/a為最大動模量Edmax；1/b為最大動應力σdmax。

由圖2可知，瀝青混凝土1/Ed隨εd的變化近似呈線性關系，即動模量Ed隨動應變εd的增大而減小，基本符合式（1）的直線關系模型；動模量Ed隨溫度降低而增大，22 ℃時 1/Ed-εd關系曲線斜率最大，17 ℃和10 ℃時1/Ed-εd關系曲線斜率次之，4 ℃時曲線斜率最小。

由圖3～4可知，不同圍壓或固結比下溫度對Ed-εd關系的影響基本相似。溫度相同時，圍壓或固結比越大，相同的動應變εd對應的動模量Ed也越大，這是因為圍壓或固結比增大，使得瀝青混凝土內部骨架結構趨于穩定，孔隙率減小，從而可以承受的動荷載也有所提高；動模量Ed的衰減幅度隨動應變εd的增大而減小，這是因為循環荷載的振動作用使得瀝青混凝土密實度增加，導致單位動應變對應的動模量減小。溫度不同時，溫度越低，相同動應變εd對應的動模量Ed越大；溫度的降低導致動模量的變化幅度增大，這是因為溫度降低，瀝青膠強度增大，導致單位動應變對應的動模量增大。

由表1可知，在相同圍壓和固結比條件下，瀝青混凝土最大動模量Edmax隨溫度的降低而增大，其中，在高圍壓作用時，4 ℃條件下最大動模量Edmax比22 ℃條件下的大3～4倍。

采用式（2）描述瀝青混凝土在溫度θ（4 ℃≤θ≤22 ℃）下最大動模量Eθ與參比溫度22 ℃、參比圍壓0.5 MPa和參比固結比1.0下最大動模量Eθr之間比值隨溫度、圍壓和固結比的變化關系。

式中：Eθ為溫度θ（4 ℃≤θ≤22 ℃）下瀝青混凝土的最大動模量；Eθr為溫度θr（22 ℃）下瀝青混凝土的最大動模量；gr為1.0固結比；wr為0.5 MPa圍壓；參數a為3.960，b為9.594，c為-4.176；R2為0.973。

參數a、b和c分別定義為最大動模量的固感因子、圍感因子和溫感因子，其大小反映了瀝青混凝土最大動模量對各因素的敏感程度，可通過對試驗數據回歸分析得到。在本文研究范圍內，由于固結比、圍壓和溫度取對數后區間不一致，故其敏感性還需做進一步研究。

2.2 溫度對k值、n值的影響

根據最大動模量Edmax與平均固結應力σm的關系，其表達式為公式（3），可以回歸計算出k，n。

式中：σm為平均固結應力，σm=（σ1+2σ3）/3，MPa；Pa為大氣壓力，取值為0.1 MPa；k、n為由試驗確定的材料常數。

由圖5可知：lg（Edmax/Pa）-lg（σm/Pa）的關系近似呈線性關系，k值隨溫度的降低有增大趨勢，n值有減小趨勢。由表2可知，在同一溫度下，k值隨固結比的增大有增大趨勢，n值有減小趨勢，但k、n值受溫度影響變化較大。

2.3 溫度對阻尼比的影響

依據動應力與動應變的滯回曲線上的滯回圈面積A及骨干曲線（σdm-εdm曲線）和x軸所圍成的三角形面積AS，可算得阻尼比λ，見式（5）。

λ=A/（4π×AS）（5）

由圖6可知，溫度越低試驗結果中相同的動剪應變γd對應的阻尼比λ越小，4 ℃條件下阻尼比λ為22 ℃條件下的1/2，說明在低溫環境下瀝青混凝土對外界動荷載的響應更迅速。

由圖7～8可知，不同圍壓與固結比下溫度對λ-γd關系的影響基本相似。溫度相同時，圍壓或固結比越大，試驗結果中相同的動剪應變γd對應的阻尼比λ越小，說明在高圍壓和高固結比下瀝青混凝土對動荷載反應的滯后性有所降低；溫度不同時，溫度越低，試驗結果中相同的動剪應變γd對應的阻尼比λ也越小，且溫度的降低導致阻尼比值的變化幅度減小。

2.4 動力學參數的敏感性分析

為了消除量級不統一對各因素敏感性分析結果的影響，采用歸一化方法（見式（6））對溫度、固結比和圍壓條件參數進行處理，歸一化后結果見表3。

歸一化后參數=條件參數-條件參數最小值條件參數最大值-條件參數最小值（6）

采用歸一化后的條件參數對最大動模量Edmax、阻尼比λ進行線性回歸。線性回歸的斜率反映影響因素對動態模量或阻尼比的敏感程度，斜率越大，敏感性越大，反之亦然。

最大動模量Edmax、阻尼比λ的線性回歸斜率見圖9～10。由圖9～10可知，對瀝青混凝土最大動態模量Edmax來說，溫度的線性回歸斜率平均值最大，圍壓次之，固結比最小，所以瀝青混凝土最大動模量Edmax對溫度最敏感；對阻尼比來說，溫度的線性回歸斜率平均值最大，說明阻尼比λ對溫度最敏感。結合k值和n值分析結果，瀝青混凝土動力特性對溫度最敏感。

3 結 論

本文針對瀝青混凝土動力特性展開不同溫度下動三軸試驗研究，結論如下：

（1） 隨溫度降低，相同的動應變對應的動模量增大；溫度降低導致動模量的變化幅度增大。高圍壓作用時，4 ℃條件下最大動模量比22 ℃條件下的大3～4倍。

（2） 建立的多因素回歸公式較好地描述了瀝青混凝土最大動模量隨溫度、圍壓和固結比變化的定量關系。

（3） k值隨溫度的降低和固結比的增大有增大趨勢，n值隨溫度的降低和固結比的增大有減小趨勢，但溫度對k值、n值變化影響更明顯。

（4） 隨溫度降低，相同的動剪應變對應的阻尼比減小，且溫度降低導致阻尼比的變化幅度減小。4 ℃條件下阻尼比約為22 ℃條件下的1/2。

（5） 綜合敏感性分析結果及k值和n值的變化規律可知，瀝青混凝土的最大動模量、阻尼比及k值和n值對溫度變化最敏感。

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（編輯：鄭 毅）

Experimental study on influence of temperature on dynamic characteristics of asphalt concrete

HAN Xiaoning，YU Liangshu，PANG Yuan

（School of Civil and Architecture Engineering，Xi′an University of Technology，Xi′an 710048，China）

Abstract：

The asphalt concrete at different temperatures（4，10，17，22 ℃） was investigated by dynamic triaxial test.We analyzed the variation law of dynamic characteristics of the asphalt concrete by the equivalent liner model.The results showed that the dynamic modulus of asphalt concrete increased with the decreasing of temperature.Under a high confining pressure，the maximum dynamic modulusat 4 ℃ was 3～4 times larger than that at 22 ℃，and the varying amplitude of dynamic modulus increased with the decreasing temperature.The value K tended to increase while the value N tended to be opposite with the decreasing temperature.Furthermore，the damping ratio decreased with the decreasing temperature，which also led to a thin varying range.At 4 ℃，the damping ratio was about 1/2 of that at 22 ℃.The established multivariate regression formula can better present the quantitative relationship between the maximum dynamic modulus of asphalt concrete and temperature，confining pressure and consolidation ratio.The sensitivity analysis shows that the dynamic characteristics of asphalt concrete are the most sensitive to the changes of temperature.

Key words： asphalt concrete；temperature；dynamic modulus；damping ratio；dynamic triaxial test

收稿日期：2022-01-21

作者簡介：韓小檸，女，碩士研究生，主要從事瀝青混凝土防滲研究。E-mail：497944501@qq.com

通信作者：余梁蜀，女，教授，博士，主要從事水工防滲和材料研究。E-mail：yliangshu@163.com