溫度因素對心墻瀝青混凝土三軸力學(xué)性能的影響

陳 晨,焦 凱,溫立峰

(1. 中國水利水電第三工程局有限公司,西安 710024;2. 西安理工大學(xué),西安 710048)

0 前 言

瀝青混凝土是一種由瀝青、級配砂石和礦質(zhì)填料組成的多相復(fù)合材料,在工程中的應(yīng)用最早可以追溯到5000年前[1-2]。20世紀50年代,國外開始將瀝青混凝土作為心墻防滲應(yīng)用于土石壩中,由于良好的防滲性、柔性以及自愈能力[3-4],瀝青混凝土心墻壩已是一種具有較強競爭性的壩型。

瀝青是一種溫敏性較高的材料,因此瀝青混凝土的力學(xué)特性不僅受組成材料的影響,亦受環(huán)境溫度的影響。而溫度變化幅度大的地區(qū),瀝青混凝土的力學(xué)性能控制受到工程界的關(guān)注。Zuk[5]最早提出氣溫影響混凝土結(jié)構(gòu)溫度分布曲線,NAKAMURA Y等[6]研究了溫度和應(yīng)變速率對瀝青混凝土動拉應(yīng)變的影響。陳宇等[7]研究了0～20℃溫度范圍內(nèi)的瀝青混凝土力學(xué)特性,溫度越高,最大偏應(yīng)力越小;試件的抗剪強度隨溫度的升高逐漸降低;試件的蠕變隨溫度的升高而增大。薛星等人[8]采用宏觀試驗和細觀離散元模擬相結(jié)合的方法,研究分析了溫度以及瀝青混凝土動態(tài)抗壓力學(xué)特性的影響,分析了在不同溫度條件下瀝青混凝土破壞過程中的內(nèi)部裂紋和能量演化規(guī)律,建立了宏細觀力學(xué)特性的聯(lián)系。寧致遠[9-11]等人對不同溫度和不同應(yīng)變速率下瀝青混凝土的動態(tài)抗壓特性的研究表明,水工瀝青混凝土的破壞偏應(yīng)力和彈性模量隨溫度的升高而降低。而當溫度恒定時,水工瀝青混凝土的吸能能力、彈性模量、破壞偏應(yīng)力隨應(yīng)變速率增大而增大。此外,綜合考慮溫度和應(yīng)變速率的共同作用引入破壞偏應(yīng)力動態(tài)增強因子(DIF)以及破壞偏應(yīng)力溫度影響因子(TIF),建立了瀝青混凝土破壞偏應(yīng)力和彈性模量的計算模型。

現(xiàn)階段我國大多數(shù)瀝青混凝土心墻壩都位于溫差較大的新疆和西藏等地區(qū)。因此,研究溫度對瀝青混凝土心墻力學(xué)性能等影響對其在溫差較大的地區(qū)應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。目前關(guān)于溫度對瀝青混凝土心墻力學(xué)性能的研究集中于單軸壓縮試驗,而利用三軸試驗研究溫度對瀝青混凝土心墻力學(xué)性能影響的報道卻很少。

本文針對瀝青混凝土的溫度敏感性,結(jié)合托帕瀝青心墻實際工程溫度范圍,試驗溫度為5～20℃條件下,開展瀝青混凝土靜三軸試驗,研究溫度對瀝青混凝土心墻的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€、破壞偏應(yīng)力、抗剪強度、彈性模量以及吸能能力的影響。分析不同溫度下試件拉壓強度比和模強比的變化規(guī)律,并分析試件破壞形態(tài)隨溫度的變化。

1 試驗概況

1.1 配合比及試件制備

本試驗中瀝青混凝土試件均取自托帕水庫瀝青混凝土心墻,取樣后切割而成。

對芯樣進行抽提試驗,瀝青混合料配比及骨料級配見表1和圖1所示。

圖1 骨料級配曲線

表1 配合比參數(shù)表

1.2 測試方法

根據(jù)本工程所處新疆托帕地區(qū)實際環(huán)境溫度的變化,選取5、10、15、20℃作為試驗溫度。試驗圍壓為0.3、0.5、0.7、0.9 MPa,加載速率為0.1%/min。試件尺寸為100 mm×200 mm(直徑×高)的圓柱形試樣。采用自制三軸壓縮試驗儀器按照規(guī)范進行試驗,試驗裝置如圖2所示。為了保證試驗過程中試件力學(xué)性能的穩(wěn)定,試驗前將試件放置在恒溫水槽(溫度控制值±0.5℃)內(nèi)24 h保持整個試件溫度均勻恒定。按照預(yù)先設(shè)置的應(yīng)力速率加載至試件破壞獲得相應(yīng)參數(shù)。每組試驗取3次測試的平均值作為結(jié)果。

圖2 三軸試驗裝置

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 溫度對瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變的影響

同一圍壓,不同溫度條件下(5、10、15、20℃)瀝青混凝土三軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變和體變-應(yīng)變關(guān)系曲線分別如圖3和4所示。

圖3 不同溫度下瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3可以看出,溫度對試件的峰值應(yīng)力有顯著的影響。在同一圍壓、不同溫度條件下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)基本相似,都經(jīng)歷了初始壓縮、彈性、強度硬化和應(yīng)力衰減4個階段[13]。隨著溫度的升高,應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性段更加平緩,峰值應(yīng)力逐漸減小,這是因為隨著溫度的升高瀝青混凝土的分子間距增大、分子間結(jié)合力減小,瀝青與骨料間的膠結(jié)約束作用減弱,此時瀝青以黏彈性為主[14]。此外,在圍壓為0.5～0.9 MPa時,5℃的應(yīng)力-應(yīng)變曲線雖然有明顯峰值點,并且到達峰值后應(yīng)力有所下降,但應(yīng)力下降較小試件呈現(xiàn)塑性破壞特征[15]。同理,10～20℃對應(yīng)的特性曲線,應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的峰值,在荷載作用下持續(xù)變形直至完全破壞,曲線塑性破壞特性越發(fā)明顯。

由圖4可知,在圍壓的作用下,試件內(nèi)部的空隙先被壓縮,隨著應(yīng)力的不斷增大試件內(nèi)部開始膨脹直到試件的初始體積后,又隨著軸向應(yīng)變的不斷增大,試件內(nèi)部裂紋生長擴展直至試件失穩(wěn)破壞。此外,在同一圍壓,隨著溫度的升高體應(yīng)變的最大值基本呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。當溫度為5～15℃時,瀝青混凝土試件先壓縮再膨脹;溫度為20℃時,瀝青混凝土試件一直處于壓縮的狀態(tài)。

圖4 不同圍壓下水工瀝青混凝土體變-應(yīng)變曲線

2.2 溫度對瀝青混凝土破壞偏應(yīng)力的影響

試驗得到的不同溫度條件下水工瀝青混凝土的破壞偏應(yīng)力(σ1-σ3)如圖5所示。由圖5可知,在同一圍壓下,水工瀝青混凝土試件的破壞偏應(yīng)力隨溫度升高而降低,但是在不同溫度范圍內(nèi)變化是不均勻的。即在5～15℃時,隨著溫度的升高破壞偏應(yīng)力大幅下降;而在15～20℃時,破壞偏應(yīng)力隨著溫度的變化有所減緩。這是因為隨著溫度的升高瀝青呈現(xiàn)黏彈性,在一定溫度范圍內(nèi)其破壞偏應(yīng)力隨溫度的變化趨于穩(wěn)定。

圖5 不同溫度下水工瀝青混凝土的破壞偏應(yīng)力

2.3 溫度對瀝青混凝土抗剪強度的影響

由摩爾-庫侖理論[16-17]可知,黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ可以用來表征材料的抗剪強度。圖6為不同溫度條件下水工瀝青混凝土的內(nèi)摩擦角和黏聚力變化曲線。試件的黏聚力隨著溫度的升高逐漸減小從0.37降到0.16;內(nèi)摩擦角隨溫度升高逐漸增大但增幅并不明顯。這是因為瀝青在低溫下呈現(xiàn)脆性,試件受到剪切時瀝青能夠承擔部分剪應(yīng)力。隨著溫度的升高,瀝青向黏彈性轉(zhuǎn)變直到溫度達到瀝青的軟化點失去抗剪能力。在15～20℃的溫度范圍內(nèi),瀝青的物理性質(zhì)變化不大,具有穩(wěn)定的抗剪強度。

圖6 不同溫度下水工瀝青混凝土的內(nèi)摩擦角和黏聚力

摩爾-庫倫強度準則[18]:

(1)

式中:σ1為第一主應(yīng)力,σ3為第三主應(yīng)力。

常規(guī)三軸試驗條件下,σ2=σ3=0,可得到

(2)

式中:σc為無側(cè)限抗壓強度。

將式(2)帶入式(1)可得:

(3)

對式(3)進行擬合,擬合結(jié)果分別如圖7和表2所示。圖8為溫度與α關(guān)系。從圖8可以看出,隨著溫度的升高,α值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,但變化不明顯。拉壓強度比(α)是反映材料拉壓強度的相對關(guān)系的重要參數(shù),當α= 1時,可以認為是拉壓強度相等的材料,如金屬材料,α=0時,可以認為是沒有抗拉強度的脆性材料,如玻璃等脆性材料。瀝青混凝土的拉壓強度比α在0.32左右。

圖7 水工瀝青混凝土三軸強度與圍壓關(guān)系

圖8 不同溫度下水工瀝青混凝土的α

表2 不同溫度擬合參數(shù)

2.4 溫度對瀝青混凝土彈性模量的影響

彈性模量是表征材料彈性特性的重要指標。選取應(yīng)力-應(yīng)變曲線原點到50%峰值應(yīng)力區(qū)間的平均切線斜率作為彈性模量[8]。不同溫度條件下瀝青混凝土試件的彈性模量變化趨勢如圖9所示。

圖9 不同溫度下水工瀝青混凝土的彈性模量

從圖9可以看出,在同一圍壓下,隨溫度的升高,瀝青混凝土試件的彈性模量逐漸減小,這是因為溫度的升高使得瀝青的分子間距增大,瀝青基質(zhì)與骨料之間的膠結(jié)作用逐漸減弱,較小的外力即可引起瀝青混凝土試件的變形,相應(yīng)試件的彈性模量也減小。同時,彈性模量的變化趨勢在不同的溫度階段有較大區(qū)別,在5～10℃溫度與彈性模量的關(guān)系曲線變化較陡;在10～20℃彈性模量的下降趨勢明顯變緩,這與瀝青基質(zhì)與骨料之間的膠結(jié)作用存在最小值有關(guān)。為適應(yīng)墻體在水平推力作用下的較大變形,防滲墻材料要有較好的變形能力。繪制不同圍壓下的模強比如圖10所示,模強比為 235.0～1 442.9,可見模強比隨溫度的升高呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。

圖10 不同溫度下水工瀝青混凝土的模強比

2.5 溫度對瀝青混凝土吸能能力的影響

材料變形破壞是指材料與外部環(huán)境進行能量吸收、轉(zhuǎn)化和釋放,最終在能量驅(qū)動下呈現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。有關(guān)瀝青混凝土能量特征的報道非常少,寧致遠[10]等引入吸能能力這一指標,從能量角度研究瀝青混凝土的破壞特征,可以較真實的反映瀝青混凝土的破壞規(guī)律。計算見式(4):

(4)

式中:S為吸能能力;U為單位體積能量密度,采用應(yīng)力達到峰值前應(yīng)力-應(yīng)變曲線與應(yīng)變軸所包圍的面積來表示,V為體積。

本試驗在不同溫度條件下水工瀝青混凝土試件的吸能能力變化趨勢如圖11所示。

由圖11可以看出,圍壓恒定時,瀝青混凝土試件的吸能能力隨著溫度的升高逐漸減小。這是與彈性模量隨溫度的變化規(guī)律類似,與瀝青骨料之間的膠結(jié)作用隨溫度升高逐漸減弱有關(guān)。同時,溫度恒定時,瀝青混凝土試件的吸能能力隨著圍壓的增大而增大。圍壓越大,瀝青混凝土試件的裂紋擴展速度越快,裂紋區(qū)域越大,試件破壞需要更多的能量,對應(yīng)的吸能能力也就越大[19]。

3 破壞形態(tài)

圖12為不同溫度條件下瀝青混凝土試件的典型

圖12 不同溫度下水工瀝青混凝土的破壞模式力

破壞形態(tài)。隨著溫度的增加,試件表面的裂紋增加。盡管試件仍然保持圓柱體形態(tài),但試件的直徑變大,試件的高度變低,并且其體積有所減小。這是因為瀝青材料的分子間距隨溫度的升高逐漸增大,瀝青與骨料間的膠結(jié)約束作用減弱,導(dǎo)致瀝青膠漿的強度以及骨料與瀝青膠漿界面的黏附力減小。同時由于骨料和瀝青膠漿在彈性模量和強度等方面存在巨大差異,使得裂縫多出現(xiàn)在瀝青膠漿與骨料的界面層。同時,試件在達到峰值應(yīng)力后仍具有一定承載和變形能力,試件呈延性破壞與應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果一致。

此外,溫度一定時,在低圍壓的條件下,試件表面開始有裂紋出現(xiàn),并且沿著試件的軸線開裂,呈現(xiàn)出拉伸應(yīng)變破壞特性。隨著圍壓逐漸增大,試件表面形成多個宏觀斜裂紋。此時內(nèi)部瀝青混合料通常已經(jīng)損壞,破壞表現(xiàn)為剪切破壞[20]。

4 結(jié) 論

本文通過研究可知溫度是影響瀝青混凝土心墻的力學(xué)性的關(guān)鍵因素,得到如下結(jié)論:

(1) 在圍壓恒定的條件下,隨著溫度的升高瀝青混凝土心墻的破壞偏應(yīng)力(峰值應(yīng)力)、抗剪強度(黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ)以及彈性模量逐漸減小。在5～15℃過程中,瀝青混凝土心墻的物理性質(zhì)由彈性向黏彈性轉(zhuǎn)變;在15～20℃時,瀝青混凝土力學(xué)特性趨于穩(wěn)定。瀝青混凝土心墻的吸能能力隨溫度的升高逐漸減小。

(2) 瀝青混凝土拉壓強度比α在0.32左右。

(3) 圍壓恒定時,隨著溫度的升高,瀝青混凝土模強比隨溫度的升高呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。