不同溫度條件下三峽茅坪溪瀝青混凝土三軸試驗研究

摘 要：瀝青混凝土具有溫度敏感性，不同溫度下力學性能差異較大。針對三峽茅坪溪瀝青混凝土進行了基本力學性質試驗及不同溫度條件下的三軸剪切試驗，探究溫度對瀝青混凝土力學性質的影響規律。結果表明：茅坪溪瀝青混凝土的劈裂抗拉強度偏低，拉伸強度較小，拉伸應變較大，最大彎拉應變、撓跨比較大，單軸抗壓強度較小；隨著試驗溫度的升高，瀝青混凝土的黏聚力增大，內摩擦角減小，試樣破壞偏應力降低，且偏應力隨著圍壓的增加而增大，試驗結束時應力-應變關系曲線均為硬化型；變形模量數K、n及初始切線泊松比G均隨試驗溫度的升高而降低。試驗成果可為大壩瀝青混凝土心墻運行狀態評價提供參考。

關鍵詞：瀝青混凝土；三軸試驗；溫度；三峽茅坪溪；應力-應變

中圖分類號：TU411 " " " " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

近年來，瀝青混凝土心墻壩越來越多的使用在水利水電工程中，其具有以下優點[1-2]：防滲性能好，可適應大壩的變形；抗震性能好；有足夠的塑性，受荷載作用出現裂縫在一定條件下可自愈；天然條件下，抗老化能力較強。由于瀝青對溫度極其敏感，不同溫度下，瀝青混凝土的力學性能差異較大。很多學者對溫度對瀝青混凝土力學性能的影響進行了研究。魏蕓[3]開展不同溫度和不同圍壓條件下的靜三軸試驗研究，分析了瀝青混凝土在不同溫度下的力學表現。楊華全等[4]探究了試驗環境溫度、試件成型工序和脫模方法對瀝青混凝土模量數K值的影響，發現靜壓成型試件的K值與芯樣、擊實成型試件的K值相差較多，隨溫度的升高，瀝青混凝土的K值降低。寧致遠等[5]研究了不同溫度和不同應變速率對瀝青抗壓強度和彈性模量的影響，提出了溫度影響因子經驗公式。宋東[6]分析了低溫環境下瀝青混凝土的力學特性，并優化了鄧肯-張模型參數的求解方法。胡凱[7]系統研究了不同溫度和加載速率條件下瀝青混凝土的抗剪切性能、拉壓性能、三軸壓縮性能等，提出了溫度、加載速率對瀝青混凝土強度、應變、模量的影響規律。次仁云旦等[8]開展了不同溫度條件下的三軸剪切試驗，發現瀝青混凝土在負溫時出現明顯的應變軟化和剪脹性，剪切強度隨溫度升高而減小。陳宇等[9]對兩種瀝青含量的瀝青混凝土進行不同溫度下的三軸試驗，發現在0 ℃時應力軟化現象明顯，隨溫度升高，應力軟化現象消失，呈現應力硬化現象，同一瀝青含量下，溫度越高，最大偏應力越小，抗剪強度越低。熊澤斌等[10]針對拉洛水利樞紐瀝青混凝土開展了不同骨料、不同溫度和剪切速率條件下的三軸試驗，分析了骨料性質、試驗溫度和剪切速率對瀝青混凝土力學性能的影響。何曉民[11]對茅坪溪瀝青混凝土進行三軸剪切試驗，發現瀝青混凝土的應力-應變關系基本符合鄧肯-張模型。譚凡[12]探究了不同溫度和剪切速率條件對瀝青混凝土力學性質的影響，結果表明溫度越低，瀝青混凝土強度越高，軟化與剪脹現象越明顯，且瀝青混凝土強度表現出明顯的非線性。

茅坪溪土石壩是我國第一座進行系統設計與研究的瀝青混凝土心墻壩，也是我國第一座壩高超過百米的瀝青混凝土心墻壩。2008年開始試驗性蓄水至正常水位175.0 m，至今已有15年，瀝青混凝土心墻的運行狀態一直備受關注。

本文對三峽茅坪溪瀝青混凝土的基本力學性能進行測試，并開展不同溫度下的固結排水三軸剪切試驗，以探究溫度對瀝青混凝土力學性能的影響規律，為大壩瀝青混凝土心墻運行狀態的評價提供參考。

1 原材料組成

根據《茅坪溪防護工程、電源電站預建工程右岸地下電站進水口預建工程驗收施工、監理報告》[13]，瀝青混凝土試驗用粗骨料采用王家坪料場的灰巖（堿性骨料），細骨料由人工砂與天然砂按比例摻配，天然砂為長江河砂。選用中海油水工瀝青，瀝青含量為6.6%。骨料及填料含量見表1，瀝青混凝土配合比見表2。

2 瀝青混凝土基本力學性能

根據沿心墻不同高程處埋設的溫度計測值可知，2021年各測點溫度平均值為21.1 ℃，因此，后續瀝青混凝土基本力學性能試驗在21.1 ℃條件下進行。按照表2提供的瀝青混凝土配合比制樣，對瀝青混凝土分別進行馬歇爾試驗、水穩定性試驗、間接拉伸試驗、直接拉伸試驗、小梁彎曲試驗、單軸壓縮試驗，具體試驗過程參考《水工瀝青混凝土試驗規程》（DL/T 5362—2018）[14]。試驗結果見表3、表4。可知，瀝青混凝土的孔隙率小于2%，水穩定系數為0.99，符合灰巖堿性骨料與優質瀝青黏附性較好的一般規律。間接拉伸試驗和直接拉伸試驗結果表明，瀝青混凝土的劈裂抗拉強度偏低，拉伸強度較小，拉伸應變較大，二者試驗結果規律一致。與同類工程相比，本次試驗瀝青混凝土的最大彎拉應變、撓跨比較大，單軸抗壓強度較小，這主要是因為試驗溫度較高（21.1℃），試驗結果符合瀝青混凝土的一般規律。

3 不同溫度條件下瀝青混凝土三軸試驗

3.1 三軸試驗方法與條件

瀝青混凝土三軸試樣尺寸為Φ?100 mm×200 mm，試樣見圖1。由于瀝青混凝土對溫度較敏感，試驗在溫控三軸實驗室中進行，實驗室由隔熱材料建成，采用大型空調機組控溫，最低溫度可控制在5 ℃。試驗儀器見圖2。通過長江科學院設計的外體變精確測量裝置[12]測量試驗過程中瀝青混凝土試樣的體積變形。根據《水工瀝青混凝土試驗規程》要求，試驗前將試樣放置在恒溫水浴內24 h，確保整個試樣的溫度均勻，恒溫水浴見圖3。本次試驗圍壓分別為300、600、900、1 200 kPa，軸向變形速率為0.2 mm/min。

3.2 三軸剪切試驗結果

不同試驗溫度條件下的瀝青混凝土三軸應力-應變關系曲線和應力-體變關系曲線分別見圖4和圖5。可知，偏應力（σ1-σ3）隨著圍壓σ3的增大而增大，四種溫度條件下的應力-應變關系曲線在試驗結束時均為“硬化”型（見圖4）。試驗溫度為16.4 ℃，圍壓300 kPa時，體變εv為先體縮后體脹，而其他溫度及圍壓條件下，試驗開始階段為體縮，后體積增大，但最終體變曲線仍為體縮（見圖5）。

圖6為不同溫度下側向應變εr和軸向應變ε1關系曲線。可知，側向應變與軸向應變基本為線性關系，因此取體變參數D=0。

目前國內在瀝青混凝土心墻壩應力-應變計算過程中使用鄧肯-張模型較多，基于本文試驗結果提出了不同溫度條件下瀝青混凝土的鄧肯-張模型參數見表5。可知，隨著溫度的提高，瀝青混凝土強度降低，其抗剪強度指標的黏聚力c隨之增大，但內摩擦角φ則相反，隨溫度的升高而減小。這主要是由于瀝青混凝土是典型的流變材料，溫度對其力學性能有顯著的影響，隨著溫度升高，瀝青軟化，黏性增大，進而導致黏聚力增大，抗剪切強度降低。該結果與文獻[10]、文獻[11]等人的研究結論一致。瀝青混凝土的變形模量數K、n、Kb及初始切線泊松比G均隨試驗溫度的升高而降低，Rf、F、m受溫度影響較小。

不同溫度條件下，破壞偏應力如圖7所示。可知，破壞偏應力隨著溫度的增高而減小，且圍壓越高，減小幅度越大，主要是因為瀝青在溫度較高時軟化，導致強度降低易發生破壞。相同溫度條件下，圍壓越高，破壞偏應力越大，試驗溫度16.4 ℃，圍壓為1 200 kPa時的破壞偏應力是300 kPa時的2.6倍。

黏聚力c、內摩擦角φ及變形模量數K隨溫度變化曲線見圖8。隨著溫度的升高，黏聚力增大，而內摩擦角φ和變形模量數K減小。試驗溫度25 ℃與16.4 ℃結果相比，黏聚力提高了49.5%，內摩擦角與變形模量數分別降低了18.4%和45.2%。

4 結 論

通過在不同溫度條件下對茅坪溪瀝青混凝土進行三軸剪切試驗，探究試驗溫度對瀝青混凝土力學性質的影響。主要結論如下：

（1）茅坪溪瀝青混凝土的劈裂抗拉強度偏低，拉伸強度較小，拉伸應變較大，最大彎拉應變、撓跨比較大，單軸抗壓強度較小。

（2）隨著試驗溫度的升高，瀝青混凝土的黏聚力增大，內摩擦角減小，試樣破壞偏應力降低。偏應力隨著圍壓的增加而增大，試驗結束時應力-應變關系曲線均為硬化型。

（3）變形模量數K、n及初始切線泊松比G均隨試驗溫度的升高而降低，其他參數無明顯變化趨勢。

參考文獻：

[1]SCHONIAN E. The Bitumen Hydrulic Engineering Handbook[M].London：Shell Bitumen，2001.

[2]任少輝. 瀝青混凝土靜三軸試驗研究及心墻堆石壩應力應變分析[D]. 西安：西安理工大學，2008.

[3]魏蕓.溫度對瀝青混凝土靜力學性能影響的試驗研究[D].西安：西安理工大學，2021.

[4]楊華全，王曉軍，何曉民.瀝青混凝土模量數K值的影響因素試驗研究[J].長江科學院院報，2007，24（4）：57-59，63.

[5]寧致遠，劉云賀，王琦，等.不同溫度環境中瀝青混凝土動態抗壓性能試驗研究[J].振動與沖擊，2021，40（2）：243-250.

[6]宋東. 低溫瀝青混凝土靜三軸試驗研究及瀝青心墻堆石壩有限元計算分析[D].西安：西安理工大學，2017.

[7]胡凱. 溫度和加載速率對水工瀝青混凝土性能的影響研究[D].西安：西安理工大學，2020.

[8]次仁云旦，王柳江，扎西頓珠，等.溫度對水工瀝青混凝土強度及剪脹特性的影響試驗研究[J].長江科學院院報，2024，41（1）：190-195.

[9]陳宇，姜彤，黃志全，等.溫度對瀝青混凝土力學特性的影響[J].巖土力學，2010，31（7）：2192-2196.

[10] 熊澤斌，劉春鵬，鄭光俊，等. 西藏拉洛水利樞紐大壩瀝青混凝土心墻料三軸試驗研究[J]. 水利水電快報，2022，43（11）：84-89.

[11] 何曉民. 瀝青混凝土三軸應力條件下的力學特性[J]. 長江科學院院報，2000，17（2）：37-40.

[12] 譚凡. 瀝青混凝土心墻材料力學性能研究[D].武漢：長江科學院，2012.

[13] 中國長江三峽工程開發總公司.茅坪溪防護工程、電源電站預建工程右岸地下電站進水口預建工程驗收施工、監理報告[R]. 武漢：中國長江三峽工程開發總公司，2003.

[14] DL/T 5362—2018，水工瀝青混凝土試驗規程[S]. 北京：中國電力出版社，2019.

Triaxial Experiments on Asphalt Concrete of Maopingxi，Three Gorges under Different Temperature Conditions

SHEN Zhaoyong1，LIU Chunpeng2，WANG Yanli2，ZHOU Xinhua2

（1. River Basin Complex Administration Center，China Three Gorges Corporation，Yichang 443133，China；2. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：Asphalt concrete is temperature-sensitive and its mechanical properties vary significantly at different temperatures. We conducted basic mechanical property tests and triaxial shear tests at different temperatures of asphalt concrete from Maopingxi in Three Gorges，and explored the influence of temperature on mechanical properties of asphalt concrete. Results show that asphalt concrete of Maopingxi is characterized with relatively low splitting tensile strength，low tensile strength，high tensile strain，high maximum bending tensile strain，high deflection span ratio，and low uniaxial compressive strength. As the testing temperature increases，the cohesion of asphalt concrete increases，the internal friction angle decreases，and the failure deviator stress decreases. Additionally the deviatoric stress increases with the increase of confining pressure，and the stress-strain curves are all of the hardening type at the end of tests. The values of deformation modulus K，n，and initial tangent Poisson's ratio G all decrease with the increase of test temperature. Experimental results can provide a reference for the evaluation of operational status of asphalt concrete core walls in dams.

Key words：asphalt concrete；triaxial experiment；temperature；Maopingxi in Three Gorges；stress-strain