張 揚

(莆田市生態(tài)水系建設投資管理有限公司,福建 莆田 351106)

近年來，具有適應變形能力強、防滲性能佳和環(huán)保耐久的瀝青混凝土作為土石壩防滲體結構的優(yōu)選材料，尤其是在常年多雨、高海拔寒冷或缺乏黏土地區(qū)的心墻壩工程建設[1]。具有憎水性的水工瀝青混凝土孔隙率小且處于封閉狀態(tài)，滲透系數(shù)較小，通常認為其不存在水力劈裂；但若因骨料瀝青膠結欠佳、施工碾壓形成了水平弱面或差異沉降引起剪切破壞等原因所致裂縫，瀝青混凝土仍存在水楔作用，從而誘發(fā)水力劈裂[2]。在空間組構上具有膠漿結構特征的瀝青混凝土屬典型黏彈性材料，不同測試方法所測強度變形存在復雜性與不確定性。

水工瀝青混凝土抗拉特性是衡量其抵抗水力劈裂破壞效應的重要依據(jù)，當前室內(nèi)試驗測定方法主要有直接法和間接法；前者主要有單軸拉伸與三軸拉伸等，后者以巴西劈裂、小梁彎曲試驗、軸向壓裂等為主。黃正均等[3]選用不同類型巖石進行抗拉強度試驗，指出單軸拉伸、巴西劈裂與小梁彎曲3種試驗方法對強度及模量存在顯著影響，張燕等[4]認為巴西劈裂試驗能較準確量測巖石類材料受拉狀態(tài)彈性模量；武明鑫等[5]指出單軸拉伸與劈裂試驗所測混凝土抗拉強度相近，梁彎曲試驗結果偏大，黃拓等[6]探究了3種試驗過程中路用瀝青混凝土對荷載施加速率的依賴性，并討論了試驗方法對破壞指標影響。直接法直接測定試件在拉應力作用下的力學行為，但存在錨固位置應力集中、夾持模具摩擦難以控制等不足；間接法基于理論假設進行數(shù)學計算得到抗拉強度，適合剛度較大材料[7]。

與巖石、混凝土及路用瀝青混合料相比，水工瀝青混凝土為低模量、強度非線性與顆粒性的分散性材料[8]，對骨料級配具有較強的依賴性；慈軍[9]指出骨料級配影響瀝青混凝土穩(wěn)定性，張蕾等[10]依據(jù)劈裂試驗結果認為瀝青混合料力學性能與其骨料級配及荷載狀態(tài)相關?，F(xiàn)行規(guī)范[11]對孔隙率、滲透系數(shù)及水穩(wěn)定系數(shù)作出規(guī)定，缺乏對抗拉特性測定的相關要求。依據(jù)骨料級配理論配制不同級配瀝青混凝土，進行單軸拉伸試驗、劈裂試驗與小梁彎曲試驗試驗；利用強度、變形及應變能理論進行抗拉特性分析，為瀝青混凝土在水利工程防滲結構的廣泛應用提供依據(jù)。

1 試驗材料

瀝青混凝土源材料主要由瀝青、填料及骨料3部分構成。瀝青為新疆克拉瑪依70號(A級)，20℃時密度為0.989 g/cm3、針入度為69.8(0.1 mm)，軟化點為47.6℃，延度大于176 cm(環(huán)境溫度為15℃)。填料為堿性礦粉，密度為2.69 g/cm3，含水率為0.08%，親水系數(shù)為0.88。骨料為灰?guī)r破碎篩分顆粒，表觀密度為2.74 g/cm3，吸水率為0.43%，壓碎率為7.56%，耐久性為0.436%，與所用瀝青黏附性等級為5級；其中，粗骨料粒徑范圍2.35～19.00 mm，細骨料為0.075～2.350 mm。根據(jù)工程經(jīng)驗及已有研究成果[9-11]，確定瀝青含量為6.4%，采用式(1)確定瀝青混凝土級配曲線，即級配指數(shù)r值取0.36、0.39及0.42。骨料粒徑級配曲線見表1。

(1)

式中P——小于某一粒徑d顆粒質(zhì)量的百分比；G——填料用量，即d<0.075 mm顆粒質(zhì)量與骨料總質(zhì)量的百分比，此處取10。

表1 骨料顆粒粒徑級配

2 瀝青混凝土抗拉特性分析

2.1 單軸拉伸試驗

采用自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的馬歇爾試驗儀及相關模具進行瀝青混凝土的單軸拉伸試驗，測定不同級配瀝青混凝土軸向拉應力和位移。試樣尺寸為長(220±2.0)mm、寬(40±1)mm、高(40±1)mm的棱柱體，用高強度黏接劑黏在拉伸試件夾頭、穩(wěn)定2 h后進行試驗；采用位移控制施加荷載，加荷速率為1.0 mm/min，環(huán)境溫度為17.7℃。

瀝青混凝土單軸拉伸試驗曲線見圖1。從圖1可知，拉伸應力隨應變變化曲線近似呈線性增大后逐步減小，為應變軟化性態(tài)；級配指數(shù)越大，拉伸應力峰值越大。

圖1 單軸拉伸應力應變曲線

采用式(2)—(4)計算力學指標應變ε、應力σ及模量E。根據(jù)量能理論，采用式(5)計算應變能密度函數(shù)dw/dm。

ε=Δl/L

(2)

(3)

E=R/ε

(4)

(5)

式中 Δl——某一荷載作用試樣伸長量，mm；L——試樣初始長度，mm；P——軸向所測荷載，N；a——試樣截面寬度，mm；b——試樣截面高度，mm。

特別地，當P取峰值PD時σ為單軸拉伸強度RD，ε為峰值應變εD，E為變形模量EmD，dw/dm為臨界應變能密度WD；另外，初始線性段的E為彈性模量EtD。試驗結果見表2。從表2可知，單軸拉伸條件下RD、EmD、WD及EtD均隨級配指數(shù)增加而增大，級配指數(shù)對εD影響不顯著。

表2 單軸拉伸試驗結果

2.2 劈裂試驗

更換馬歇爾試驗儀的接頭為劈裂試驗模具，采用寬度為12.7 mm的壓條軸向施加荷載方式進行瀝青混凝土劈裂試驗。試樣尺寸為直徑(101.6±0.5)mm、高(63.5±1.0)mm的圓柱體，安裝后穩(wěn)定2 h才進行試驗，加荷方式及環(huán)境條件與單軸拉伸試驗一致。

瀝青混凝土劈裂試驗曲線見圖2。從圖2可知，劈裂應力隨劈裂應變呈先線性增大后略微減小并趨于穩(wěn)定，曲線形態(tài)近似為雙曲線性，應變軟化效應不顯著；劈裂應力隨級配指數(shù)增加而增大。

圖2 劈裂試驗應力應變曲線

當荷載取峰值PT時，采用式(6)、(7)計算瀝青混凝土應變εT、劈裂強度RT，變形模量EmT、臨界應變能密度WT及初始線性彈性模量EtT計算方法與單軸拉伸試驗相似，試驗結果見表3。從表3可知，劈裂試驗中εT、RT、EmT、WT及EtT均隨級配指數(shù)增加而增大。

εT=0.00425PT/h

(6)

RT=0.006287PT/h

(7)

式中h——試樣高度，mm。

表3 劈裂試驗結果

2.3 小梁彎曲試驗

瀝青混凝土小梁彎曲試驗采用附有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)萬能材料試驗機進行三點彎曲試驗，測定荷載作用下小梁跨中的應力和位移。試樣尺寸為長(250±2.0)mm、寬(40±1)mm、高(40±1)mm的棱柱體，安裝后穩(wěn)定2 h才進行試驗；采用位移控制加載，跨中位移速率1.0 mm/min，環(huán)境溫度為17.7℃。

瀝青混凝土小梁彎曲試驗曲線見圖3。彎曲應力隨彎曲應變先急劇增大后緩慢增加，達到峰值后逐步減小。彎曲應力峰值隨級配指數(shù)加而增大。曲線應變軟化程度隨級配指數(shù)增大而逐漸降低，即應力峰后跌落程度隨級配指數(shù)增大而減小。

圖3 小梁彎曲試驗應力應變曲線

當荷載取峰值PB時，采用式(8)計算彎拉應變εB，式(9)計算抗彎強度RB，式(10)計算彎曲變形模量EmB；臨界應變能密度WB及初始線性段彎曲彈性模量EtB計算方法與式(4)相似，試驗結果見表4。從表4可知，小梁彎曲試驗中εB、RB、EmB、WB及EtB均隨級配指數(shù)增加而增大。

(8)

(9)

EB=RB/εB

(10)

式中h——跨中截面高度，mm；b——跨中截面寬度，mm；fB——峰值荷載時跨中點撓度，mm；L——跨徑，mm；PB——跨中峰值荷載，N。

表4 小梁彎曲試驗結果

2.4 試驗方法對抗拉指標影響

直接法是測定材料拉伸特性試驗中原理最簡單、使用最為廣泛的一種方法，因而，以瀝青混凝土單軸拉伸試驗結果(表2數(shù)據(jù))為基準，采用比值法進行試驗方法對拉伸特性指標影響分析。記單軸拉伸試驗、劈裂試驗及小梁彎曲試驗中指標值與單軸拉伸試驗同類指標值之比為η，則單軸拉伸試驗各指標的η值均為1，相關指標的η值隨級配指數(shù)分布見圖4。

a)抗拉強度

b)峰值應變

c)變形模量

d)彈性模量

e)應變能密度

由圖4可知，從強度角度，劈裂試驗所測值是單軸拉伸試驗結果的1.1倍，小梁彎曲試驗是單軸拉伸試驗的1.9倍；在峰值應變方面，劈裂試驗是單軸拉伸試驗結果的1.1倍，小梁彎曲試驗是單軸拉伸試驗的1.5倍；考慮變形模量數(shù)值，劈裂試驗與單軸拉伸試驗無明顯差異，小梁彎曲試驗是單軸拉伸試驗的1.3倍；分析初始彈性模量，劈裂試驗與單軸拉伸試驗差異較大，小梁彎曲試驗是單軸拉伸試驗的1.9倍；對比臨界應變能密度，劈裂試驗是單軸拉伸試驗1.2倍，小梁彎曲試驗是單軸拉伸試驗的2.8倍。

在抗拉特性指標中，3種試驗所測強度、變形模量及應變能密度之間差異性與骨料級配指數(shù)相關性不顯著，即圖4a、4c及4e的曲線近似為平行于橫軸分布；峰值應變及彈性模量之間的差異程度與級配指數(shù)變化相關，前者隨級配增加而增大，后者隨級配指數(shù)增加而減小，即圖4b及4d的曲線與橫軸呈傾斜變化。

3 討論

3.1 骨料級配指數(shù)影響

與土體三相組成相似，瀝青混凝土是由礦質(zhì)組構、膠結質(zhì)瀝青及孔隙三相構成，其中礦質(zhì)組構是由粗骨料、細骨料及填料共同形成的受力骨架，瀝青及微量孔隙填充骨架間隙[12](圖5)。級配指數(shù)越大，瀝青混凝土粗骨料顆粒越多(表1)；在壓應力作用下受力骨架顆粒間力學作用主要有摩擦、咬合、鑲嵌及堆疊等形式[13]，顆粒間相對位置調(diào)整頻度降低，宏觀體現(xiàn)為強度愈高；在拉應力作用，膠結質(zhì)瀝青黏連作用是影響混凝土強度的重要組成部分，顆粒間相互作用在抵抗外荷載效用角度相對較低[14]。因此，骨料級配指數(shù)對瀝青混凝土強度、模量及臨界應變能密度存在影響。

圖5 瀝青混凝土細觀結構

3.2 試驗方法差異性

從受力作用形式角度，瀝青混凝土在單軸拉伸狀態(tài)時受垂直于橫截面的純拉應力，所測抗拉特性參數(shù)能較本真地反映材料固有屬性，但仍存在接頭應力集中、“骨頭形”制樣困難等問題[6]。在劈裂試驗中截面中心處于拉應力作用，其余部分處于拉壓符合應力狀態(tài)；前提假設要材料抗拉強度大幅度小于其抗壓強度[15]，考慮壓條影響，則劈裂試驗適合剛度較大的材料進行抗拉特性分析。小梁彎曲試驗跨中橫截面在中性軸的上部處于壓應力、下部處于拉應力的狀態(tài)，所測數(shù)據(jù)本質(zhì)上屬于抗折指標值[3]，這也是梁彎試驗指標值大于其余2種試驗的緣由。

從3種試驗結果及抗拉強度指標數(shù)值及變化規(guī)律可知，建議采用單軸拉伸試驗測定瀝青混凝土抗拉特性參數(shù)；受條件限制時，可采用劈裂試驗進行抗拉強度及變形模量測量，峰值應變及臨界應變能密度需多次試驗取均值，初始模量偏差較大。

4 結論

a)瀝青混凝土單軸拉伸應力應變曲線存在應變軟化現(xiàn)象，強度、模量及臨界應變能密度隨級配指數(shù)增加而增大；劈裂應力隨劈裂應變變化曲線近似為雙曲線性，小梁彎曲試驗曲線應變軟化程度隨級配指數(shù)增大而逐漸降低，兩者所測抗拉特性指標均隨級配指數(shù)增加而增大。

b)單軸拉伸試驗、劈裂試驗及小梁彎曲試驗所測瀝青混凝土抗拉特性指標值存在差異性，首選單軸拉伸試驗測定瀝青混凝土抗拉特性參數(shù)，受限時可采用劈裂試驗進行抗拉強度及變形模量測量。與單軸拉伸試驗結果相比，劈裂試驗所測變形模量差異性較小，強度及峰值應變偏大10%、臨界應變能密度偏大20%；小梁彎曲試驗結果是單軸拉伸的1.3～2.8倍。