熊澤斌，劉春鵬，鄭光俊，潘家軍，譚 凡，張 婷

(1.長江設(shè)計集團有限公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010； 3.長江科學院 土工研究所，湖北 武漢 430010； 4.水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010)

0 引 言

瀝青混凝土心墻具有防滲性能好、較好適應土石壩的不均勻沉降、塑性性能好、耐久性和自愈能力強等特點[1]，近年來多用作土石壩的防滲體。因此，瀝青混凝土心墻土石壩越來越受到國內(nèi)外有關(guān)專家和工程界的重視[2]。

針對瀝青混凝土配合比[3-5]和力學特性影響因素的研究較多。何曉民[6]對茅坪溪大壩的瀝青混凝土進行三軸固結(jié)排水剪切試驗，發(fā)現(xiàn)變形模量和摩擦角會隨著溫度和瀝青含量的增高而降低。陳宇等[7]探究了溫度對三軸試驗結(jié)果的影響。任少輝[8]對不同應變速率的影響進行了探究，結(jié)果表明：加載速率越大，試樣強度越高，體變越大。魏蕓[9]采用正交試驗對配合比進行了設(shè)計，并探究了不同溫度、不同圍壓對瀝青混凝土力學性質(zhì)的影響。Kaare、楊華全和屈漫利等通過試驗研究了不同成型方法對瀝青混凝土力學性質(zhì)的影響，并進行三軸剪切試驗。試驗結(jié)果表明：馬歇爾擊實法制備得到的試件強度與現(xiàn)場壓實鉆孔取芯試件差別最小[10-12]。

目前，關(guān)于瀝青混凝土的研究多基于配合比和溫度等因素，對于不同性質(zhì)骨料組成的瀝青混凝土力學性能研究較少。因此，本文依托西藏拉洛水利樞紐瀝青混凝土心墻堆石壩工程，通過對不同性質(zhì)骨料組成的瀝青混凝土心墻料進行固結(jié)排水三軸剪切試驗，探究骨料性質(zhì)、含量、溫度和剪切速率等對其力學性能的影響規(guī)律。

1 原材料組成

采用骨料級配指數(shù)(n)、瀝青含量(B)和填料含量(F)作為配合比設(shè)計過程中的主要控制參數(shù)。

1.1 瀝 青

試驗中所用瀝青為克拉瑪依70號水工熱瀝青，瀝青加熱前為可塑的半固體狀，加熱熔化后變成黏稠的液體。瀝青技術(shù)參數(shù)指標見表1。

表1 瀝青技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of asphalt

1.2 骨料及填料

1.2.1 粗骨料

為探究不同性質(zhì)骨料對瀝青混凝土力學性能的影響，粗骨料采用日喀則地區(qū)卡吉郎溝輝綠巖和吉定鎮(zhèn)灰?guī)r兩種。其中，輝綠巖的堿度模數(shù)M=0.89，根據(jù)DL/T 5363-2016《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》要求，屬中性骨料；灰?guī)r堿度模數(shù)M=1.87，屬堿性骨料。粒徑范圍見表2。各項性能指標見表3。

表2 粗骨料粒徑范圍Tab.2 Coarse aggregate particle size range

表3 骨料、填料性能指標Tab.3 Property indexes of aggregate and stuffing

1.2.2 細骨料

試驗所用細骨料分別為輝綠巖、天然河砂和灰?guī)r。天然河砂細骨料與輝綠巖人工細骨料的比例分別為1∶0，1∶1，0∶1。細骨料各項指標見表3。骨料及河砂級配曲線見圖1。

圖1 骨料及河砂級配曲線Fig.1 Grading curves of aggregate and river sand

1.2.3 填 料

填料采用輝綠巖礦粉和灰?guī)r礦粉。相關(guān)技術(shù)指標見表3。本次試驗采用表4中的配合比，按擊實成型方法制備試件。

表4 瀝青混凝土試驗配合比Tab.4 Mix ratio of asphalt concrete test

2 三軸試驗方法與條件

三軸試樣制備參照DL/T 5362-2018《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》，試樣尺寸為Φ101 mm×200 mm，試驗在SY250型應變式三軸儀上進行，試驗儀器見圖2。試驗中體變的量測采用外體變量測裝置，通過測量壓力室內(nèi)水的質(zhì)量變化來換算外體變。當試樣體積發(fā)生膨脹時，壓力室的水進入圍壓控制壓力室，反之圍壓控制壓力室的水進入壓力室。

圖2 帶外變測試系統(tǒng)的溫控三軸設(shè)備Fig.2 Temperature-controlled triaxial equipment with external variable system

由于溫度對瀝青混凝土強度參數(shù)影響較大，在壓力室內(nèi)壁安裝螺旋形銅管進行溫度控制，保證壓力室內(nèi)水溫變化范圍不超過控制溫度的±0.5 ℃。

3 試驗內(nèi)容

本文對不同骨料的瀝青混凝土進行了不同加載速率、不同溫度下的三軸固結(jié)排水剪切試驗(CD)，以探究骨料、溫度及加載速率對瀝青混凝土力學性能的影響。西藏拉洛水利樞紐工程所在地區(qū)多年平均氣溫4.8 ℃，月平均氣溫最高為12.7 ℃(7月)，月平均氣溫最低為-4.8 ℃(1月)，極端最高氣溫28.2 ℃；由于心墻上游側(cè)長期浸泡在水中，水溫一般不會低于5 ℃，因此選擇4.8，12.7，28.2 ℃等特征溫度進行試驗。具體試驗內(nèi)容見表5。

表5 靜三軸試驗方案Tab.5 Static triaxial test scheme

4 試驗成果分析

4.1 試驗成果及參數(shù)

瀝青混凝土的三軸試驗應力-應變關(guān)系成果如圖3～4所示(以12.7 ℃，剪切速率為0.2 mm/min，粗、細骨料均為輝綠巖和灰?guī)r為例)。

圖3 灰?guī)r應力應變曲線及強度包線Fig.3 Stress-strain curve and strength envelope of limestone

圖4 輝綠巖應力應變曲線及強度包線Fig.4 Stress-strain curve and strength envelope of diabas

由圖3～4可知：骨料為輝綠巖或灰?guī)r的試樣在低圍壓下均出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象，圍壓較高時該現(xiàn)象不明顯。體積應變-軸向應變曲線開始階段表現(xiàn)為剪縮，隨后出現(xiàn)剪脹；圍壓越大，剪縮現(xiàn)象越明顯，剪脹性明顯減弱；峰值強度隨著圍壓增大而增大。在瀝青混凝土心墻壩應力-應變計算過程中，目前國內(nèi)使用鄧肯-張模型較多[13-15]，本文僅提出E-μ模型參數(shù)，如圖5所示，由于側(cè)向應變與軸向應變近乎直線關(guān)系，取體變參數(shù)D=0，見表6。由表6可知：輝綠巖作為骨料的瀝青混凝土黏聚力c值較灰?guī)r的高，但摩擦角偏低，其他參數(shù)相差不大。

表6 三軸試驗E-μ模型參數(shù)Tab.6 Triaxial test E-μ model parameters

圖5 側(cè)向應變和軸向應變關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between lateral strain and axial strain

4.2 影響因素分析

4.2.1 天然河砂影響

圖6為細骨料摻不同比例天然河砂的瀝青混凝土應力-應變關(guān)系曲線。由圖6(a)可知，不同比例河砂的摻入對其應力應變曲線影響較小，即細骨料摻河砂對瀝青混凝土試件的整體力學性能影響很小。但據(jù)圖6(b)可知，細骨料均為輝綠巖試樣在試驗過程中先體縮再體漲，而摻入河砂的試樣均為體漲，且引起的體脹也略大些，這可能是天然河砂的磨圓度較人工骨料磨圓度好，且隨河砂摻量增多，破壞應變也有增大趨勢。

圖6 不同河砂摻量力學特征曲線Fig.6 Mechanical characteristic curves of different river sand contents

4.2.2 溫度影響

通過對粗、細骨料均為輝綠巖的瀝青混凝土進行4.8，12.7 ℃和28.2 ℃下的三軸試驗，發(fā)現(xiàn)試驗溫度對瀝青混凝土三軸試驗強度與破壞應變有較大影響，見圖7～8。試樣強度隨試驗溫度升高而明顯降低，圍壓較低時降低趨勢更加顯著；圍壓為0.1 MPa時，28.2 ℃時的強度較4.8 ℃時強度降低約65%，而圍壓為1.0 MPa時，強度僅降低31%。試驗溫度越低，三軸試驗破壞應變大幅減小，應變軟化現(xiàn)象越明顯，甚至溫度的改變引起的應變軟化或硬化現(xiàn)象也不同；溫度低于12.7 ℃時，溫度對破壞應變的影響較大，且圍壓較大時這種趨勢更顯著。圍壓為0.1 MPa時，溫度12.7 ℃時的破壞軸向應變較4.8 ℃時僅增加3%，而圍壓為1.0 MPa時，增幅高達55%。由表6可知，模量參數(shù)K值隨溫度的增加而減小，溫度低于12.7 ℃時模量的溫度敏感性較顯著；初始切線泊松比G隨著溫度的增大有減小的趨勢，但影響不顯著；n、Rf和F值受溫度影響較小。

圖7 破壞軸向應變與溫度關(guān)系Fig.7 Relationship between axial strain at failure and temperature

圖8 破壞偏應力與溫度關(guān)系Fig.8 Relationship between failure deviatoric stress and temperature

4.2.3 剪切速率影響

為探究剪切速率對試驗結(jié)果的影響，進行了0.05，0.2 mm/min和1.0 mm/min等速率的三軸剪切試驗，得到破壞偏應力、破壞應變與加載速率的關(guān)系如圖9～10所示。

圖9 破壞軸向應變與剪切速率關(guān)系Fig.9 Relationship between axial strain at failure and shear rate

圖10 破壞偏應力與剪切速率關(guān)系Fig.10 Relationship between failure deviatoric stress and shear rate

由圖9～10可知：剪切速率越大，瀝青混凝土的強度越高，相同圍壓時加載速率為1.0 mm/min的破壞強度約為0.05 mm/min的1.5～3.0倍。而且，剪切速率為0.05～0.2 mm/min時的影響更顯著，這也反映了瀝青混凝土存在蠕變強度的問題。隨著剪切速率增大，試樣破壞應變減小，剪切速率為0.05～0.2 mm/min時，破壞應變減小較明顯，例如，0.1 MPa圍壓時，0.2 mm/min剪切速率下的破壞應變較0.05 mm/min時減小37%，而1.0 mm/min剪切速率下，破壞應變較0.2 mm/min時僅減小18%。由表6可知，剪切速率越大，模量參數(shù)K越大，可見模量也是速率相關(guān)的參數(shù)；n和G值隨著剪切速率的增大有增大的趨勢，而Rf和F基本不受剪切速率的影響。

5 結(jié) 論

本文通過對不同性質(zhì)骨料的瀝青混凝土進行室內(nèi)三軸試驗，探究不同骨料組成、溫度和剪切速率對瀝青混凝土力學性質(zhì)的影響。主要得到以下結(jié)論。

(1) 輝綠巖作為骨料和灰?guī)r作為骨料的瀝青混凝土強度未見明顯差異，且在細骨料中添加不同比例的天然河砂對其力學性能基本沒有影響。

(2) 破壞應變隨著溫度增大而增大，隨著剪切速率的增大而減小，這反映了瀝青混凝土存在蠕變強度問題；破壞偏應力隨溫度增加顯著減小，隨著剪切速率增大而增大。

(3) 鄧肯-張E-μ模型中的模量參數(shù)K隨溫度減小和剪切速率增大而增大，n值隨剪切速率增大有增大趨勢，但受溫度影響較??；G值隨溫度降低和剪切速率增大而增大，而Rf和F基本不受影響。