陳 晨,焦 凱,溫立峰

(1. 中國(guó)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(jí)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(jì)50年代,國(guó)外開(kāi)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(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)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(duì)瀝青混凝土動(dòng)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(qiáng)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(yàn)和細(xì)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(dòng)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(guò)程中的內(nèi)部裂紋和能量演化規(guī)律,建立了宏細(xì)觀力學(xué)特性的聯(lián)系。寧致遠(yuǎn)[9-11]等人對(duì)不同溫度和不同應(yīng)變速率下瀝青混凝土的動(dòng)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(dāng)溫度恒定時(shí),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(dòng)態(tài)增強(qiáng)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(jì)算模型。

現(xiàn)階段我國(guó)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(duì)瀝青混凝土心墻力學(xué)性能等影響對(duì)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(duì)瀝青混凝土心墻力學(xué)性能的研究集中于單軸壓縮試驗(yàn),而利用三軸試驗(yàn)研究溫度對(duì)瀝青混凝土心墻力學(xué)性能影響的報(bào)道卻很少。

本文針對(duì)瀝青混凝土的溫度敏感性,結(jié)合托帕瀝青心墻實(shí)際工程溫度范圍,試驗(yàn)溫度為5～20℃條件下,開(kāi)展瀝青混凝土靜三軸試驗(yàn),研究溫度對(duì)瀝青混凝土心墻的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€、破壞偏應(yīng)力、抗剪強(qiáng)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(qiáng)度比和模強(qiáng)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(yàn)概況

1.1 配合比及試件制備

本試驗(yàn)中瀝青混凝土試件均取自托帕水庫(kù)瀝青混凝土心墻,取樣后切割而成。

對(duì)芯樣進(jìn)行抽提試驗(yàn),瀝青混合料配比及骨料級(jí)配見(jiàn)表1和圖1所示。

圖1 骨料級(jí)配曲線

表1 配合比參數(shù)表

1.2 測(cè)試方法

根據(jù)本工程所處新疆托帕地區(qū)實(shí)際環(huán)境溫度的變化,選取5、10、15、20℃作為試驗(yàn)溫度。試驗(yàn)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(yàn)儀器按照規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖2所示。為了保證試驗(yàn)過(guò)程中試件力學(xué)性能的穩(wěn)定,試驗(yàn)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(gè)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(yàn)取3次測(cè)試的平均值作為結(jié)果。

圖2 三軸試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 溫度對(duì)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(yàn)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(duì)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?jí)嚎s、彈性、強(qiáng)度硬化和應(yīng)力衰減4個(gè)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?yàn)殡S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(shí)瀝青以黏彈性為主[14]。此外,在圍壓為0.5～0.9 MPa時(shí),5℃的應(yīng)力-應(yīng)變曲線雖然有明顯峰值點(diǎn),并且到達(dá)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(duì)應(yīng)的特性曲線,應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒(méi)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(kāi)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(zhǎng)擴(kuò)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(shì)。當(dāng)溫度為5～15℃時(shí),瀝青混凝土試件先壓縮再膨脹;溫度為20℃時(shí),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(duì)瀝青混凝土破壞偏應(yīng)力的影響

試驗(yàn)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(shí),隨著溫度的升高破壞偏應(yīng)力大幅下降;而在15～20℃時(shí),破壞偏應(yīng)力隨著溫度的變化有所減緩。這是因?yàn)殡S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(duì)瀝青混凝土抗剪強(qiáng)度的影響

由摩爾-庫(kù)侖理論[16-17]可知,黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ可以用來(lái)表征材料的抗剪強(qiáng)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?yàn)闉r青在低溫下呈現(xiàn)脆性,試件受到剪切時(shí)瀝青能夠承擔(dān)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(dá)到瀝青的軟化點(diǎn)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(qiáng)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(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)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(yàn)條件下,σ2=σ3=0,可得到

(2)

式中:σc為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

將式(2)帶入式(1)可得:

(3)

對(duì)式(3)進(jìn)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(shì),但變化不明顯。拉壓強(qiáng)度比(α)是反映材料拉壓強(qiáng)度的相對(duì)關(guān)系的重要參數(shù),當(dāng)α= 1時(shí),可以認(rèn)為是拉壓強(qiáng)度相等的材料,如金屬材料,α=0時(shí),可以認(rèn)為是沒(méi)有抗拉強(qiáng)度的脆性材料,如玻璃等脆性材料。瀝青混凝土的拉壓強(qiáng)度比α在0.32左右。

圖7 水工瀝青混凝土三軸強(qiáng)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(duì)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(biāo)。選取應(yīng)力-應(yīng)變曲線原點(diǎn)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(shì)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?yàn)闇囟鹊纳呤沟脼r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(shí),彈性模量的變化趨勢(shì)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(shì)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(qiáng)比如圖10所示,模強(qiáng)比為 235.0～1 442.9,可見(jiàn)模強(qiáng)比隨溫度的升高呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。

圖10 不同溫度下水工瀝青混凝土的模強(qiáng)比

2.5 溫度對(duì)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(jìn)行能量吸收、轉(zhuǎn)化和釋放,最終在能量驅(qū)動(dòng)下呈現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。有關(guān)瀝青混凝土能量特征的報(bào)道非常少,寧致遠(yuǎn)[10]等引入吸能能力這一指標(biāo),從能量角度研究瀝青混凝土的破壞特征,可以較真實(shí)的反映瀝青混凝土的破壞規(guī)律。計(jì)算見(jiàn)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(dá)到峰值前應(yīng)力-應(yīng)變曲線與應(yīng)變軸所包圍的面積來(lái)表示,V為體積。

本試驗(yàn)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(shì)如圖11所示。

由圖11可以看出,圍壓恒定時(shí),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(shí),溫度恒定時(shí),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(kuò)展速度越快,裂紋區(qū)域越大,試件破壞需要更多的能量,對(duì)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?yàn)闉r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(qiáng)度以及骨料與瀝青膠漿界面的黏附力減小。同時(shí)由于骨料和瀝青膠漿在彈性模量和強(qiáng)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(shí),試件在達(dá)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(shí),在低圍壓的條件下,試件表面開(kāi)始有裂紋出現(xiàn),并且沿著試件的軸線開(kāi)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(gè)宏觀斜裂紋。此時(shí)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(guò)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(qiáng)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(guò)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(shí),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(qiáng)度比α在0.32左右。

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