心墙沥青混凝土力学性能试验研究

王 炜，陈卫烈，谢严君

(葛洲坝集团试验检测有限公司，宜昌 443002)

密实的沥青混凝土是一种防渗和变形能力良好的材料，且由于其施工便捷，目前越来越多的作为防渗体应用于水工建筑。沥青混凝土心墙作为其中一种主要的应用形式，其抗渗性和协调变形的能力是工程关注的重点，强度指标方面往往存在一定的争议[1,2]。但是同水泥混凝土材料相比，沥青混凝土相对来说较为松散，可以近似当做一种散粒体进行研究，并且由于沥青混凝土心墙与两侧坝体材料的刚度存在差异，心墙可能产生拱效应，心墙承受的竖向自重应力部分传递到过渡料，变相地降低了心墙抵抗剪切破坏的能力，而采用软岩筑坝时，坝壳料传递到心墙上的水平土压力又会增加，因此抛开具体的指标要求的合理性，研究沥青混凝土心墙的抗剪强度是有实际意义的。

沥青混凝土作为一种弹塑性材料，其力学特性取决于材料的组成和具体的使用环境，室内试验结果则与成型方式、试验温度、应变速率、围压大小等试验条件密切相关[3]。该文从试验温度、变形速率、围压等角度对沥青混凝土的力学特性进行了研究。

1 试 验

该文取某项目沥青混凝土心墙芯样，切割为φ100×200 mm标准尺寸，按设定试验条件进行三轴试验。为研究不同温度、围压和加载速率对试验结果的影响，分别选取了3.4 ℃、10 ℃和20 ℃三个温度，0.2 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa、1.2 MPa四个围压，0.2 mm/min和0.05 mm/min两个加载速率组合进行试验，每个试验条件下进行三次平行试验。试件在围压条件下稳定30 min后进行轴向加载，通过传感器用计算机采集试件加载过程中的轴向力、轴向位移和体变位移，再由试件面积、高度和体积计算出试件的轴向应力、轴向应变和体积应变。沥青混凝土芯样静三轴试验项目见表1。

表1 沥青混凝土芯样静三轴试验项目

2 结果与讨论

2.1 应力应变曲线特性分析

不同试验温度下的应力应变曲线如图1所示，图中3条曲线为平行试验结果。曲线基本呈现出较为明显的反弯段、线性段、双曲段和破坏段。试验结果显示，试验温度3.4 ℃时，应力应变曲线初始阶段存在较为明显的反弯点，随着温度的升高，反弯点下移，试验温度20 ℃时曲线初始阶段已经没有明显的反弯点。反弯点的存在主要是由于试件初始孔隙率较大，易于压缩，蠕变变形在总变形中占有较大的比重导致。随温度的升高，沥青黏度降低，或者围压增大，试验前的稳压阶段对试件的压缩效果都会愈发显著，使得试验开始时试件处于难以压缩的状态。研究显示，增大沥青用量，反弯点也会下移直至消失。反弯点过后，曲线会出现短暂的近似直线段，有专家指出，直线段的存在是由于前一阶段的加载使得孔隙减少并趋于均匀，骨料直接的接触更加明显，外部荷载由沥青逐步转移至骨料[4]。从曲线中也可以看出，随着温度的升高，线性段的长度减小，20 ℃的试验温度下已无明显的线性段。

最大偏应力往往能直观地反映沥青混凝土的强度大小。试验结果发现，3.4 ℃、10 ℃和20 ℃下，围压0.2 MPa的最大偏应力依次为2.32 MPa、1.29 MPa和0.73 MPa，最大偏应力时轴向应变依次为8.15%、12.24%和16.61%，初始切线模量降低了接近85%，数据见表2。结果表明随温度升高，主应力差显著降低，峰值应变显著增大，应力应变曲线明显向横轴靠近，形状发生了明显的变化。

表2 不同试验温度下的试验结果(围压0.2 MPa)

不同围压下的应力应变曲线如图2所示。随围压的增大，曲线反弯段减小，且低围压下反弯点后出现较为明显的线性段，但高围压时线性段已不明显。围压0.2 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa和1.2 MPa的最大偏应力依次为2.32 MPa、2.50 MPa、3.29 MPa、3.48 MPa，最大偏应力时轴向应变依次为8.15%、10.85%、11.53%、13.56%，数据见表3。围压增大会提高峰值主应力差，变形也随之增大，曲线向纵轴靠近，形状变化也较为明显。

表3 不同围压下的试验结果(试验温度3.4 ℃)

不同变形速率下的应力应变关系曲线如图3所示，数据见表4。从试验结果可以看出，随着加载速率的升高，初始直线段的切线模量明显提高，相同的应变下，加载速率0.2 mm/min下的主应力差较0.05 mm/min增大接近一倍。经计算，3.4 ℃时0.2 mm/min和0.05 mm/min加载速率下的1%应变时割线模量分别为63.5 MPa和45 MPa，降低了近1/3，而随着温度的升高，这种趋势会更加明显，20 ℃下的初始切线模量从9 MPa降低到了0.48 MPa。随着加载速率的降低，应力应变曲线将变得更加平缓。对比不同温度和不同加载速率的试验结果发现，升高温度和降低加载速率得到一致的结果，验证了沥青混凝土力学性能上的时温等效。

表4 不同加载速率下的试验结果(围压0.2 MPa)

2.2 抗剪强度结果分析

试验温度3.4 ℃和10 ℃下的抗剪强度结果如表5所示。温度从3.4 ℃升高到10 ℃，黏聚力降低了30%，温度升高，沥青从接近弹性状态向弹塑性状态转变，结果为沥青材料温度敏感性的正常体现；而温度从3.4 ℃升高到10 ℃，内摩擦角从25.7°降低到了21.6°，沥青混凝土的摩擦强度微观机理比较复杂，单从试验结果可以断定，沥青胶结料力学模型的变换，会影响沥青混凝土的摩擦强度。低温下集料颗粒提升错动、转动、拔出等行为会消耗更大的能量。因此温度升高，沥青混凝土的黏聚力和内摩擦角都会降低。

表5 试验温度3.4 ℃和10 ℃下的抗剪强度结果

通过模型计算结果可以看出，温度升高，模量数K降低。模量数K可以一定程度上表征应力应变曲线初始切线模量的大小，温度升高，初始切线模量降低，模量数K降低，沥青混凝土的变形能力提高。模量指数反映的是围压对初始切线模量大小的影响，温度升高，模量指数n降低，围压对切线模量的影响降低。

3 结 论

从沥青混凝土的结构形式，以及在坝体内的受力特点来看，研究沥青混凝土的抗剪强度是具有实际意义的。该文研究了试验温度、围压和变形加载速率对沥青混凝土三轴试验结果的影响。随着温度的升高，峰值主应力差降低，对应的变形增大，黏结力和内摩擦角均降低；围压和加载速率增加，均会导致抗剪强度增大。试验条件往往取自实际的工程情况，因此在材料组成设计阶段，就需要充分考虑试验条件对强度指标的影响，选择合适的配比。