澆筑式瀝青混凝土三軸壓縮蠕變特性試驗研究

李富盈

摘要：澆筑式瀝青混凝土是現(xiàn)代水利工程防滲心墻的主要材料。通過室內(nèi)高壓三軸蠕變壓縮儀對3種不同瀝青含量的澆筑式瀝青混凝土試件在不同溫度和偏應(yīng)力狀態(tài)條件下，進行了一系列的蠕變特性試驗，研究瀝青含量、溫度對不同偏應(yīng)力狀態(tài)下澆筑式瀝青混凝土蠕變特性的影響。結(jié)果表明：①同一瀝青含量下，試件的蠕變隨偏應(yīng)力的增大而增大，且增長幅度受溫度、瀝青含量影響。②試件的蠕變與偏應(yīng)力的關(guān)系，隨溫度的升高逐漸由線性向非線性轉(zhuǎn)變;同一偏應(yīng)力狀態(tài)下，試件蠕變隨瀝青含量的增加呈非線性增大，且其增長速率隨著瀝青含量的增加而增大。③同一加載時間下，材料蠕變隨溫度的升高而增大，且蠕變速率隨著瀝青含量的增加而增大。④在三維空間，采用LogisticCum公式對試驗數(shù)據(jù)進行三維曲面擬合，建立考慮溫度、瀝青含量及偏應(yīng)力多因素影響的瀝青混凝土蠕變模型，經(jīng)驗證模型曲面與試驗曲面相擬度非常高。

關(guān)鍵詞：澆筑式瀝青混凝土;瀝青含量;偏應(yīng)力;蠕變;擬合度

中圖分類號：TV431+.5

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.04.025

瀝青混凝土是利用膠凝材料（瀝青）與骨料膠結(jié)而形成的混凝土，按施工工藝可分為澆筑式瀝青混凝土和碾壓式瀝青混凝土[1-6]。作為水利工程防滲心墻，澆筑式瀝青混凝土除具有瀝青混凝土防滲性能好、適應(yīng)變形能力強、施工效率高等特點外，還具有施工工藝簡單、環(huán)境適應(yīng)性強、耐久性好及抗沖擊力強等優(yōu)點，因此澆筑式瀝青混凝土在水利工程中得到了廣泛應(yīng)用。瀝青性質(zhì)、填料級配、配合比及環(huán)境溫度都會對瀝青混凝土力學(xué)性質(zhì)及蠕變特性產(chǎn)生重要影響[7-11]，但綜合考慮瀝青含量、應(yīng)力及溫度3種因素所進行的澆筑式瀝青混凝土蠕變特性研究還不夠深入和全面。

三向應(yīng)力狀態(tài)下，澆筑式瀝青混凝土蠕變特性對心墻的長期安全穩(wěn)定十分重要。結(jié)合我國已建成的澆筑式瀝青混凝土心墻的瀝青配比情況，在粗細骨料配比一定的條件下，分別對瀝青含量B為8.5%、10.5%及12.50-/0的瀝青混凝土試件進行三軸蠕變試驗，研究溫度T及偏應(yīng)力S對蠕變特性的影響，分析其變化規(guī)律;在三維空間，針對溫度、瀝青含量及偏應(yīng)力不同組合所形成的復(fù)雜條件，建立三維狀態(tài)下瀝青混凝土蠕變模型，以期為澆筑式瀝青混凝土的設(shè)計提供借鑒。

1 瀝青混凝土材料配比及樣品制備

1.1 材料配比

試驗采用膠結(jié)材料為勝利100#道路石油瀝青，密度為1.010 g/cm，針人度為8-11 mm，延度為80 -100cm，軟化溫度為46.0 - 49.5℃。礦料分別由填料、粗骨料及細骨料組成，填料（粒徑小于0.075 mm的礦粉）用人工砂在實驗室磨細而成，粗骨料（粒徑5. 000 -25.000 mm的碎石）由石灰?guī)r制成，細骨料（粒徑0.075 - 5.000 mm）采用人工砂。瀝青含量按瀝青占礦料總質(zhì)量的百分數(shù)計，取3種瀝青含量，分別為8.5%、10.5%、12.5%，編號為B8.5、B10.5、B12.5，礦料配合比見表1。

1.2 試驗樣品的制備

依據(jù)《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》（ DL/T 5362-2006）制備三軸試驗試件，試件直徑為100 mm，高為200 mm。試件成型按照“瀝青混合料試件成型方法（靜壓法）”進行[12-13]，首先，將烘干的粗細骨料及礦粉按表1給定的配合比稱重，分別裝入搪瓷器皿中放人烘箱預(yù)熱，粗細骨料及礦粉預(yù)熱溫度控制在（170 +5）℃，同時將成型試件所用模具在（170+5）℃預(yù)熱，在另一烘箱將石油瀝青加熱到拌和溫度160℃?zhèn)溆茫喝缓?，將預(yù)熱好的材料立即放人溫度為200 ℃左右的拌和鍋內(nèi)，拌和均勻，再將均勻拌和的瀝青混合料分3層裝入經(jīng)過預(yù)熱的三軸試件模具，每層均用力沿周邊插搗15次、中間插搗10次，使其初步密實;最后，將裝有混合料的試模及墊塊一并置于壓力機上加壓至1 MPa后撤去墊塊，再逐漸均勻加載至要求的試件高度，并維持3 min后卸荷，待溫度降至50 - 60℃脫模，脫模后的試件需要放置于通風(fēng)良好的室內(nèi)，自然冷卻24 h備用。

2 試驗裝置和試驗方法

2.1 試驗裝置

（1）三軸蠕變試驗系統(tǒng)。瀝青混凝土材料蠕變試驗是在SY250-2型高壓三軸蠕變壓縮儀上進行的，該儀器可進行直徑φ為15、10 cm的粗料土和混凝土三軸蠕變試驗，最大軸向出力P= 250 kN，周圍壓力為0-2.5 MPa.軸向力加荷系統(tǒng)可以采用應(yīng)變控制及應(yīng)力控制，其中應(yīng)力控制是通過杠桿比為1：12的加壓框架系統(tǒng)施加穩(wěn)定軸向力，實現(xiàn)不同應(yīng)力狀態(tài)下的三軸蠕變試驗。

（2）試驗溫度控制系統(tǒng)。溫度對瀝青混凝土蠕變特性有顯著影響，因此試驗設(shè)備安裝在恒溫的室內(nèi)，室內(nèi)安裝有溫度控制系統(tǒng)，可以保證試驗環(huán)境溫度與試驗設(shè)定溫度接近。此外，為了準確控制試驗溫度并保證試驗溫度穩(wěn)定.SY250-2型三軸壓縮蠕變儀專門配置了LSY型溫度控制系統(tǒng)，試驗前通過數(shù)顯溫度計監(jiān)視壓力室內(nèi)的溫度變化，待壓力室液體溫度達到試驗溫度后進行試驗，試驗過程中確保壓力室液體溫度變化范圍不超過規(guī)定溫度的+0.5℃。

2.2 試驗參數(shù)選擇

在瀝青含量一定的情況下，應(yīng)力狀態(tài)及溫度是澆筑式瀝青混凝土蠕變特性的主要影響因素。對于三軸蠕變試驗的應(yīng)力狀態(tài)，軸向應(yīng)力σ1與側(cè)向壓力σ3需同時施加，且二者有固定的比例關(guān)系，本試驗03/σ1=0.3。澆筑式瀝青混凝土適用于寒冷地區(qū)土石壩防滲心墻的施工，寒冷地區(qū)瀝青混凝土心墻運用期工作溫度一般為2-10℃，為研究瀝青混凝土正常工況下的蠕變特性，在其工作溫度范圍內(nèi)選擇兩個試驗溫度，即5℃和10℃。由于溫度對瀝青混凝土力學(xué)性質(zhì)有著重要影響，因此瀝青混凝土心墻正常工作溫度外的工程穩(wěn)定性也是值得考慮的問題，結(jié)合室內(nèi)試驗條件，第三個試驗溫度設(shè)定為15℃。

2.3 試驗方法

在三軸蠕變試驗中，對瀝青含量為8. 5%、10. 5%、12.5%的試件分別在溫度T=5、10、15℃條件下進行三軸蠕變試驗，試件選取3種受力狀態(tài)，即：U3=0.15MPa、σ1 =0.50 MPa，03 =0.30 MPa、σl=1.00 MPa，σ3=0 MPa、σ1=1.00 MPa，各受力狀態(tài)下的加載時間t為100、500、2 000 min。

2.4 試驗分組

綜上所述，對3種瀝青含量的瀝青混凝土，分別在3種溫度、3種應(yīng)力狀態(tài)及不同加載時間下進行三軸蠕變試驗，從而得到不同瀝青含量、不同溫度及不同應(yīng)力條件下瀝青混凝土的蠕變特性。根據(jù)所研究的3種影響因素不同組合情況，每個瀝青含量下均需要制備9個瀝青混凝土試樣，且3個試樣為一組，分為3組，3種瀝青含量共計9組試樣。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 偏應(yīng)力對瀝青混凝土試件蠕變的影響

材料蠕變是恒定應(yīng)力作用下，材料在一定時期所產(chǎn)生的彈塑性變形。瀝青混凝土材料蠕變試驗方法一般有單軸壓縮法和三軸壓縮法，從瀝青混凝土心墻受力方式來看，符合三向受力狀態(tài)，因此按微單元體理論，采用三軸壓縮法研究不同偏應(yīng)力作用下的蠕變特性是合理的。

朱晟等[6-7，11]研究指出，偏應(yīng)力對瀝青混凝土試件蠕變的影響隨溫度及瀝青含量的不同而不同，同一溫度下，瀝青含量越高，隨偏應(yīng)力的增大蠕變增加幅度越大。瀝青含量為10.5%的試件在溫度為5、10、15℃條件下的蠕變ε與偏應(yīng)力S關(guān)系曲線見圖1，由圖1可知：不同溫度及不同加載時間下，瀝青混凝土的蠕變均隨偏應(yīng)力的增大而增大;在溫度為5、10℃時蠕變與偏應(yīng)力成線性關(guān)系，溫度為15℃時由線性轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性，且隨著偏應(yīng)力的增大，曲線形態(tài)由陡趨緩。其原因是，瀝青混凝土在不同溫度段具有不同的物理特性，溫度為5-10℃時，由于其具有塑黏性，因此蠕變隨偏應(yīng)力的增大成線性增大關(guān)系：溫度為10 - 15℃時，材料黏性增大，塑性減小，蠕變隨偏應(yīng)力的增大成非線性關(guān)系，并且瀝青在該溫度下的黏塑性導(dǎo)致蠕變對偏應(yīng)力的敏感度降低，隨著偏應(yīng)力的增大，蠕變增大的幅度減小。

3.2 瀝青含量對瀝青混凝土蠕變的影響

澆筑式瀝青混凝土混合料一般瀝青含量較高，瀝青材料用量除充滿全部骨料孔隙外，還必須有富余，以保證施工中混合料具有一定流動性、自重壓實性。宋日英等[8，10-11]指出，混合材料在滿足上述要求的前提下，應(yīng)選擇較小的瀝青配比，以保證其蠕變較小。

偏應(yīng)力S為0.70 MPa，溫度為5、10、15℃條件下，試件蠕變與瀝青含量關(guān)系曲線見圖2。3種溫度下蠕變有著相同的變化規(guī)律，蠕變隨瀝青含量的增加而增大，且瀝青含量為10.5% - 12.5%時蠕變增大的速率遠大于瀝青含量為8.5% - 10.5%的，曲線形態(tài)因此呈現(xiàn)出由緩變陡的趨勢，且在溫度較高及加載時間較長時，這種趨勢更加明顯。這主要是瀝青混凝土中瀝青膜厚度不同引起的，瀝青含量較低時瀝青膜厚度薄，瀝青含量高時瀝青膜厚度厚。瀝青膜較薄時，骨料之間存在相互摩擦力，在恒定偏應(yīng)力作用下，骨料之間難以滑動，因此蠕變較小;瀝青膜較厚時，由于瀝青的潤滑作用，因此蠕變較大。溫度較高時，蠕變隨瀝青含量的增加，其增大幅度加大，是瀝青的高度溫度敏感性引起的。

3.3 溫度對瀝青混凝土試件蠕變的影響

朱晟等[6，11]研究指出，不同溫度條件下，瀝青混凝土蠕變受溫度的影響不同。瀝青含量B=8.5%、10.5%、12.5%時試件蠕變與溫度關(guān)系曲線見圖3。由圖3可以看出，3種瀝青含量的瀝青混凝土，蠕變均隨著溫度的升高而增大，且瀝青含量越高，隨溫度的增加蠕變增大的幅度越大，這與瀝青混凝土不同溫度下物理狀態(tài)不同有關(guān)。當(dāng)偏應(yīng)力為1 MPa，溫度為10。15℃時，隨溫度的升高蠕變增大的幅度趨于穩(wěn)定，這與瀝青混凝土蠕變的受力狀態(tài)及其溫度敏感性有很大關(guān)系。在較高溫度下，圍壓σ3的存在能夠減緩蠕變的發(fā)展速率，而偏應(yīng)力為I MPa時，試驗圍壓σ3設(shè)定為0 MPa.導(dǎo)致此應(yīng)力狀態(tài)下，溫度為5- 10℃時蠕變隨溫度升高快速增大，在溫度為10℃時相對其他應(yīng)力狀態(tài)，較早出現(xiàn)了蠕變快速增長階段與穩(wěn)定增長階段的拐點，從而引起溫度為10～15℃時，蠕變增大幅度減小，蠕變對溫度敏感性變?nèi)?，因此該?yīng)力狀態(tài)下的曲線形態(tài)與另外兩個應(yīng)力（ 0.35、0.70 MPa）狀態(tài)下的曲線形態(tài)明顯不同。

4 復(fù)雜因素下瀝青混凝土蠕變模型

瀝青混凝土蠕變特性影響因素較多[6-9].其中主要影響因素為偏應(yīng)力、瀝青含量及溫度，上文雖然分別研究了這3種因素改變對蠕變的影響，但瀝青混凝土蠕變往往受到多因素的共同影響，因此在三維狀態(tài)下建立瀝青混凝土蠕變模型，進行組合因素下的蠕變特性研究，從而為瀝青混凝土設(shè)計及穩(wěn)定計算提供參考。

根據(jù)試驗結(jié)果得出偏應(yīng)力、瀝青含量與瀝青混凝土試件蠕變?nèi)咧g的關(guān)系曲面見圖4（a）。在Matlab軟件中，采用多種方程對關(guān)系曲面進行擬合，經(jīng)反復(fù)比較其擬合度，最終確定LogisticCum公式為最優(yōu)選擇。通過該公式對試驗數(shù)據(jù)進行曲面擬合，得到瀝青混凝土試件在不同偏應(yīng)力和瀝青含量條件下蠕變模型表達式：式中：x為偏應(yīng)力;y為瀝青含量;z為蠕變;z、b、c、d、e f為擬合參數(shù)，z0=0.270 32，6=2 082. 435 32，c=0.763 24，d= 0.272 83，e=21.455 09，=1.680 32。

模型擬合度為0.998。根據(jù)式（1）重新繪制偏應(yīng)力、瀝青含量與蠕變的關(guān)系曲面，見圖4（b）。通過兩圖比較可以看出，其相似度非常高，模型表達式得到了驗證。

根據(jù)試驗結(jié)果得出瀝青含量、溫度與混凝土試件蠕變?nèi)咧g的關(guān)系曲面見圖5（a）。同樣通過Matlab軟件中LogisticCum公式對試驗數(shù)據(jù)進行曲面擬合，得到瀝青混凝土試件在不同瀝青含量和溫度條件下蠕變模型表達式，表達式形式與式（1）相同，其中z為瀝青含量、y為溫度、z為蠕變，z。=0.357 5、b=3 134.362 46、c=0.214 2、d=0.016 03、e=13.437 82，=6.069 84，擬合度為0.999。通過模型表達式，繪制關(guān)系曲面，見圖5（b）。模型曲面與試驗曲面相似度非常高，模型公式得到了驗證。由此可以看出，通過上述方法及公式所建立的三維狀態(tài)瀝青混凝土蠕變模型，對于描述瀝青含量、溫度及偏應(yīng)力所組成的復(fù)雜影響因素與瀝青混凝土蠕變的三維關(guān)系是適用的。

5 結(jié)論

澆筑式瀝青混凝土是現(xiàn)代水利工程防滲心墻的主要材料，采用三軸壓縮蠕變試驗研究偏應(yīng)力對蠕變的影響符合防滲心墻的受力狀態(tài)。經(jīng)研究可以得出以下結(jié)論：

（1）在不同溫度條件下，瀝青混凝土蠕變均隨偏應(yīng)力的增大而增大，在10℃以下時成線性變化，溫度為15℃時成非線性變化，且加載時間越長蠕變越大。

（2）在一定偏應(yīng)力作用下，不同溫度的瀝青混凝土蠕變均隨瀝青含量的增加而增大，且瀝青含量為10.5%～12.5%的蠕變增大幅度遠大于瀝青含量為8.5% - 10.5%的，這與不同瀝青含量下瀝青膜的厚度有關(guān)。

（3）溫度對瀝青混凝土蠕變會產(chǎn)生較大影響，但不同條件下，溫度對其影響程度不同，瀝青含量高的，溫度對蠕變影響程度大于瀝青含量低的;偏應(yīng)力大時，溫度對蠕變的影響也較大。

（4）不同偏應(yīng)力、瀝青含量及溫度條件下進行蠕變影響因素組合，在三維狀態(tài)下建立兩種影響因素組合下的瀝青混凝土蠕變的曲面關(guān)系，通過LogisticCum公式對試驗數(shù)據(jù)進行曲面擬合，分別得到蠕變與不同偏應(yīng)力和瀝青含量、蠕變與不同瀝青含量和溫度條件下的三維模型表達式，經(jīng)過驗證，模型曲面與試驗曲面相似度非常高。

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【責(zé)任編輯呂艷梅】