水工瀝青混凝土劈裂特性影響因素分析

張 揚(yáng)

(莆田市生態(tài)水系建設(shè)投資管理有限公司,福建 莆田 351106)

具有低防滲性、變形適應(yīng)性強(qiáng)和耐久性好的瀝青混凝土被廣泛應(yīng)用于常年多雨、高寒區(qū)或缺乏黏土等地區(qū)的土石心墻壩工程[1]，如挪威128 m的Storglomvatn壩、四川冶勒壩與去學(xué)壩等工程。作為水工結(jié)構(gòu)中最重要的防滲體，瀝青混凝土材料特性成為瀝青混凝土心墻壩領(lǐng)域的重要課題[2]，其中配合比設(shè)計(jì)與分析是研究其物理力學(xué)性質(zhì)的重要途徑。骨料級配指數(shù)r、填料用量G及瀝青含量B是配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素[3]，閆小虎等[4]采用控制變量法探究了r、B及G對孔隙率、穩(wěn)定度及流值的影響，慈軍[5]指出G用量直接影響瀝青混凝土穩(wěn)定度及流值，r值對穩(wěn)定性存在影響；現(xiàn)有規(guī)范[6]對心墻瀝青混凝土給出了孔隙率、滲透系數(shù)等控制標(biāo)準(zhǔn)，并指出應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際要求提出有關(guān)變形與力學(xué)指標(biāo)[7]。當(dāng)前筑壩技術(shù)持續(xù)發(fā)展，瀝青混凝土心墻壩已有向數(shù)百米級發(fā)展的趨勢[8]，這進(jìn)一步促進(jìn)瀝青混凝土工程性質(zhì)的研究。

瀝青混凝土在組構(gòu)上屬于空間網(wǎng)狀多相分散體系，其內(nèi)部孔隙較小且處于封閉狀態(tài)，無孔隙水應(yīng)力作用，通常認(rèn)為瀝青混凝土心墻不存在水力劈裂問題[9]，但已有局部裂縫在水力作用下仍存在擴(kuò)展可能性[10]。朱晟等[11]指出骨料級配影響瀝青混凝土剪脹性與孔隙率，拉應(yīng)力作用下局部微小裂紋誘導(dǎo)心墻發(fā)生水力劈裂；曹巖等[12]通過模型試驗(yàn)得到了剪脹作用下拉應(yīng)力對瀝青混凝土心墻開裂影響規(guī)律；余梁蜀等[13]指出配合比參數(shù)對瀝青混凝土孔隙率、劈裂強(qiáng)度及劈裂位移影響均很大，但尚未量化討論影響程度。瀝青混凝土配合比對其工程特性影響規(guī)律仍在持續(xù)分析研究階段。因此，依據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，設(shè)定3因素4水平試驗(yàn)，采用極差與方差分析法探究因素r、G與B對劈裂強(qiáng)度及劈裂位移的影響，得到配合比參數(shù)最優(yōu)組合；將配合比參數(shù)空間化，分析瀝青混凝土劈裂特性分布規(guī)律，為其工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用瀝青為新疆克拉瑪依70號(A級)瀝青，密度為0.989 g/cm3，針入度為69.8(單位為0.1 mm)，軟化點(diǎn)為47.6℃，延度大于176 cm(環(huán)境溫度為15 ℃)；所用填料為堿性礦粉，密度為2.69 g/cm3，含水率為0.08%，親水系數(shù)為0.88；粗細(xì)骨料均為灰?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(xì)骨料為0.075～2.350 mm，詳細(xì)粒徑級配曲線見圖1(圖中Pi為小于某一粒徑di顆粒質(zhì)量的百分比)。

圖1 骨料粒徑級配曲線

采用自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的馬歇爾試驗(yàn)儀進(jìn)行瀝青混凝土的劈裂試驗(yàn)，測定不同配合比下試樣劈裂強(qiáng)度σt和劈裂位移s變化規(guī)律；采用應(yīng)變控制施加荷載，加荷速率為1.0 mm/min，環(huán)境溫度為17.7 ℃；試樣尺寸為直徑100±1.0 mm、高63.5±0.5 mm的圓柱體。

1.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)已有成果[3-5]，用式(1)確定配合比參數(shù)r值。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，心墻所用瀝青混凝土骨料最大粒徑設(shè)定為19 mm，設(shè)定配合比參數(shù)均為4種水平，即r值為0.36、0.38、0.40及0.42，G值為10%、12%、14%及16%，B為6.0%、6.4%、6.8%及7.2%。

(1)

式中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。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)與概率論為基礎(chǔ)的試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用較少試驗(yàn)組來反映全面試驗(yàn)所探尋內(nèi)在規(guī)律，通常采用正交表進(jìn)行影響因素試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。根據(jù)分析，選用3因素4水平16組的L16(43)正交表，正交試驗(yàn)見表1。

表1 正交試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

整理試驗(yàn)結(jié)果，得到16組不同配合參數(shù)時瀝青混凝土σt和s試驗(yàn)結(jié)果，見表2。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，采用極差法進(jìn)行因素影響分析，以確定不同因素間最佳水平組合。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 劈裂強(qiáng)度分析

(2)

Rj=[max(Kij)-min(Kij)]/kij

(3)

(4)

2.2.1極差分析法

整理表1、2，得到瀝青混凝土影響指標(biāo)σt下配合比參數(shù)間的Rj值，見表3。從表3可知，r、G與B的Rj依次是0.067 2、0.032 5與0.030 5；其中，r的Rj顯著大于G及B，則說明r對σt的影響顯著大于G與B，且后兩者對σt的影響相差不大；依據(jù)因素間的極差意義，則配合比參數(shù)中對瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度影響次序?yàn)榧壟渲笖?shù)>填料用量>瀝青含量。

表3 試樣σt的Rj值

瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度隨級配指數(shù)增加而增大，隨填料用量與瀝青用量增加呈先增大后減小。為盡可能增大瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度，工程實(shí)際使用時可參考級配指數(shù)0.42、填料用量12%及瀝青用量6.8%的配合比參數(shù)。

2.2.2方差分析法

表4 試樣σt的方差分析

2.3 劈裂位移分析

2.3.1極差分析法

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到指標(biāo)s下不同配合比參數(shù)間的Rj值，見表5。從表5可知，r、G與B的Rj依次是0.401 0、0.599 3與11.072 3；其中，B的Rj顯著大于r與G，則說明B對s的影響顯著大于r與G，且G對指標(biāo)s影響稍大于r；這表明配合比參數(shù)對劈裂位移影響次序?yàn)闉r青含量>填料用量>級配指數(shù)，與劈裂強(qiáng)度的次序相反。

表5 指標(biāo)s的Rj值

瀝青混凝土劈裂位移隨級配指數(shù)增加呈波動變化，在r=0.36時取極小值；隨填料用量增加呈先增大后減小變化，在G=12%處取極大值；隨瀝青用量增加呈先增大變化。從盡可能降低瀝青混凝土劈裂位移角度，工程實(shí)際使用時可參考級配指數(shù)0.36、填料用量16%及瀝青用量6.0%的配合比參數(shù)。

2.3.2方差分析法

表6 指標(biāo)s的方差分析

3 討論

3.1 強(qiáng)度與模量

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度隨應(yīng)變呈先增大后減小變化趨勢，抗拉模量隨應(yīng)變增大而線性降低變化規(guī)律，見圖2。常溫環(huán)境中瀝青混凝土受到劈裂荷載作用時，在壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為引起試樣破壞拉應(yīng)力過程[14]，骨料間摩擦、咬合及鑲嵌結(jié)構(gòu)仍能抵抗外部荷載作用；從強(qiáng)度指標(biāo)角度而言，骨料級配指數(shù)對瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度影響顯著大于填料用量與瀝青含量(表3)。另一方面，瀝青混凝土需適應(yīng)壩體心墻與兩側(cè)過渡層差異協(xié)調(diào)變形，可選擇適當(dāng)增加填料用量或?yàn)r青含量[15]；從剛度角度而言，瀝青含量對瀝青混凝土劈裂位移影響程度顯著大于其余配合比參數(shù)(表5)。因此，對于可能存在水力劈裂的工程部位選擇瀝青混凝土作為防滲體時宜充分考慮其所處應(yīng)力狀態(tài)而擇優(yōu)選擇適宜的配合比。

圖2 劈裂強(qiáng)度與抗拉模量-應(yīng)變分布

3.2 配合比參數(shù)分布

以瀝青混凝土配合比3個參數(shù)作為空間坐標(biāo)系，用球體大小及顏色表征分析指標(biāo)的數(shù)值大小，見圖3。由圖3a可知，球體在r軸正向上大體呈偏向由小及大、顏色為由紅至藍(lán)的分布，這表明骨料級配指數(shù)對劈裂強(qiáng)度影響較為明顯；在圖3b中，球體在B軸反向上大體呈偏向由小及大、顏色為由紅至藍(lán)的分布，即瀝青劈裂位移對瀝青用量的變化較為敏感。這與極差和方差的分析結(jié)果相一致。

a)劈裂強(qiáng)度

4 結(jié)論

a)極差分析法表明瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度隨級配指數(shù)增加而增大，隨填料用量與瀝青用量增加呈先增大后減小；配合比參數(shù)對劈裂強(qiáng)度影響次序?yàn)椋杭壟渲笖?shù)>填料用量>瀝青含量。

b)方差分析法表明瀝青混凝土劈裂位移隨級配指數(shù)增加呈波動變化，隨填料用量增加呈先增大后減小變化，隨瀝青用量增加呈先增大變化；配合比參數(shù)對劈裂位移影響程度次序?yàn)椋簽r青含量>填料用量>級配指數(shù)。

c)從強(qiáng)度而言，瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度優(yōu)先考慮級配指數(shù)取值；從剛度角度，瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度優(yōu)先考慮瀝青含量取值。在可能存在水力劈裂的工程部位選擇瀝青混凝土作為防滲體時宜充分考慮其所處應(yīng)力狀態(tài)而擇優(yōu)選擇適應(yīng)的配合比。