溫度場作用下水工瀝青混凝土的力學穩(wěn)定性研究

王靜雯

(江西省南昌縣聯(lián)圩河道堤防中心，江西 南昌 330200)

水工瀝青混凝土因其優(yōu)越的變形能力和防滲性能，在土石壩建造方面得到廣泛應用[1]。目前,世界上已有130余座瀝青混凝土心墻防滲的土石壩，而瀝青混凝土用于土石壩防滲面板時，瀝青混凝土的動力性能受溫度影響顯著[2]。溫度的變化造成瀝青砂漿力學特性下降，并導致瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，一旦受到外部動荷載作用，混凝土內(nèi)部應力分布和裂縫會發(fā)生變化，極易引起內(nèi)部應力和裂縫擴展[3-4]。目前，國內(nèi)外學者對水工混凝土力學特性進行了大量研究。Breth H等首次進行直剪環(huán)實驗指出，循環(huán)荷載對瀝青混凝土性能影響較小[5]；FEIZI-KHANKANDI等進行了振動臺實驗模型研究指出，隨著溫度升高，瀝青混凝土吸水能力增強，剪切能力降低[6]；陳宇等研究了水工瀝青混凝土在0～20 ℃下的應力-應變?nèi)€特征，指出瀝青混凝土在0 ℃時表現(xiàn)出明顯的應力軟化現(xiàn)象，且隨著溫度上升，應力軟化轉(zhuǎn)為應力硬化[7]；田小革等指出溫度對瀝青混凝土的破壞模式和臨界應力有顯著影響作用等[8]。

上述相關(guān)研究更多的是基于特定溫度條件下的研究，而水工混凝土不同溫度場下的破壞形式和綜合力學性能研究較少，基于此，本文在0～20 ℃場下分析了水工瀝青混凝土應力-應變?nèi)€特征，并給出不同溫度下的應力-應變本構(gòu)模型，為后續(xù)提升水工瀝青混凝土的力學性能提供技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試樣配合比

試驗用水工瀝青混凝土取自某水庫工程鋪筑段的現(xiàn)場芯樣，瀝青混凝土骨料級配采用推導公式(1)計算：

(1)

式中：Pi為粒徑di通過率，%；P0.074為di=0.074 mm 時的通過率，%；Dmax為瀝青混凝土中最大粒徑，mm；n為級配指數(shù)，取n=0.4。根據(jù)式(1)得到瀝青混凝土骨料級配見表1所示。

表1 瀝青混合料骨料級配

1.2 試樣制備

將現(xiàn)場芯樣兩端打磨整平，切割成φ100mm×H100mm試件，為避免試件在溫度、重力場下發(fā)生變形，將切片試樣置于15 ℃光滑瓷磚上存放，并覆蓋遮光塑料薄膜。采用SY250-2.5型三軸壓縮試驗機，通過配置的LSY型瀝青高低溫環(huán)境箱進行瀝青混凝土動態(tài)三軸試驗，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取試件的應力和應變參數(shù)。

1.3 試驗方案

針對水工瀝青混凝土處于高寒地區(qū)和地震動作用下的應力應變狀況，分別進行三軸圍壓試驗和三軸蠕變試驗。根據(jù)三軸試驗要求，設(shè)定試驗圍壓σ3分別為0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa，在溫度為0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃ 時進行三軸試驗，根據(jù)瀝青混凝土試件三軸試驗方法，設(shè)置剪切速度為0.048 mm/min。

在三軸蠕變試驗中，設(shè)置溫度場5 ℃、10 ℃、15 ℃，試件三種不同的受力條件：(1)σ3=0.15 MPa,σ1=0.5 MPa。(2)σ3=0.3 MPa,σ1=1.0 MPa。(3)σ3=0 MPa,σ1=1.0 MPa，加載時間均為1000 min。試驗過程中，將試件置于恒溫箱內(nèi)24 h，然后,按照設(shè)定應變速率施加變載荷，直到試件破壞。

2 結(jié)果和分析

2.1 材料應力-應變關(guān)系

圖1是圍壓σ3=0.3 MPa時，瀝青混凝土在不同溫度下的應力-應變曲線?？梢钥闯觯S著溫度場的下降，應力-應變曲線彈性端更加陡峭，破壞應力不斷增加。當溫度場為0 ℃時，試件應力-應變曲線上的應變較小位置出現(xiàn)顯著的峰值點，隨著應變的增加，應力值急劇下降，試件表現(xiàn)出顯著脆性破壞。當溫度上升到0 ℃以上時，隨著應變的增加，瀝青混凝土偏應力不斷上升，曲線呈現(xiàn)出應力硬化趨勢，并未出現(xiàn)顯著峰值點。這主要是由于瀝青在0 ℃以下時表現(xiàn)為彈脆性，而溫度上升到0 ℃以上后，瀝青混凝土表現(xiàn)為黏彈性。

圖1 不同溫度的應力-應變曲線

根據(jù)溫度場在0 ℃時的應力-應變曲線形態(tài)與瀝青混凝土典型應力-應變關(guān)系曲線(如圖2),可以看出，曲線整體表現(xiàn)出典型的階段性，即瀝青混凝土應力-應變曲線劃分為初始壓縮(OA段)、線彈性(AB段)、強度硬化(BC段)和應力衰減(CD段)4個典型階段[9-10]。OA段為初始壓縮段，曲線向上形成凹形，彈性模量不斷增大，表現(xiàn)出壓縮特性。該階段試件內(nèi)部的微空隙和初始裂縫等在壓縮荷載和瀝青黏結(jié)力作用下發(fā)生閉合，強度非線性增加，同時，在荷載作用下瀝青砂漿的黏彈性發(fā)生壓縮硬化，彈性模量增加。AB段為線性變化段，其中A點時，試件內(nèi)部微孔隙已經(jīng)完全閉合，進入彈性階段，到B點時,試件達到彈性極限。BC段為非線性強化階段，試件內(nèi)部形成微裂紋，隨著應力緩慢增加，微裂紋不斷擴張，試件彈性模量逐漸減小，出現(xiàn)黏塑性變形。CD段為應力衰減段，試件在荷載作用下，微裂紋快速擴展，裂紋相互連接形成裂縫帶，材料承載力下降。

圖2 瀝青混凝土典型應力-應變關(guān)系

2.2 溫度對材料破壞偏應力的影響

由應力-應變曲線分析可知，瀝青混凝土在0 ℃時存在峰值點。根據(jù)三軸試驗要求，曲線峰值點即試件破壞偏應力σ(1-3)f，溫度高于0 ℃時的曲線并不存在顯著峰值點，選擇應變ε=10%對應的應力值作為試件破壞偏應力。

圖3為瀝青混凝土在不同圍壓下溫度場與σ(1-3)f破壞偏應力關(guān)系曲線。在溫度場0～10 ℃段，隨著溫度的升高，瀝青混凝土破壞偏應力大幅下降，溫度場10～20 ℃段，曲線增幅趨于緩和，10 ℃為曲線單調(diào)減小和非線性減小分界點，這是由于0 ℃時，瀝青力學性質(zhì)較偏脆性，試件的破壞偏應力較大，隨著溫度升高，試件力學性能向黏彈性轉(zhuǎn)變，破壞偏應力下降，在該溫度范圍內(nèi)試件的力學性能趨于穩(wěn)定。

圖3 不同溫度作用下破壞偏應力

2.3 溫度對瀝青混凝土蠕變的影響

圖4為瀝青混凝土試件蠕變與溫度關(guān)系曲線，隨著溫度的升高，壓力比越大(軸向壓力與側(cè)向壓力比值)，瀝青混凝土的蠕變不斷增大，當σ1=1.0 MPa、σ3=0 MPa時的蠕變達到最大值。其中溫度場在10～15 ℃區(qū)間的蠕變-溫度曲線斜率大于溫度場5～10 ℃區(qū)間，表明蠕變增加幅度明顯大于溫度增大幅度，這與瀝青在較高溫度下黏彈性有關(guān)。

圖4 不同溫度下的瀝青混凝土蠕變曲線

3 瀝青混凝土的溫度場模型

3.1 溫度場的應力-應變本構(gòu)關(guān)系

根據(jù)不同溫度下的瀝青混凝土溫度應力-應變曲線形態(tài)可以看出，瀝青混凝土的應力大小和應變均與溫度場有密切關(guān)系，在5～15 ℃溫度區(qū)間曲線的變化規(guī)律相似，表現(xiàn)為典型的雙曲線模型。但各溫度場下的偏應力不同，造成各溫度場下雙曲線關(guān)系式存在差異[11]。要建立合理的應力-應變模型來預測不同溫度場下的應力應變特征，需要引入相應的溫度系數(shù)?；诖?，本文根據(jù)瀝青混凝土應力應變曲線，根據(jù)分段法建立不同溫度場的應力預測模型[12]?？紤]到0 ℃時試件呈脆性破壞狀態(tài)，應力-應變曲線不符合雙曲線模型，根據(jù)相關(guān)研究，引入硬化參量以選取塑性功和彈簧模量對應的應力軟化部分來建立本構(gòu)模型，如式(2)：

(2)

式中：a(t)和b(t)為初始切線模量Ei的應力差漸近值倒數(shù)的溫度場函數(shù)；εa為材料的軸應變，%。

當試件達到峰值應力后，瀝青混凝土應力應變曲線表現(xiàn)為應變硬化和應變軟化兩類[13]。其中的應力硬化視為衰減開始階段，到達峰值后的應力應變曲線采用遞減型logistic函數(shù)描述，應變軟化型曲線包括衰減開始、快速衰減和衰減減速階段，滿足logistic曲線變化特征[14]，因此，獲得瀝青混凝土峰值應力后模型方程(3)為：

(3)

式中：σ為瀝青混凝土應力，MPa；σp k為峰值應力，MPa；ε和εp k分別為瀝青混凝土應變和峰值應變。

3.2 模型驗證

由式(2)和式(3)對0～15 ℃的材料應力應變曲線擬合，獲得不同溫度下預測模型的擬合曲線見圖5，表2給出了不同溫度下的預測模型擬合參數(shù)?？梢钥闯觯瑪M合曲線與實驗曲線吻合度較高，其中溫度較高時，峰值應力前的擬合曲線偏差較大，這主要是由于該階段的瀝青混凝土存在一定黏塑性，造成應力應變曲線中存在部分壓密段和非線性強化段。由于模型是基于鋼纖維混凝土構(gòu)建的，材料剛度較大，導致峰值應力前曲線模型在低溫場適應性更高。

圖5 應力-應變擬合曲線

表2 瀝青混凝土應力應變模型擬合參數(shù)

4 結(jié) 論

(1)瀝青混凝土在0 ℃時表現(xiàn)出明顯應力軟化現(xiàn)象，出現(xiàn)脆性破壞。在0 ℃時，材料表現(xiàn)為脆性破壞，材料破壞偏應力較大，隨著溫度上升，材料表現(xiàn)為黏彈性，破壞偏應力下降，溫度在10 ℃以上時材料蠕變增幅較大。

(2)根據(jù)瀝青混凝土應力應變曲線，引入硬化參量建立溫度場條件的本構(gòu)模型，采用遞減型logistic函數(shù)描述不同溫度場應力應變曲線。通過實例驗證，模型函數(shù)與實測值擬合效果較好，能準確反應不同溫度的瀝青混凝土應力-應變關(guān)系。