浇筑式沥青混凝土三轴压缩蠕变特性试验研究

李富盈

摘要：浇筑式沥青混凝土是现代水利工程防渗心墙的主要材料。通过室内高压三轴蠕变压缩仪对3种不同沥青含量的浇筑式沥青混凝土试件在不同温度和偏应力状态条件下，进行了一系列的蠕变特性试验，研究沥青含量、温度对不同偏应力状态下浇筑式沥青混凝土蠕变特性的影响。结果表明：①同一沥青含量下，试件的蠕变随偏应力的增大而增大，且增长幅度受温度、沥青含量影响。②试件的蠕变与偏应力的关系，随温度的升高逐渐由线性向非线性转变;同一偏应力状态下，试件蠕变随沥青含量的增加呈非线性增大，且其增长速率随着沥青含量的增加而增大。③同一加载时间下，材料蠕变随温度的升高而增大，且蠕变速率随着沥青含量的增加而增大。④在三维空间，采用LogisticCum公式对试验数据进行三维曲面拟合，建立考虑温度、沥青含量及偏应力多因素影响的沥青混凝土蠕变模型，经验证模型曲面与试验曲面相拟度非常高。

关键词：浇筑式沥青混凝土;沥青含量;偏应力;蠕变;拟合度

中图分类号：TV431+.5

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.04.025

沥青混凝土是利用胶凝材料（沥青）与骨料胶结而形成的混凝土，按施工工艺可分为浇筑式沥青混凝土和碾压式沥青混凝土[1-6]。作为水利工程防渗心墙，浇筑式沥青混凝土除具有沥青混凝土防渗性能好、适应变形能力强、施工效率高等特点外，还具有施工工艺简单、环境适应性强、耐久性好及抗冲击力强等优点，因此浇筑式沥青混凝土在水利工程中得到了广泛应用。沥青性质、填料级配、配合比及环境温度都会对沥青混凝土力学性质及蠕变特性产生重要影响[7-11]，但综合考虑沥青含量、应力及温度3种因素所进行的浇筑式沥青混凝土蠕变特性研究还不够深入和全面。

三向应力状态下，浇筑式沥青混凝土蠕变特性对心墙的长期安全稳定十分重要。结合我国已建成的浇筑式沥青混凝土心墙的沥青配比情况，在粗细骨料配比一定的条件下，分别对沥青含量B为8.5%、10.5%及12.50-/0的瀝青混凝土试件进行三轴蠕变试验，研究温度T及偏应力S对蠕变特性的影响，分析其变化规律;在三维空间，针对温度、沥青含量及偏应力不同组合所形成的复杂条件，建立三维状态下沥青混凝土蠕变模型，以期为浇筑式沥青混凝土的设计提供借鉴。

1 沥青混凝土材料配比及样品制备

1.1 材料配比

试验采用胶结材料为胜利100#道路石油沥青，密度为1.010 g/cm，针人度为8-11 mm，延度为80 -100cm，软化温度为46.0 - 49.5℃。矿料分别由填料、粗骨料及细骨料组成，填料（粒径小于0.075 mm的矿粉）用人工砂在实验室磨细而成，粗骨料（粒径5. 000 -25.000 mm的碎石）由石灰岩制成，细骨料（粒径0.075 - 5.000 mm）采用人工砂。沥青含量按沥青占矿料总质量的百分数计，取3种沥青含量，分别为8.5%、10.5%、12.5%，编号为B8.5、B10.5、B12.5，矿料配合比见表1。

1.2 试验样品的制备

依据《水工沥青混凝土试验规程》（ DL/T 5362-2006）制备三轴试验试件，试件直径为100 mm，高为200 mm。试件成型按照“沥青混合料试件成型方法（静压法）”进行[12-13]，首先，将烘干的粗细骨料及矿粉按表1给定的配合比称重，分别装入搪瓷器皿中放人烘箱预热，粗细骨料及矿粉预热温度控制在（170 +5）℃，同时将成型试件所用模具在（170+5）℃预热，在另一烘箱将石油沥青加热到拌和温度160℃备用：然后，将预热好的材料立即放人温度为200 ℃左右的拌和锅内，拌和均匀，再将均匀拌和的沥青混合料分3层装入经过预热的三轴试件模具，每层均用力沿周边插捣15次、中间插捣10次，使其初步密实;最后，将装有混合料的试模及垫块一并置于压力机上加压至1 MPa后撤去垫块，再逐渐均匀加载至要求的试件高度，并维持3 min后卸荷，待温度降至50 - 60℃脱模，脱模后的试件需要放置于通风良好的室内，自然冷却24 h备用。

2 试验装置和试验方法

2.1 试验装置

（1）三轴蠕变试验系统。沥青混凝土材料蠕变试验是在SY250-2型高压三轴蠕变压缩仪上进行的，该仪器可进行直径φ为15、10 cm的粗料土和混凝土三轴蠕变试验，最大轴向出力P= 250 kN，周围压力为0-2.5 MPa.轴向力加荷系统可以采用应变控制及应力控制，其中应力控制是通过杠杆比为1：12的加压框架系统施加稳定轴向力，实现不同应力状态下的三轴蠕变试验。

（2）试验温度控制系统。温度对沥青混凝土蠕变特性有显著影响，因此试验设备安装在恒温的室内，室内安装有温度控制系统，可以保证试验环境温度与试验设定温度接近。此外，为了准确控制试验温度并保证试验温度稳定.SY250-2型三轴压缩蠕变仪专门配置了LSY型温度控制系统，试验前通过数显温度计监视压力室内的温度变化，待压力室液体温度达到试验温度后进行试验，试验过程中确保压力室液体温度变化范围不超过规定温度的+0.5℃。

2.2 试验参数选择

在沥青含量一定的情况下，应力状态及温度是浇筑式沥青混凝土蠕变特性的主要影响因素。对于三轴蠕变试验的应力状态，轴向应力σ1与侧向压力σ3需同时施加，且二者有固定的比例关系，本试验03/σ1=0.3。浇筑式沥青混凝土适用于寒冷地区土石坝防渗心墙的施工，寒冷地区沥青混凝土心墙运用期工作温度一般为2-10℃，为研究沥青混凝土正常工况下的蠕变特性，在其工作温度范围内选择两个试验温度，即5℃和10℃。由于温度对沥青混凝土力学性质有着重要影响，因此沥青混凝土心墙正常工作温度外的工程稳定性也是值得考虑的问题，结合室内试验条件，第三个试验温度设定为15℃。

2.3 试验方法

在三轴蠕变试验中，对沥青含量为8. 5%、10. 5%、12.5%的试件分别在温度T=5、10、15℃条件下进行三轴蠕变试验，试件选取3种受力状态，即：U3=0.15MPa、σ1 =0.50 MPa，03 =0.30 MPa、σl=1.00 MPa，σ3=0 MPa、σ1=1.00 MPa，各受力状态下的加载时间t为100、500、2 000 min。

2.4 试验分组

综上所述，对3种沥青含量的沥青混凝土，分别在3种温度、3种应力状态及不同加载时间下进行三轴蠕变试验，从而得到不同沥青含量、不同温度及不同应力条件下沥青混凝土的蠕变特性。根据所研究的3种影响因素不同组合情况，每个沥青含量下均需要制备9个沥青混凝土试样，且3个试样为一组，分为3组，3种沥青含量共计9组试样。

3 试验结果分析

3.1 偏应力对沥青混凝土试件蠕变的影响

材料蠕变是恒定应力作用下，材料在一定时期所产生的弹塑性变形。沥青混凝土材料蠕变试验方法一般有单轴压缩法和三轴压缩法，从沥青混凝土心墙受力方式来看，符合三向受力状态，因此按微单元体理论，采用三轴压缩法研究不同偏应力作用下的蠕变特性是合理的。

朱晟等[6-7，11]研究指出，偏应力对沥青混凝土试件蠕变的影响随温度及沥青含量的不同而不同，同一温度下，沥青含量越高，随偏应力的增大蠕变增加幅度越大。沥青含量为10.5%的试件在温度为5、10、15℃条件下的蠕变ε与偏应力S关系曲线见图1，由图1可知：不同温度及不同加载时间下，沥青混凝土的蠕变均随偏应力的增大而增大;在温度为5、10℃时蠕变与偏应力成线性关系，温度为15℃时由线性转变为非线性，且随着偏应力的增大，曲线形态由陡趋缓。其原因是，沥青混凝土在不同温度段具有不同的物理特性，温度为5-10℃时，由于其具有塑黏性，因此蠕变随偏应力的增大成线性增大关系：温度为10 - 15℃时，材料黏性增大，塑性减小，蠕变随偏应力的增大成非线性关系，并且沥青在该温度下的黏塑性导致蠕变对偏应力的敏感度降低，随着偏应力的增大，蠕变增大的幅度减小。

3.2 沥青含量对沥青混凝土蠕变的影响

浇筑式沥青混凝土混合料一般沥青含量较高，沥青材料用量除充满全部骨料孔隙外，还必须有富余，以保证施工中混合料具有一定流动性、自重压实性。宋日英等[8，10-11]指出，混合材料在满足上述要求的前提下，应选择较小的沥青配比，以保证其蠕变较小。

偏应力S为0.70 MPa，温度为5、10、15℃条件下，试件蠕变与沥青含量关系曲线见图2。3种温度下蠕变有着相同的变化规律，蠕变随沥青含量的增加而增大，且沥青含量为10.5% - 12.5%时蠕变增大的速率远大于沥青含量为8.5% - 10.5%的，曲线形态因此呈现出由缓变陡的趋势，且在温度较高及加载时间较长时，这种趋势更加明显。这主要是沥青混凝土中沥青膜厚度不同引起的，沥青含量较低时沥青膜厚度薄，沥青含量高时沥青膜厚度厚。沥青膜较薄时，骨料之间存在相互摩擦力，在恒定偏应力作用下，骨料之间难以滑动，因此蠕变较小;沥青膜较厚时，由于沥青的润滑作用，因此蠕变较大。温度较高时，蠕变随沥青含量的增加，其增大幅度加大，是沥青的高度温度敏感性引起的。

3.3 温度对沥青混凝土试件蠕变的影响

朱晟等[6，11]研究指出，不同温度条件下，沥青混凝土蠕变受温度的影响不同。沥青含量B=8.5%、10.5%、12.5%时试件蠕变与温度关系曲线见图3。由图3可以看出，3种沥青含量的沥青混凝土，蠕变均随着温度的升高而增大，且沥青含量越高，随温度的增加蠕变增大的幅度越大，这与沥青混凝土不同温度下物理状态不同有关。当偏应力为1 MPa，温度为10。15℃时，随温度的升高蠕变增大的幅度趋于稳定，这与沥青混凝土蠕变的受力状态及其温度敏感性有很大关系。在较高温度下，围压σ3的存在能够减缓蠕变的发展速率，而偏应力为I MPa时，试验围压σ3设定为0 MPa.导致此应力状态下，温度为5- 10℃时蠕变随温度升高快速增大，在温度为10℃时相对其他应力状态，较早出现了蠕变快速增长阶段与稳定增长阶段的拐点，从而引起温度为10～15℃时，蠕变增大幅度减小，蠕变对温度敏感性变弱，因此该应力状态下的曲线形态与另外两个应力（ 0.35、0.70 MPa）状态下的曲线形态明显不同。

4 复杂因素下沥青混凝土蠕变模型

沥青混凝土蠕变特性影响因素较多[6-9].其中主要影响因素为偏应力、沥青含量及溫度，上文虽然分别研究了这3种因素改变对蠕变的影响，但沥青混凝土蠕变往往受到多因素的共同影响，因此在三维状态下建立沥青混凝土蠕变模型，进行组合因素下的蠕变特性研究，从而为沥青混凝土设计及稳定计算提供参考。

根据试验结果得出偏应力、沥青含量与沥青混凝土试件蠕变三者之间的关系曲面见图4（a）。在Matlab软件中，采用多种方程对关系曲面进行拟合，经反复比较其拟合度，最终确定LogisticCum公式为最优选择。通过该公式对试验数据进行曲面拟合，得到沥青混凝土试件在不同偏应力和沥青含量条件下蠕变模型表达式：式中：x为偏应力;y为沥青含量;z为蠕变;z、b、c、d、e f为拟合参数，z0=0.270 32，6=2 082. 435 32，c=0.763 24，d= 0.272 83，e=21.455 09，=1.680 32。

模型拟合度为0.998。根据式（1）重新绘制偏应力、沥青含量与蠕变的关系曲面，见图4（b）。通过两图比较可以看出，其相似度非常高，模型表达式得到了验证。

根据试验结果得出沥青含量、温度与混凝土试件蠕变三者之间的关系曲面见图5（a）。同样通过Matlab软件中LogisticCum公式对试验数据进行曲面拟合，得到沥青混凝土试件在不同沥青含量和温度条件下蠕变模型表达式，表达式形式与式（1）相同，其中z为沥青含量、y为温度、z为蠕变，z。=0.357 5、b=3 134.362 46、c=0.214 2、d=0.016 03、e=13.437 82，=6.069 84，拟合度为0.999。通过模型表达式，绘制关系曲面，见图5（b）。模型曲面与试验曲面相似度非常高，模型公式得到了验证。由此可以看出，通过上述方法及公式所建立的三维状态沥青混凝土蠕变模型，对于描述沥青含量、温度及偏应力所组成的复杂影响因素与沥青混凝土蠕变的三维关系是适用的。

5 结论

浇筑式沥青混凝土是现代水利工程防渗心墙的主要材料，采用三轴压缩蠕变试验研究偏应力对蠕变的影响符合防渗心墙的受力状态。经研究可以得出以下结论：

（1）在不同温度条件下，沥青混凝土蠕变均随偏应力的增大而增大，在10℃以下时成线性变化，温度为15℃时成非线性变化，且加载时间越长蠕变越大。

（2）在一定偏应力作用下，不同温度的沥青混凝土蠕变均随沥青含量的增加而增大，且沥青含量为10.5%～12.5%的蠕变增大幅度远大于沥青含量为8.5% - 10.5%的，这与不同沥青含量下沥青膜的厚度有关。

（3）温度对沥青混凝土蠕变会产生较大影响，但不同条件下，温度对其影响程度不同，沥青含量高的，温度对蠕变影响程度大于沥青含量低的;偏应力大时，温度对蠕变的影响也较大。

（4）不同偏应力、沥青含量及温度条件下进行蠕变影响因素组合，在三维状态下建立两种影响因素组合下的沥青混凝土蠕变的曲面关系，通过LogisticCum公式对试验数据进行曲面拟合，分别得到蠕变与不同偏应力和沥青含量、蠕变与不同沥青含量和温度条件下的三维模型表达式，经过验证，模型曲面与试验曲面相似度非常高。

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【责任编辑吕艳梅】