大粒径骨料对心墙沥青混凝土抗剪性能影响分析

2020-02-11伦聚斌

广东水利水电 2020年1期

伦聚斌

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

沥青混凝土是由粗、细骨料，填料以及沥青按照一定比例配制而成的多级分散体系，具有良好的柔性和适应变形能力强等特点[1]，在水利工程中得到广泛的应用。粗骨料在沥青混凝土中起到骨架的作用，细骨料和填料充分的填充粗骨料之间的空隙，在沥青的包裹下各级骨料紧密结合在一起，在沥青混凝土心墙坝中起到很好的挡水作用。由于上下水头差对心墙沥青混凝土会形成剪切破坏，所以抗剪性能是关注的重点，也是该防渗体的薄弱环节之一[2]。

在《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》(SL 501—2010)中规定：粗骨料最大粒径不宜大于19 mm[3]，但我国的甘肃党河水库、辽宁碧流河水库以及美国蒙哥马利水库粗骨料最大粒径均为25 mm[4]。何建新等通过将骨料最大粒径提高至31.5 mm研究了浇筑式沥青混凝土的力学性能，结果表明马歇尔稳定度及密度明显增加，马歇尔流值降低[5]；应荣华等解释了大粒径沥青混凝土的抗裂性能优于小粒径沥青混凝土的机理[6]；柴艳春证明了大粒径混合料具有很好的高温稳定性[7]。上述内容研究了大粒径骨料在浇筑式沥青混凝土中力学性能和大粒径混合料的路用性能，但大粒径骨料对沥青混凝土的抗剪性能的研究偏少。

本文将骨料最大粒径由19 mm提高至26.5 mm，并采用正交试验的方法优选出骨料最大粒径不同的两组配合比，分别进行直接剪切试验和静三轴试验，对比抗剪强度、粘聚力、内摩擦角及体变的大小，分析大粒径骨料对沥青混凝土抗剪性能的影响。

1 原材料及基础配合比

本试验研究采用的原材料包括矿料和沥青。矿料中粗骨料选用碱性岩石破碎料，骨料最大粒径为26.5 mm，细骨料选用碱性岩石破碎的人工砂，填料选用石粉；沥青选用克拉玛依石化公司生产的70号道路石油沥青，各材料的技术性能指标见表1～2所示。

表1 沥青技术性能

表2 矿料技术性能

根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》(SL 501—2010)，推荐以及本试验研究需要选取矿料级配指数、填料用量、沥青用量为影响因素，按照正交试验方法设计试验方案，以马歇尔稳定度、流值和劈裂抗拉强度为考核指标，采用极差方差分析，选出基础配合比参数：矿料级配指数为0.39，填料用量为13%，沥青用量为6.8%，最终确定各材料的质量配合比见表3所示。

表3 心墙沥青混凝土基础配合比 mm

2 试验方法

2.1直剪试验方法

按照上述配合比制备沥青混凝土试件，每组配合比分别制备3个试件，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。采用中型直剪仪进行试验，剪切速率为0.2 mm/min，位移传感器和荷载传感器的精度分别为0.1 mm和1 N。

2.2静三轴试验方法

按照上述配合比每组分别制备4个沥青混凝土试件，试件尺寸为Φ100 mm×H200 mm。采用沥青三轴试验仪进行试验，将几个圆柱形的试件分别放在恒定的不同围压下，不断地施加轴向力，进行剪切试验直到试件破坏为止，位移传感器和荷载传感器的精度分别为0.1 mm和1 N。

3 试验结果与分析

通过最大粒径不同的两组配合比制备沥青混凝土试件，分别进行直接剪切试验和静三轴试验，对比两组试验结果，分析大粒径骨料对心墙沥青混凝土抗剪性能的影响。

3.1直剪试验结果与分析

为研究大粒径骨料对心墙沥青混凝土抗剪强度的影响，对试件进行密度、空隙率的测定及直接剪切试验，试验结果见表4所示。

表4 直剪试验结果

由表4试验结果可知，JP-1的沥青混凝土抗剪强度比JP-2的小0.02 MPa，相当于JP-2抗剪强度的93.5%，相差6.5%，相差不明显。主要是因为骨料和沥青的粘结强度在沥青混凝土试样直接剪切过程中起主导作用，而骨料与沥青的接触面是薄弱面，比较容易破坏。骨料粒径越大比表面积越小，与沥青的接触面积越少，薄弱面越少，且在沥青混凝土中粗骨料起骨架作用，在剪切破坏的过程中，大粒径混凝土的骨架作用明显，骨料之间的咬合力较强，具体表现在抗剪强度较高。

3.2静三轴试验结果与分析

根据摩尔-库伦原理求它的抗剪强度参数，并按照邓肯-张模型计算出应力-应变参数。为直观比较两种级配下，沥青混凝土在受到三轴剪切破坏时，主应力差和体应变的关系，试验结果列于表5～6。

表5 相同轴向应变下JP-1与JP-2主应力差对比 kPa

轴向应变/%200400600800JP-1JP-2JP-1JP-2JP-1JP-2JP-1JP-21.012532543233263926043687572.015125986516937901 0738251 3103.057539119481 0701 1421 4511 2221 7594.009421 1171 1701 3511 3971 7151 5062 0645.031 1061 2921 3561 5761 6061 9441 7562 3026.021 2431 4101 5031 7381 7632 1361 9292 4587.021 3461 5071 6121 8521 8782 2602 0762 5648.011 4081 5371 6881 9371 9682 3052 1752 6509.041 428-1 7281 9712 0272 3142 2552 696

表6 相同轴向应变下JP-1与JP-2体应变对比kPa

轴向应变/%200400600800JP-1JP-2JP-1JP-2JP-1JP-2JP-1JP-21.01-0.071 5-0.070 3-0.064 7-0.072 8-0.070 6-0.082 1-0.069 5-0.092 72.01-0.121 4-0.121 0-0.113 5-0.133 0-0.130 2-0.148 1-0.132 7-0.163 43.05-0.136 0-0.139 7-0.149 8-0.170 3-0.170 4-0.194 5-0.186 2-0.217 74.00-0.120 3-0.130 5-0.148 9-0.171 1-0.186 5-0.204 8-0.213 1-0.240 25.03-0.064 4-0.085 2-0.125 2-0.152 1-0.178 9-0.198 8-0.224 6-0.253 16.020.016 7-0.016 5-0.063 4-0.103 6-0.148 3-0.171 0-0.217 6-0.239 97.020.127 50.078 60.021 8-0.044 0-0.106 7-0.134 0-0.188 7-0.21088.01-0.187 00.120 60.036 5-0.050 5-0.072 5-0.153 8-0.146 89.04---0.120 90.003 10.016 6-0.101 3-0.062 110.00----0.037 40.860-0.052 70.018 911.05------0.010 2-

由表5可知：在每个相同的围压下，JP-2的主应力差均比JP-1大，说明在轴向应变相同的条件下，JP-2的偏应力较大，试件在破坏时的抗剪强度较高，抵抗剪切破坏的能力强。由表6可知：当轴向应变相同时，围压在200 kPa和400 kPa时，JP-2与JP-1的体变相差不明显，当围压在600 kPa和800 kPa时，JP-2比JP-1的沥青混凝土体变大。因为JP-2的沥青混凝土中骨料最大粒径较大，在剪切过程中，粗骨料的骨架作用比较明显，抗剪强度较高，其偏应力就较大；骨料的粒径越大，在剪切破坏的过程中骨料的相对移动较明显，表现在破坏时的体应变较大体积膨胀明显。因此，JP-2的沥青混凝土抗剪强度高且体胀较大。

沥青混凝土的应力-应变曲线呈非线性关系，为得到非线性参数，按照邓肯-张双曲线E～u模型计算。将试验曲线与理论曲线进行对比，并对非线性参数进行修正(见表7所示)。修正后的主应力差与轴向应变及体应变与轴向应变关系曲线见图1～4。

表7 沥青混凝土E-μ模型静三轴试验参数

图1 JP-1沥青混凝土修正后主应力差与轴向应变关系曲线

图2 JP-1沥青混凝土修正后体应变与轴向应变关系曲线

图3 JP-2沥青混凝土修正后主应力差与轴向应变关系曲线

JP-2与JP-1的沥青混凝土相比，JP-2的沥青混凝土内摩擦角大3.2°，而粘聚力稍小，但变化不大。说明骨料粒径越大，在剪切破坏的过程中颗粒与颗粒之间分离的角度越明显；而心墙沥青混凝土与公路沥青混凝土相比，其沥青用量和填料用量都较多，使得骨料之间有充足的自由沥青，进而减小了骨料颗粒间的摩擦力对其影响。心墙沥青混凝土的粘聚力由骨料与沥青胶浆共同作用[8]，在沥青胶浆相同的情况下，骨料粒径大的沥青混凝土中的自由沥青偏多，与沥青胶浆的粘结效果偏差，粘聚力降低。两种骨料粒径不同的沥青混凝土，静三轴试验参数虽存在差异，但都能满足规范要求。