不同取芯温度对心墙沥青混凝土性能影响分析

王中良，唐婉秋，谢自然，岳 杰，杨 坤

(四川省红鱼洞水库建设管理局，四川 巴中 636600)

沥青混凝土心墙坝具有抗渗性好、适应变形能力强、抗冲刷、耐老化等优点[1- 4]，已成为当地材料坝的首选坝型。然而，复杂气候条件给沥青混凝土心墙坝的施工带来了诸多难题[5- 6]。如四川地区夏季平均气温在30℃左右，最高温度高达40℃，在心墙填筑过程中，规范[6- 8]要求心墙填筑上升每8～12m需取芯一次，心墙温度一般要降至一定温度后才能进行钻芯。沥青混凝土终碾温度一般在110℃以上，心墙温度较高，心墙两侧被过渡料包裹，外露面面积小，加之环境温度高，温度降低缓慢。这导致沥青混凝土心墙碾压完成后，达到取芯样的条件需停工3～4d时间，造成人工及机械的浪费。为保证复杂气候条件沥青混凝土心墙施工进度和施工质量，国内学者进行了较多的研究工作。针对冶勒水电站大坝特殊的建设条件，张应波、何仲辉提出了一套管理、检测及质量控制措施[9- 11]。朱西超、王怀义等研究了沥青混凝土碾压结合面的力学性能[12- 14]，万连宾、何建新、陈宇等研究了提高沥青混凝土碾压结合面质量的施工工艺及温度对沥青混凝土力学性能的影响[15- 17]。本研究将结合某工程现场碾压试验段，观测沥青混凝土碾压后温度变化过程，在满足取样条件后的几个温度下钻取芯样，室内对各芯样进行物理、力学性能检测，分析取样温度对沥青混凝土性能的影响。在保证芯样质量的前提下，确定适宜的取样温度，为加快施工进度提供可行性参考。

1 材料及方法

试验研究选择在碾压试验段上进行，沥青混合料入仓温度为160℃，初碾温度为145℃，终碾温度为110℃。碾压结束后，待心墙温度降低至一定温度后方可进行取芯。现场取样时发现，取芯温度在60℃及以上时，沥青混凝土芯样很难取出，取出时大多也已产生断裂和变形，失去试验条件，故本次试验研究取芯温度分别设定为50、40、30、20℃，取芯时环境温度为6～10℃。对不同取芯温度的试样分别进行如下试验。

理论最大相对密度试验：将沥青混凝土芯样上层整根取出，每种取芯温度下取3根芯样，从中间部位分隔开，分为上部和下部。试验按照DL/T 5362—2006《水工沥青混凝土试验规程》方法进行试验[18]。

沥青混凝土单轴压缩试验：将制备好的试件分别放在相应温度下恒温4h以上，使试件内部温度达到要求，然后进行单轴压缩试验。在10t自动控温万能材料试验机(UTM- 5105)上进行，试验采用的加载速率为1mm/min。试验温度分别设定为5、16.5、25℃，16.5℃为工程区多年平均气温。

沥青混凝土小梁弯曲试验：将现场圆柱形沥青混凝土试件切割成标准小梁弯曲试件，测定试件密度及孔隙率，小梁弯曲试验在沥青混凝土综合试验机上进行，利用位移及荷重传感器采集试验数据，试验加载速率为1.67mm/min，试验温度选择16.5℃。

2 结果及分析

2.1 理论最大相对密度结果及分析

分别对不同取芯温度下的芯样进行理论最大相对密度试验，结果见表1。

表1 不同取芯温度下沥青混凝土的理论最大相对密度结果 单位：g/cm3

表1可以看出，沥青混凝土的上部的理论最大相对密度小于下部，上部的理论最大相对密度的平均值约为2.436g/cm3，下部的理论最大相对密度平均值为2.445g/cm3。

表2可以看出，随着取芯温度的升高，芯样的密度逐渐减小，孔隙率不断增加，取芯温度20℃时孔隙率为1.6%，取芯温度为50℃时，孔隙率增大到2.1%。说明相同质量的空气在不同温度的沥青混凝土中形成的气泡体积是不一样的，温度高的芯样沥青混凝土中气泡体积较大，而沥青混凝土中其他物质因温度不同而产生的体积变化较小，这就导致不同温度下取得的沥青混凝土芯样出现了上述现象。各取芯温度下，沥青混凝土的上部密度均小于下部的密度，在理论最大相对密度的测试中也出现了同样的规律，从孔隙率来看，上下部的孔隙率差异性不大。

心墙施工过程中，由于摊铺温度及碾压温度较高，沥青混凝土中沥青胶浆将更加具有流动性，在振动碾作用下，易造成骨料与沥青胶浆的离析，导致大骨料下沉，引起沥青混凝土的下部密度大于上部；在取芯样进行检测时，为保证芯样的顺利取出，需连续晃动已钻动的芯样，保证底部完全脱离，上下部位受到的扰动程度不同，会出现的不同程度损伤，且温度越高，损伤程度加大。

2.2 单轴压缩试验结果及分析

单轴压缩试验用于测定沥青混凝土的轴向抗压强度、应变和变形模量，是反映沥青混凝土强度最直接的指标。当试验温度为5、16.5、25℃条件时，单轴压缩试验结果如图1—3所示。

图1 单轴压缩试验结果(5℃)

表2 不同取芯温度下芯样密度及孔隙率

图2 单轴压缩试验结果(16.5℃)

图3 单轴压缩试验结果(25℃)

图1可以看出，试验温度为5℃时，不同取芯温度的抗压强度变化较为明显，随着取芯温度的升高，抗压强度呈现出逐渐下降的趋势，取芯温度为50℃时上部试件的抗压强度较20℃时减小约20.8%，下部相比减小17.5%。沥青混凝土是典型的温度敏感型材料，当温度较高时(高于沥青的软化点)，沥青混凝土仍处于流塑状态，外力作用对沥青混凝土的结构和强度的形成产生较大影响。因此，随着取样温度的提高，沥青混凝土的抗压强度逐渐降低。还可以看出，下部沥青混凝土强度均高于上部，主要是下部沥青混凝土试件中粗骨料含量较上部高，相比细骨料和填料而言，粗骨料的骨架作用更强，对强度的提高作用也更明显。

在试验温度16.5℃时，不同取芯温度的抗压强度变化较小。沥青混凝土芯样下部抗压强度基本保持不变，沥青混凝土芯样上部从取芯温度20℃至取芯温度40℃基本不变，但取芯温度到50℃时，上部抗压强度降低较为明显，温度为50℃时，已明显高于沥青的软化点的温度，在该温度条件下，沥青混凝土处于流塑状态，无法形成有效的强度，因此，取芯温度为50℃时，沥青混凝土抗压强度会出现较大程度的减小。

当单轴压缩试验温度为25℃时，不同取芯温度的抗压强度基本保持稳定，说明在25℃的试验温度下，不同取芯温度对沥青混凝土抗压强度影响很小。试验温度较高时，取芯温度对沥青混凝土结构等造成的影响已经不显著了。同时，沥青混凝土自身的强度也偏低，变形能力较强。

图4试验汇总曲线来看，无论试验温度是多少，均表现出沥青混凝土芯样上部的抗压强度大于下部；试验温度越低，试件抗压强度越高；试验温度越低，不同取芯温度的抗压强度差别表现越明显，在试验温度为25℃时，抗压强度几乎不随取芯温度的变化而变化。从不同取芯温度和不同试验温度的单轴压缩试验结果来看，对于取芯温度为50℃的芯样，单轴抗压强度相对较低，取芯温度为20、30、40℃的单轴抗压强度随取芯温度的增加影响不大。

图4 试验汇总曲线

不同取芯温度、试验温度的单轴压缩试验应力～应变曲线如图5—7所示。

沥青混凝土为温度敏感性材料，其力学性能基本满足黏弹性材料的特性。从图5—6可以看出，应变在2%以内，应力～应变曲线基本都呈线性关系，材料处于线弹性状态；随着试验温度的升高，变形模量逐渐减小。应变在2%～4%时，应力～应变曲线出现明显弯曲，切线模量逐渐减小，材料进入黏弹性状态。应变大于4%时，随着应变的增加应力基本保持不变，材料进入黏塑性状态。从图7可以看出，由于试验温度较高，上述3个阶段界限不明显，随着应变的增大应力呈曲线变化，材料均表现为粘弹性状态。

从图5可以看出，随着取芯温度的增加，在相同的应变时，芯样上部和下部均出现应力明显降低的规律，应力～应变曲线差异较大。从图7可以看出，随着取芯温度的增加，在相同的应变时，芯样上部和下部的应力下降不明显，应力～应变曲线差异不大，随着试验温度的增加，减小了取芯温度对应力～应变的影响。

图5 试验温度5℃时不同取芯温度的单轴压缩应力～应变曲线

图6 试验温度16.5℃时不同取芯温度的单轴压缩应力～应变曲线

图7 试验温度25℃时不同取芯温度的单轴压缩应力～应变曲线

2.3 小梁弯曲试验结果及分析

不同温度条件下小梁弯曲试验结果见表3，抗弯强度、最大弯拉应变平均值变化规律如图8所示。

图8 不同取芯温度条件下芯样抗弯强度、最大弯拉应变变化曲线

图8可以看出，不同取芯温度条件下的抗弯强度均满足规范中大于400kPa、最大弯拉应变大于1%的要求。随着取芯温度的升高，试件抗弯强度逐渐降低，弯拉应变逐渐增大，当取芯温度由40℃升高为50℃时，抗弯强度减小幅度较大，拉伸应变增长趋势也较明显，当取芯温度为50℃时，对沥青混凝土性能的影响较为显著。

表3 不同取芯温度下芯样的小梁弯曲试验结果

3 结语

本文结合某工程，对不同温度沥青混凝土钻芯取样，分别进行了理论最大相对密度、密度、孔隙率、单轴压缩、小梁弯曲试验，主要得到以下结论：

(1)心墙沥青混凝土在碾压过程中产生了一定程度离析，同一层沥青混凝土中出现上部沥青混凝土密度和理论最大密度都小于下部的现象；不同温度条件下所取芯样的密度和孔隙率均有差异。

(2)取芯温度为20、30、40℃时，芯样的单轴抗压强度与弯曲强度与芯温度不敏感，取芯温度为50℃时，单轴抗压强度、弯曲强度下降较多。单轴抗压强度与弯曲强度的差异随着试验温度的升高逐渐减小。

建议在心墙沥青混凝土内部温度低于40℃以后(应低于沥青的软化点)，再进行取芯为宜，此时可减小取芯过程对芯样的损伤，保证芯样质量，避免取芯温度过高对芯样检测结果的影响。