不同结合面温度心墙沥青混凝土力学性能的现场试验研究

2020-12-14唐婉秋王中良翁昌国岳峰林

水利技术监督 2020年6期

唐婉秋，王中良，翁昌国，岳峰林

(四川省红鱼洞水库建设管理局，四川巴中 636600)

沥青混凝土心墙坝因其具有良好的防渗、变性协调和抗震性能，在水利工程中得到广泛应用[1- 4]。热拌心墙沥青混凝土是一种典型的温度敏感材料，其施工温度一般均在常温环境下进行，但面临来年度汛要求时，可能会存在冬季施工的问题，加上施工机械、拌和设备等故障，都可能造成在摊铺上层沥青混凝土时下层沥青混凝土温度过低，不能满足规范要求的70℃的条件[5- 7]。杨乐天等[8]研究了不同终碾温度对沥青混凝土密实程度的影响，提出终碾温度不得低于100 ℃。朱西超[9- 10]对不同结合面温度心墙沥青混凝土的力学性能开展了室内试验研究，提出下层沥青混凝土温度降低至30℃时，沥青混凝土各项力学性能下降不明显。何建新、余林等[11- 12]对结合层面的碾压施工工艺开展了相关研究，当结合面温度较低时采用高温热骨料加热的方法能够取得理想效果。针对沥青结合面温度过低的问题，已有研究多采用室内试验研究的方法，室内试验多为小样试验，试验条件易于控制，试验精度易于把握，但对工程实践而言，现场试验的结果对指导施工更具有说服力和指导意义。因此，本文开展了不同结合面温度心墙沥青混凝土力学性能的现场试验研究，旨在为寒冷环境条件下心墙沥青混凝土的施工提供技术指导和理论支撑。

1 试验方案

1.1 试验方案

现场试验确定了4种不同结合面温度(20、30、40、110℃)，沥青混合料摊铺碾压完成后，待下层沥青混凝土温度降至相应温度后，首先摊铺上层沥青混凝土，上层热料温度控制在160℃左右，摊铺厚度约为30cm，然后进行碾压，在沥青混凝土结合面以下20mm处埋设温度传感器，监测下层沥青混凝土的温度变化。最后钻取芯样，对沥青混凝土开展相关力学性能试验。

1.2 试验方法

试验方法参照公路工程沥青混合料试验规程[13]和水工沥青混凝土试验规程[14]中要求的试验方法进行。

抗剪断试验：间隔50cm钻取芯样，对钻取芯样结合面进行标注，将试样切割成Φ100mm×200mm的标准圆柱体试件，使结合面位置处在正中间，将试件置于10℃环境条件下8h，然后进行试验。试验时保持30kPa的恒定正压力，剪切速率控制为0.01mm/s，每隔20s记录剪应力和剪切位移，试验过程中，剪应力出现明显下降时，即停止试验。每组试验制备3个试件，试验结果为3次试验结果的平均值。

拉伸试验：将沥青混凝土芯样加工成尺寸为220mm×40mm×40mm的标准试件，将试件置于10℃环境条件下3h，然后将试件安装在自动控温万能试验机上，进行试验。试验采用的应变速率为2.2mm/min。每组试验制备3个试件，试验结果为3次试验结果的平均值。

小梁弯曲试验：将沥青混凝土芯样加工成尺寸为250mm×40mm×35mm的标准试件，将试件置于10℃环境条件下3h，然后将试件安装在自动控温万能试验机上，进行试验。每组试验制备3个试件，试验结果为3次试验结果的平均值。

2 结果与分析

2.1 结合面温度变化规律

下层料不同温度条件下，摊铺上层热料后的温度变化曲线如图1所示，当摊铺上层热料后，下层料温度均有明显的升高趋势。由曲线变化规律可以看出，在0～60min时间段内，下层料的温度变化存在一个明显的上升过程。在180min左右时，下层料温度变化基本趋于平稳。

图1 下层料不同温度条件下结合面温度变化规律

当下层料温度为20℃时，摊铺上层热料后，温度上升至67.6℃，基本接近70℃。30℃条件下，摊铺上层热料后，下层料温度升高至70.1℃。当下层料温度为40℃时，摊铺上层热料后30min左右下层料温度即达到70℃的要求，180min后，下层料温度升高至84.5℃。结合施工规范中提出的70℃的要求，若规范中考虑了上层热料摊铺后对下层料温度上升的影响，则上述温度变化规律不与规范中的要求存在交叉；若规范中70 ℃是单纯要求在摊铺上层沥青混凝土后碾压时温度，则上述温度条件摊铺上层160 ℃左右的热料后，下层料温度基本能满足规范的要求。

2.2 抗剪结果与分析

不同温度条件下抗剪试验结果见表1，其强度变化规律曲线如图2所示。由密度及强度试验结果可以看出，当结合面温度逐渐升高时，试件密度不断增大，结合面温度越高，沥青混凝土越容易碾压密实。试件抗剪强度随结合面温度升高呈现不断上升趋势，试验结果以结合面温度为110℃时为参考标准。其中结合面温度为20、30、40℃的沥青混凝土试件的抗剪断强度，较110℃而言，分别下降了27%、12%、6%。由于施工规范[7]及设计规范[15]中没有明确的抗剪强度要求，因此，本文中确定以结合面温度110℃条件下试件强度的90%作为为判定不同温度下试件结合面强度是否满足要求的标准。从试验结果可以看出，当结合面温度为20℃的试件抗剪断强度明显不满足，结合面温度为30℃的试件基本满足；由于下层结合面温度过低，且在摊铺时没有对下层料进行加热，过大的温差使得上层料温度散失过快，碾压过程下层结合面温度不能快速升高，下层料温度较低，碾压过程中上层沥青混凝土热料难以进入到下层料中，导致结合面不密实，出现薄弱层，结合面的抗剪强度较低。

表1 不同结合面温度下剪切试验结果

图2 抗剪强度随温度变化曲线

2.3 拉伸结果与分析

不同结合面温度下拉伸试验结果见表2，拉伸强度变化规律如图3所示。可以看出拉伸试件的密度随着结合面温度的下降而降低，不同结合面温度拉伸试件的抗拉强度以及最大抗拉强度对应的拉应变也随结合面温度的降低在降低，结合面温度为20、30、40℃试件的抗拉强度，较母材试验值而言，满足母材性能的74%、90%、100%。结合面温度为20℃的拉伸试件不满足母材性能90%的要求，说明结合面温度为20℃的结合区结合不够好。结合面温度为30和40℃的试件都满足母材性能90%的要求，说明结合面温度为30℃以上的试件结合良好。结合面温度越高，试件结合的越好，在进行抗拉试验时，试件的抗拉强度就会越大。表明结合面温度对试件的抗拉强度影响比较明显。

表2 不同结合面温度下拉伸试验结果

图3 拉伸强度随温度变化曲线

2.4 小梁弯曲结果与分析

不同结合面温度下小梁弯曲试验结果见表3，小梁弯曲强度变化规律如图4所示。可以看出，小梁弯曲试件的密度和抗弯强度，都在随着结合面的温度降低而降低。以结合面温度为110℃的抗弯强度值作为母材参考，结合面温度为20，30、40℃成型试件的抗弯强度，它们与母材相比分别下降了10%、2%、1%。结合面温度为20、30、40℃试件的最大弯拉应变，与母材相比分别下降了33%、9.3%、1%，虽然结合面温度为20℃的小梁弯曲试件，抗弯强度相较母材只下降了10%，但是最大弯拉应变却下降了33%，结果说明，当结合面温度过低时，沥青混凝土的抗弯曲性能会受到很大的影响。