水工沥青混凝土劈裂特性影响因素分析

张 扬

(莆田市生态水系建设投资管理有限公司,福建 莆田 351106)

具有低防渗性、变形适应性强和耐久性好的沥青混凝土被广泛应用于常年多雨、高寒区或缺乏黏土等地区的土石心墙坝工程[1]，如挪威128 m的Storglomvatn坝、四川冶勒坝与去学坝等工程。作为水工结构中最重要的防渗体，沥青混凝土材料特性成为沥青混凝土心墙坝领域的重要课题[2]，其中配合比设计与分析是研究其物理力学性质的重要途径。骨料级配指数r、填料用量G及沥青含量B是配合比设计的关键因素[3]，闫小虎等[4]采用控制变量法探究了r、B及G对孔隙率、稳定度及流值的影响，慈军[5]指出G用量直接影响沥青混凝土稳定度及流值，r值对稳定性存在影响；现有规范[6]对心墙沥青混凝土给出了孔隙率、渗透系数等控制标准，并指出应根据工程实际要求提出有关变形与力学指标[7]。当前筑坝技术持续发展，沥青混凝土心墙坝已有向数百米级发展的趋势[8]，这进一步促进沥青混凝土工程性质的研究。

沥青混凝土在组构上属于空间网状多相分散体系，其内部孔隙较小且处于封闭状态，无孔隙水应力作用，通常认为沥青混凝土心墙不存在水力劈裂问题[9]，但已有局部裂缝在水力作用下仍存在扩展可能性[10]。朱晟等[11]指出骨料级配影响沥青混凝土剪胀性与孔隙率，拉应力作用下局部微小裂纹诱导心墙发生水力劈裂；曹岩等[12]通过模型试验得到了剪胀作用下拉应力对沥青混凝土心墙开裂影响规律；余梁蜀等[13]指出配合比参数对沥青混凝土孔隙率、劈裂强度及劈裂位移影响均很大，但尚未量化讨论影响程度。沥青混凝土配合比对其工程特性影响规律仍在持续分析研究阶段。因此，依据正交试验设计理论，设定3因素4水平试验，采用极差与方差分析法探究因素r、G与B对劈裂强度及劈裂位移的影响，得到配合比参数最优组合；将配合比参数空间化，分析沥青混凝土劈裂特性分布规律，为其工程应用提供依据。

1 正交试验设计

1.1 试验材料

试验所用沥青为新疆克拉玛依70号(A级)沥青，密度为0.989 g/cm3，针入度为69.8(单位为0.1 mm)，软化点为47.6℃，延度大于176 cm(环境温度为15 ℃)；所用填料为碱性矿粉，密度为2.69 g/cm3，含水率为0.08%，亲水系数为0.88；粗细骨料均为灰岩破碎筛分颗粒，表观密度为2.74 g/cm3，吸水率为0.43%，压碎率为7.56%，耐久性为0.436%，与所用沥青黏附性等级为5级；其中，粗骨料粒径范围2.35～19.00 mm，细骨料为0.075～2.350 mm，详细粒径级配曲线见图1(图中Pi为小于某一粒径di颗粒质量的百分比)。

图1 骨料粒径级配曲线

采用自动数据采集系统的马歇尔试验仪进行沥青混凝土的劈裂试验，测定不同配合比下试样劈裂强度σt和劈裂位移s变化规律；采用应变控制施加荷载，加荷速率为1.0 mm/min，环境温度为17.7 ℃；试样尺寸为直径100±1.0 mm、高63.5±0.5 mm的圆柱体。

1.2 方案设计

根据已有成果[3-5]，用式(1)确定配合比参数r值。根据已有经验，心墙所用沥青混凝土骨料最大粒径设定为19 mm，设定配合比参数均为4种水平，即r值为0.36、0.38、0.40及0.42，G值为10%、12%、14%及16%，B为6.0%、6.4%、6.8%及7.2%。

(1)

式中G——填料用量，即d< 0.075 mm颗粒质量与骨料总质量的百分比。

正交试验设计理论是基于数理统计与概率论为基础的试验优化设计方法，采用较少试验组来反映全面试验所探寻内在规律，通常采用正交表进行影响因素试验方案设计。根据分析，选用3因素4水平16组的L16(43)正交表，正交试验见表1。

表1 正交试验

2 试验结果分析

2.1 试验结果

整理试验结果，得到16组不同配合参数时沥青混凝土σt和s试验结果，见表2。根据正交试验设计理论，采用极差法进行因素影响分析，以确定不同因素间最佳水平组合。

表2 正交试验结果

2.2 劈裂强度分析

(2)

Rj=[max(Kij)-min(Kij)]/kij

(3)

(4)

2.2.1极差分析法

整理表1、2，得到沥青混凝土影响指标σt下配合比参数间的Rj值，见表3。从表3可知，r、G与B的Rj依次是0.067 2、0.032 5与0.030 5；其中，r的Rj显著大于G及B，则说明r对σt的影响显著大于G与B，且后两者对σt的影响相差不大；依据因素间的极差意义，则配合比参数中对沥青混凝土劈裂强度影响次序为级配指数>填料用量>沥青含量。

表3 试样σt的Rj值

沥青混凝土劈裂强度随级配指数增加而增大，随填料用量与沥青用量增加呈先增大后减小。为尽可能增大沥青混凝土劈裂强度，工程实际使用时可参考级配指数0.42、填料用量12%及沥青用量6.8%的配合比参数。

2.2.2方差分析法

表4 试样σt的方差分析

2.3 劈裂位移分析

2.3.1极差分析法

整理试验数据，得到指标s下不同配合比参数间的Rj值，见表5。从表5可知，r、G与B的Rj依次是0.401 0、0.599 3与11.072 3；其中，B的Rj显著大于r与G，则说明B对s的影响显著大于r与G，且G对指标s影响稍大于r；这表明配合比参数对劈裂位移影响次序为沥青含量>填料用量>级配指数，与劈裂强度的次序相反。

表5 指标s的Rj值

沥青混凝土劈裂位移随级配指数增加呈波动变化，在r=0.36时取极小值；随填料用量增加呈先增大后减小变化，在G=12%处取极大值；随沥青用量增加呈先增大变化。从尽可能降低沥青混凝土劈裂位移角度，工程实际使用时可参考级配指数0.36、填料用量16%及沥青用量6.0%的配合比参数。

2.3.2方差分析法

表6 指标s的方差分析

3 讨论

3.1 强度与模量

整理试验数据，沥青混凝土劈裂强度随应变呈先增大后减小变化趋势，抗拉模量随应变增大而线性降低变化规律，见图2。常温环境中沥青混凝土受到劈裂荷载作用时，在压应力转为引起试样破坏拉应力过程[14]，骨料间摩擦、咬合及镶嵌结构仍能抵抗外部荷载作用；从强度指标角度而言，骨料级配指数对沥青混凝土劈裂强度影响显著大于填料用量与沥青含量(表3)。另一方面，沥青混凝土需适应坝体心墙与两侧过渡层差异协调变形，可选择适当增加填料用量或沥青含量[15]；从刚度角度而言，沥青含量对沥青混凝土劈裂位移影响程度显著大于其余配合比参数(表5)。因此，对于可能存在水力劈裂的工程部位选择沥青混凝土作为防渗体时宜充分考虑其所处应力状态而择优选择适宜的配合比。

图2 劈裂强度与抗拉模量-应变分布

3.2 配合比参数分布

以沥青混凝土配合比3个参数作为空间坐标系，用球体大小及颜色表征分析指标的数值大小，见图3。由图3a可知，球体在r轴正向上大体呈偏向由小及大、颜色为由红至蓝的分布，这表明骨料级配指数对劈裂强度影响较为明显；在图3b中，球体在B轴反向上大体呈偏向由小及大、颜色为由红至蓝的分布，即沥青劈裂位移对沥青用量的变化较为敏感。这与极差和方差的分析结果相一致。

a)劈裂强度

4 结论

a)极差分析法表明沥青混凝土劈裂强度随级配指数增加而增大，随填料用量与沥青用量增加呈先增大后减小；配合比参数对劈裂强度影响次序为：级配指数>填料用量>沥青含量。

b)方差分析法表明沥青混凝土劈裂位移随级配指数增加呈波动变化，随填料用量增加呈先增大后减小变化，随沥青用量增加呈先增大变化；配合比参数对劈裂位移影响程度次序为：沥青含量>填料用量>级配指数。

c)从强度而言，沥青混凝土劈裂强度优先考虑级配指数取值；从刚度角度，沥青混凝土劈裂强度优先考虑沥青含量取值。在可能存在水力劈裂的工程部位选择沥青混凝土作为防渗体时宜充分考虑其所处应力状态而择优选择适应的配合比。