温度场作用下水工沥青混凝土的力学稳定性研究

王静雯

(江西省南昌县联圩河道堤防中心，江西 南昌 330200)

水工沥青混凝土因其优越的变形能力和防渗性能，在土石坝建造方面得到广泛应用[1]。目前,世界上已有130余座沥青混凝土心墙防渗的土石坝，而沥青混凝土用于土石坝防渗面板时，沥青混凝土的动力性能受温度影响显著[2]。温度的变化造成沥青砂浆力学特性下降，并导致沥青混凝土内部结构变化，一旦受到外部动荷载作用，混凝土内部应力分布和裂缝会发生变化，极易引起内部应力和裂缝扩展[3-4]。目前，国内外学者对水工混凝土力学特性进行了大量研究。Breth H等首次进行直剪环实验指出，循环荷载对沥青混凝土性能影响较小[5]；FEIZI-KHANKANDI等进行了振动台实验模型研究指出，随着温度升高，沥青混凝土吸水能力增强，剪切能力降低[6]；陈宇等研究了水工沥青混凝土在0～20 ℃下的应力-应变全曲线特征，指出沥青混凝土在0 ℃时表现出明显的应力软化现象，且随着温度上升，应力软化转为应力硬化[7]；田小革等指出温度对沥青混凝土的破坏模式和临界应力有显著影响作用等[8]。

上述相关研究更多的是基于特定温度条件下的研究，而水工混凝土不同温度场下的破坏形式和综合力学性能研究较少，基于此，本文在0～20 ℃场下分析了水工沥青混凝土应力-应变全曲线特征，并给出不同温度下的应力-应变本构模型，为后续提升水工沥青混凝土的力学性能提供技术参数。

1 材料与方法

1.1 试样配合比

试验用水工沥青混凝土取自某水库工程铺筑段的现场芯样，沥青混凝土骨料级配采用推导公式(1)计算：

(1)

式中：Pi为粒径di通过率，%；P0.074为di=0.074 mm 时的通过率，%；Dmax为沥青混凝土中最大粒径，mm；n为级配指数，取n=0.4。根据式(1)得到沥青混凝土骨料级配见表1所示。

表1 沥青混合料骨料级配

1.2 试样制备

将现场芯样两端打磨整平，切割成φ100mm×H100mm试件，为避免试件在温度、重力场下发生变形，将切片试样置于15 ℃光滑瓷砖上存放，并覆盖遮光塑料薄膜。采用SY250-2.5型三轴压缩试验机，通过配置的LSY型沥青高低温环境箱进行沥青混凝土动态三轴试验，由数据采集系统获取试件的应力和应变参数。

1.3 试验方案

针对水工沥青混凝土处于高寒地区和地震动作用下的应力应变状况，分别进行三轴围压试验和三轴蠕变试验。根据三轴试验要求，设定试验围压σ3分别为0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa，在温度为0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃ 时进行三轴试验，根据沥青混凝土试件三轴试验方法，设置剪切速度为0.048 mm/min。

在三轴蠕变试验中，设置温度场5 ℃、10 ℃、15 ℃，试件三种不同的受力条件：(1)σ3=0.15 MPa,σ1=0.5 MPa。(2)σ3=0.3 MPa,σ1=1.0 MPa。(3)σ3=0 MPa,σ1=1.0 MPa，加载时间均为1000 min。试验过程中，将试件置于恒温箱内24 h，然后,按照设定应变速率施加变载荷，直到试件破坏。

2 结果和分析

2.1 材料应力-应变关系

图1是围压σ3=0.3 MPa时，沥青混凝土在不同温度下的应力-应变曲线。可以看出，随着温度场的下降，应力-应变曲线弹性端更加陡峭，破坏应力不断增加。当温度场为0 ℃时，试件应力-应变曲线上的应变较小位置出现显著的峰值点，随着应变的增加，应力值急剧下降，试件表现出显著脆性破坏。当温度上升到0 ℃以上时，随着应变的增加，沥青混凝土偏应力不断上升，曲线呈现出应力硬化趋势，并未出现显著峰值点。这主要是由于沥青在0 ℃以下时表现为弹脆性，而温度上升到0 ℃以上后，沥青混凝土表现为黏弹性。

图1 不同温度的应力-应变曲线

根据温度场在0 ℃时的应力-应变曲线形态与沥青混凝土典型应力-应变关系曲线(如图2),可以看出，曲线整体表现出典型的阶段性，即沥青混凝土应力-应变曲线划分为初始压缩(OA段)、线弹性(AB段)、强度硬化(BC段)和应力衰减(CD段)4个典型阶段[9-10]。OA段为初始压缩段，曲线向上形成凹形，弹性模量不断增大，表现出压缩特性。该阶段试件内部的微空隙和初始裂缝等在压缩荷载和沥青黏结力作用下发生闭合，强度非线性增加，同时，在荷载作用下沥青砂浆的黏弹性发生压缩硬化，弹性模量增加。AB段为线性变化段，其中A点时，试件内部微孔隙已经完全闭合，进入弹性阶段，到B点时,试件达到弹性极限。BC段为非线性强化阶段，试件内部形成微裂纹，随着应力缓慢增加，微裂纹不断扩张，试件弹性模量逐渐减小，出现黏塑性变形。CD段为应力衰减段，试件在荷载作用下，微裂纹快速扩展，裂纹相互连接形成裂缝带，材料承载力下降。

图2 沥青混凝土典型应力-应变关系

2.2 温度对材料破坏偏应力的影响

由应力-应变曲线分析可知，沥青混凝土在0 ℃时存在峰值点。根据三轴试验要求，曲线峰值点即试件破坏偏应力σ(1-3)f，温度高于0 ℃时的曲线并不存在显著峰值点，选择应变ε=10%对应的应力值作为试件破坏偏应力。

图3为沥青混凝土在不同围压下温度场与σ(1-3)f破坏偏应力关系曲线。在温度场0～10 ℃段，随着温度的升高，沥青混凝土破坏偏应力大幅下降，温度场10～20 ℃段，曲线增幅趋于缓和，10 ℃为曲线单调减小和非线性减小分界点，这是由于0 ℃时，沥青力学性质较偏脆性，试件的破坏偏应力较大，随着温度升高，试件力学性能向黏弹性转变，破坏偏应力下降，在该温度范围内试件的力学性能趋于稳定。

图3 不同温度作用下破坏偏应力

2.3 温度对沥青混凝土蠕变的影响

图4为沥青混凝土试件蠕变与温度关系曲线，随着温度的升高，压力比越大(轴向压力与侧向压力比值)，沥青混凝土的蠕变不断增大，当σ1=1.0 MPa、σ3=0 MPa时的蠕变达到最大值。其中温度场在10～15 ℃区间的蠕变-温度曲线斜率大于温度场5～10 ℃区间，表明蠕变增加幅度明显大于温度增大幅度，这与沥青在较高温度下黏弹性有关。

图4 不同温度下的沥青混凝土蠕变曲线

3 沥青混凝土的温度场模型

3.1 温度场的应力-应变本构关系

根据不同温度下的沥青混凝土温度应力-应变曲线形态可以看出，沥青混凝土的应力大小和应变均与温度场有密切关系，在5～15 ℃温度区间曲线的变化规律相似，表现为典型的双曲线模型。但各温度场下的偏应力不同，造成各温度场下双曲线关系式存在差异[11]。要建立合理的应力-应变模型来预测不同温度场下的应力应变特征，需要引入相应的温度系数。基于此，本文根据沥青混凝土应力应变曲线，根据分段法建立不同温度场的应力预测模型[12]。考虑到0 ℃时试件呈脆性破坏状态，应力-应变曲线不符合双曲线模型，根据相关研究，引入硬化参量以选取塑性功和弹簧模量对应的应力软化部分来建立本构模型，如式(2)：

(2)

式中：a(t)和b(t)为初始切线模量Ei的应力差渐近值倒数的温度场函数；εa为材料的轴应变，%。

当试件达到峰值应力后，沥青混凝土应力应变曲线表现为应变硬化和应变软化两类[13]。其中的应力硬化视为衰减开始阶段，到达峰值后的应力应变曲线采用递减型logistic函数描述，应变软化型曲线包括衰减开始、快速衰减和衰减减速阶段，满足logistic曲线变化特征[14]，因此，获得沥青混凝土峰值应力后模型方程(3)为：

(3)

式中：σ为沥青混凝土应力，MPa；σp k为峰值应力，MPa；ε和εp k分别为沥青混凝土应变和峰值应变。

3.2 模型验证

由式(2)和式(3)对0～15 ℃的材料应力应变曲线拟合，获得不同温度下预测模型的拟合曲线见图5，表2给出了不同温度下的预测模型拟合参数。可以看出，拟合曲线与实验曲线吻合度较高，其中温度较高时，峰值应力前的拟合曲线偏差较大，这主要是由于该阶段的沥青混凝土存在一定黏塑性，造成应力应变曲线中存在部分压密段和非线性强化段。由于模型是基于钢纤维混凝土构建的，材料刚度较大，导致峰值应力前曲线模型在低温场适应性更高。

图5 应力-应变拟合曲线

表2 沥青混凝土应力应变模型拟合参数

4 结 论

(1)沥青混凝土在0 ℃时表现出明显应力软化现象，出现脆性破坏。在0 ℃时，材料表现为脆性破坏，材料破坏偏应力较大，随着温度上升，材料表现为黏弹性，破坏偏应力下降，温度在10 ℃以上时材料蠕变增幅较大。

(2)根据沥青混凝土应力应变曲线，引入硬化参量建立温度场条件的本构模型，采用递减型logistic函数描述不同温度场应力应变曲线。通过实例验证，模型函数与实测值拟合效果较好，能准确反应不同温度的沥青混凝土应力-应变关系。