温度因素对心墙沥青混凝土三轴力学性能的影响

陈 晨,焦 凯,温立峰

(1. 中国水利水电第三工程局有限公司,西安 710024;2. 西安理工大学,西安 710048)

0 前 言

沥青混凝土是一种由沥青、级配砂石和矿质填料组成的多相复合材料,在工程中的应用最早可以追溯到5000年前[1-2]。20世纪50年代,国外开始将沥青混凝土作为心墙防渗应用于土石坝中,由于良好的防渗性、柔性以及自愈能力[3-4],沥青混凝土心墙坝已是一种具有较强竞争性的坝型。

沥青是一种温敏性较高的材料,因此沥青混凝土的力学特性不仅受组成材料的影响,亦受环境温度的影响。而温度变化幅度大的地区,沥青混凝土的力学性能控制受到工程界的关注。Zuk[5]最早提出气温影响混凝土结构温度分布曲线,NAKAMURA Y等[6]研究了温度和应变速率对沥青混凝土动拉应变的影响。陈宇等[7]研究了0～20℃温度范围内的沥青混凝土力学特性,温度越高,最大偏应力越小;试件的抗剪强度随温度的升高逐渐降低;试件的蠕变随温度的升高而增大。薛星等人[8]采用宏观试验和细观离散元模拟相结合的方法,研究分析了温度以及沥青混凝土动态抗压力学特性的影响,分析了在不同温度条件下沥青混凝土破坏过程中的内部裂纹和能量演化规律,建立了宏细观力学特性的联系。宁致远[9-11]等人对不同温度和不同应变速率下沥青混凝土的动态抗压特性的研究表明,水工沥青混凝土的破坏偏应力和弹性模量随温度的升高而降低。而当温度恒定时,水工沥青混凝土的吸能能力、弹性模量、破坏偏应力随应变速率增大而增大。此外,综合考虑温度和应变速率的共同作用引入破坏偏应力动态增强因子(DIF)以及破坏偏应力温度影响因子(TIF),建立了沥青混凝土破坏偏应力和弹性模量的计算模型。

现阶段我国大多数沥青混凝土心墙坝都位于温差较大的新疆和西藏等地区。因此,研究温度对沥青混凝土心墙力学性能等影响对其在温差较大的地区应用和发展具有重要意义。目前关于温度对沥青混凝土心墙力学性能的研究集中于单轴压缩试验,而利用三轴试验研究温度对沥青混凝土心墙力学性能影响的报道却很少。

本文针对沥青混凝土的温度敏感性,结合托帕沥青心墙实际工程温度范围,试验温度为5～20℃条件下,开展沥青混凝土静三轴试验,研究温度对沥青混凝土心墙的应力-应变全曲线、破坏偏应力、抗剪强度、弹性模量以及吸能能力的影响。分析不同温度下试件拉压强度比和模强比的变化规律,并分析试件破坏形态随温度的变化。

1 试验概况

1.1 配合比及试件制备

本试验中沥青混凝土试件均取自托帕水库沥青混凝土心墙,取样后切割而成。

对芯样进行抽提试验,沥青混合料配比及骨料级配见表1和图1所示。

图1 骨料级配曲线

表1 配合比参数表

1.2 测试方法

根据本工程所处新疆托帕地区实际环境温度的变化,选取5、10、15、20℃作为试验温度。试验围压为0.3、0.5、0.7、0.9 MPa,加载速率为0.1%/min。试件尺寸为100 mm×200 mm(直径×高)的圆柱形试样。采用自制三轴压缩试验仪器按照规范进行试验,试验装置如图2所示。为了保证试验过程中试件力学性能的稳定,试验前将试件放置在恒温水槽(温度控制值±0.5℃)内24 h保持整个试件温度均匀恒定。按照预先设置的应力速率加载至试件破坏获得相应参数。每组试验取3次测试的平均值作为结果。

图2 三轴试验装置

2 试验结果及分析

2.1 温度对沥青混凝土应力-应变的影响

同一围压,不同温度条件下(5、10、15、20℃)沥青混凝土三轴试验应力-应变和体变-应变关系曲线分别如图3和4所示。

图3 不同温度下沥青混凝土应力-应变曲线

由图3可以看出,温度对试件的峰值应力有显著的影响。在同一围压、不同温度条件下试件应力-应变曲线形态基本相似,都经历了初始压缩、弹性、强度硬化和应力衰减4个阶段[13]。随着温度的升高,应力-应变曲线的弹性段更加平缓,峰值应力逐渐减小,这是因为随着温度的升高沥青混凝土的分子间距增大、分子间结合力减小,沥青与骨料间的胶结约束作用减弱,此时沥青以黏弹性为主[14]。此外,在围压为0.5～0.9 MPa时,5℃的应力-应变曲线虽然有明显峰值点,并且到达峰值后应力有所下降,但应力下降较小试件呈现塑性破坏特征[15]。同理,10～20℃对应的特性曲线,应力-应变曲线没有明显的峰值,在荷载作用下持续变形直至完全破坏,曲线塑性破坏特性越发明显。

由图4可知,在围压的作用下,试件内部的空隙先被压缩,随着应力的不断增大试件内部开始膨胀直到试件的初始体积后,又随着轴向应变的不断增大,试件内部裂纹生长扩展直至试件失稳破坏。此外,在同一围压,随着温度的升高体应变的最大值基本呈现逐渐减小的趋势。当温度为5～15℃时,沥青混凝土试件先压缩再膨胀;温度为20℃时,沥青混凝土试件一直处于压缩的状态。

图4 不同围压下水工沥青混凝土体变-应变曲线

2.2 温度对沥青混凝土破坏偏应力的影响

试验得到的不同温度条件下水工沥青混凝土的破坏偏应力(σ1-σ3)如图5所示。由图5可知,在同一围压下,水工沥青混凝土试件的破坏偏应力随温度升高而降低,但是在不同温度范围内变化是不均匀的。即在5～15℃时,随着温度的升高破坏偏应力大幅下降;而在15～20℃时,破坏偏应力随着温度的变化有所减缓。这是因为随着温度的升高沥青呈现黏弹性,在一定温度范围内其破坏偏应力随温度的变化趋于稳定。

图5 不同温度下水工沥青混凝土的破坏偏应力

2.3 温度对沥青混凝土抗剪强度的影响

由摩尔-库仑理论[16-17]可知,黏聚力c和内摩擦角φ可以用来表征材料的抗剪强度。图6为不同温度条件下水工沥青混凝土的内摩擦角和黏聚力变化曲线。试件的黏聚力随着温度的升高逐渐减小从0.37降到0.16;内摩擦角随温度升高逐渐增大但增幅并不明显。这是因为沥青在低温下呈现脆性,试件受到剪切时沥青能够承担部分剪应力。随着温度的升高,沥青向黏弹性转变直到温度达到沥青的软化点失去抗剪能力。在15～20℃的温度范围内,沥青的物理性质变化不大,具有稳定的抗剪强度。

图6 不同温度下水工沥青混凝土的内摩擦角和黏聚力

摩尔-库伦强度准则[18]:

(1)

式中:σ1为第一主应力,σ3为第三主应力。

常规三轴试验条件下,σ2=σ3=0,可得到

(2)

式中:σc为无侧限抗压强度。

将式(2)带入式(1)可得:

(3)

对式(3)进行拟合,拟合结果分别如图7和表2所示。图8为温度与α关系。从图8可以看出,随着温度的升高,α值呈现先增大后减小的趋势,但变化不明显。拉压强度比(α)是反映材料拉压强度的相对关系的重要参数,当α= 1时,可以认为是拉压强度相等的材料,如金属材料,α=0时,可以认为是没有抗拉强度的脆性材料,如玻璃等脆性材料。沥青混凝土的拉压强度比α在0.32左右。

图7 水工沥青混凝土三轴强度与围压关系

图8 不同温度下水工沥青混凝土的α

表2 不同温度拟合参数

2.4 温度对沥青混凝土弹性模量的影响

弹性模量是表征材料弹性特性的重要指标。选取应力-应变曲线原点到50%峰值应力区间的平均切线斜率作为弹性模量[8]。不同温度条件下沥青混凝土试件的弹性模量变化趋势如图9所示。

图9 不同温度下水工沥青混凝土的弹性模量

从图9可以看出,在同一围压下,随温度的升高,沥青混凝土试件的弹性模量逐渐减小,这是因为温度的升高使得沥青的分子间距增大,沥青基质与骨料之间的胶结作用逐渐减弱,较小的外力即可引起沥青混凝土试件的变形,相应试件的弹性模量也减小。同时,弹性模量的变化趋势在不同的温度阶段有较大区别,在5～10℃温度与弹性模量的关系曲线变化较陡;在10～20℃弹性模量的下降趋势明显变缓,这与沥青基质与骨料之间的胶结作用存在最小值有关。为适应墙体在水平推力作用下的较大变形,防渗墙材料要有较好的变形能力。绘制不同围压下的模强比如图10所示,模强比为 235.0～1 442.9,可见模强比随温度的升高呈现先下降后上升的趋势。

图10 不同温度下水工沥青混凝土的模强比

2.5 温度对沥青混凝土吸能能力的影响

材料变形破坏是指材料与外部环境进行能量吸收、转化和释放,最终在能量驱动下呈现失稳状态。有关沥青混凝土能量特征的报道非常少,宁致远[10]等引入吸能能力这一指标,从能量角度研究沥青混凝土的破坏特征,可以较真实的反映沥青混凝土的破坏规律。计算见式(4):

(4)

式中:S为吸能能力;U为单位体积能量密度,采用应力达到峰值前应力-应变曲线与应变轴所包围的面积来表示,V为体积。

本试验在不同温度条件下水工沥青混凝土试件的吸能能力变化趋势如图11所示。

由图11可以看出,围压恒定时,沥青混凝土试件的吸能能力随着温度的升高逐渐减小。这是与弹性模量随温度的变化规律类似,与沥青骨料之间的胶结作用随温度升高逐渐减弱有关。同时,温度恒定时,沥青混凝土试件的吸能能力随着围压的增大而增大。围压越大,沥青混凝土试件的裂纹扩展速度越快,裂纹区域越大,试件破坏需要更多的能量,对应的吸能能力也就越大[19]。

3 破坏形态

图12为不同温度条件下沥青混凝土试件的典型

图12 不同温度下水工沥青混凝土的破坏模式力

破坏形态。随着温度的增加,试件表面的裂纹增加。尽管试件仍然保持圆柱体形态,但试件的直径变大,试件的高度变低,并且其体积有所减小。这是因为沥青材料的分子间距随温度的升高逐渐增大,沥青与骨料间的胶结约束作用减弱,导致沥青胶浆的强度以及骨料与沥青胶浆界面的黏附力减小。同时由于骨料和沥青胶浆在弹性模量和强度等方面存在巨大差异,使得裂缝多出现在沥青胶浆与骨料的界面层。同时,试件在达到峰值应力后仍具有一定承载和变形能力,试件呈延性破坏与应力应变分析结果一致。

此外,温度一定时,在低围压的条件下,试件表面开始有裂纹出现,并且沿着试件的轴线开裂,呈现出拉伸应变破坏特性。随着围压逐渐增大,试件表面形成多个宏观斜裂纹。此时内部沥青混合料通常已经损坏,破坏表现为剪切破坏[20]。

4 结 论

本文通过研究可知温度是影响沥青混凝土心墙的力学性的关键因素,得到如下结论:

(1) 在围压恒定的条件下,随着温度的升高沥青混凝土心墙的破坏偏应力(峰值应力)、抗剪强度(黏聚力c和内摩擦角φ)以及弹性模量逐渐减小。在5～15℃过程中,沥青混凝土心墙的物理性质由弹性向黏弹性转变;在15～20℃时,沥青混凝土力学特性趋于稳定。沥青混凝土心墙的吸能能力随温度的升高逐渐减小。

(2) 沥青混凝土拉压强度比α在0.32左右。

(3) 围压恒定时,随着温度的升高,沥青混凝土模强比随温度的升高呈现先下降后上升的趋势。