大粒徑骨料對心墻瀝青混凝土抗剪性能影響分析

倫聚斌

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

瀝青混凝土是由粗、細骨料，填料以及瀝青按照一定比例配制而成的多級分散體系，具有良好的柔性和適應變形能力強等特點[1]，在水利工程中得到廣泛的應用。粗骨料在瀝青混凝土中起到骨架的作用，細骨料和填料充分的填充粗骨料之間的空隙，在瀝青的包裹下各級骨料緊密結合在一起，在瀝青混凝土心墻壩中起到很好的擋水作用。由于上下水頭差對心墻瀝青混凝土會形成剪切破壞，所以抗剪性能是關注的重點，也是該防滲體的薄弱環節之一[2]。

在《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》(SL 501—2010)中規定：粗骨料最大粒徑不宜大于19 mm[3]，但我國的甘肅黨河水庫、遼寧碧流河水庫以及美國蒙哥馬利水庫粗骨料最大粒徑均為25 mm[4]。何建新等通過將骨料最大粒徑提高至31.5 mm研究了澆筑式瀝青混凝土的力學性能，結果表明馬歇爾穩定度及密度明顯增加，馬歇爾流值降低[5]；應榮華等解釋了大粒徑瀝青混凝土的抗裂性能優于小粒徑瀝青混凝土的機理[6]；柴艷春證明了大粒徑混合料具有很好的高溫穩定性[7]。上述內容研究了大粒徑骨料在澆筑式瀝青混凝土中力學性能和大粒徑混合料的路用性能，但大粒徑骨料對瀝青混凝土的抗剪性能的研究偏少。

本文將骨料最大粒徑由19 mm提高至26.5 mm，并采用正交試驗的方法優選出骨料最大粒徑不同的兩組配合比，分別進行直接剪切試驗和靜三軸試驗，對比抗剪強度、粘聚力、內摩擦角及體變的大小，分析大粒徑骨料對瀝青混凝土抗剪性能的影響。

1 原材料及基礎配合比

本試驗研究采用的原材料包括礦料和瀝青。礦料中粗骨料選用堿性巖石破碎料，骨料最大粒徑為26.5 mm，細骨料選用堿性巖石破碎的人工砂，填料選用石粉；瀝青選用克拉瑪依石化公司生產的70號道路石油瀝青，各材料的技術性能指標見表1～2所示。

表1 瀝青技術性能

表2 礦料技術性能

根據《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》(SL 501—2010)，推薦以及本試驗研究需要選取礦料級配指數、填料用量、瀝青用量為影響因素，按照正交試驗方法設計試驗方案，以馬歇爾穩定度、流值和劈裂抗拉強度為考核指標，采用極差方差分析，選出基礎配合比參數：礦料級配指數為0.39，填料用量為13%，瀝青用量為6.8%，最終確定各材料的質量配合比見表3所示。

表3 心墻瀝青混凝土基礎配合比 mm

2 試驗方法

2.1直剪試驗方法

按照上述配合比制備瀝青混凝土試件，每組配合比分別制備3個試件，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。采用中型直剪儀進行試驗，剪切速率為0.2 mm/min，位移傳感器和荷載傳感器的精度分別為0.1 mm和1 N。

2.2靜三軸試驗方法

按照上述配合比每組分別制備4個瀝青混凝土試件，試件尺寸為Φ100 mm×H200 mm。采用瀝青三軸試驗儀進行試驗，將幾個圓柱形的試件分別放在恒定的不同圍壓下，不斷地施加軸向力，進行剪切試驗直到試件破壞為止，位移傳感器和荷載傳感器的精度分別為0.1 mm和1 N。

3 試驗結果與分析

通過最大粒徑不同的兩組配合比制備瀝青混凝土試件，分別進行直接剪切試驗和靜三軸試驗，對比兩組試驗結果，分析大粒徑骨料對心墻瀝青混凝土抗剪性能的影響。

3.1直剪試驗結果與分析

為研究大粒徑骨料對心墻瀝青混凝土抗剪強度的影響，對試件進行密度、空隙率的測定及直接剪切試驗，試驗結果見表4所示。

表4 直剪試驗結果

由表4試驗結果可知，JP-1的瀝青混凝土抗剪強度比JP-2的小0.02 MPa，相當于JP-2抗剪強度的93.5%，相差6.5%，相差不明顯。主要是因為骨料和瀝青的粘結強度在瀝青混凝土試樣直接剪切過程中起主導作用，而骨料與瀝青的接觸面是薄弱面，比較容易破壞。骨料粒徑越大比表面積越小，與瀝青的接觸面積越少，薄弱面越少，且在瀝青混凝土中粗骨料起骨架作用，在剪切破壞的過程中，大粒徑混凝土的骨架作用明顯，骨料之間的咬合力較強，具體表現在抗剪強度較高。

3.2靜三軸試驗結果與分析

根據摩爾-庫倫原理求它的抗剪強度參數，并按照鄧肯-張模型計算出應力-應變參數。為直觀比較兩種級配下，瀝青混凝土在受到三軸剪切破壞時，主應力差和體應變的關系，試驗結果列于表5～6。

表5 相同軸向應變下JP-1與JP-2主應力差對比 kPa

軸向應變/%200400600800JP-1JP-2JP-1JP-2JP-1JP-2JP-1JP-21.012532543233263926043687572.015125986516937901 0738251 3103.057539119481 0701 1421 4511 2221 7594.009421 1171 1701 3511 3971 7151 5062 0645.031 1061 2921 3561 5761 6061 9441 7562 3026.021 2431 4101 5031 7381 7632 1361 9292 4587.021 3461 5071 6121 8521 8782 2602 0762 5648.011 4081 5371 6881 9371 9682 3052 1752 6509.041 428-1 7281 9712 0272 3142 2552 696

表6 相同軸向應變下JP-1與JP-2體應變對比kPa

軸向應變/%200400600800JP-1JP-2JP-1JP-2JP-1JP-2JP-1JP-21.01-0.071 5-0.070 3-0.064 7-0.072 8-0.070 6-0.082 1-0.069 5-0.092 72.01-0.121 4-0.121 0-0.113 5-0.133 0-0.130 2-0.148 1-0.132 7-0.163 43.05-0.136 0-0.139 7-0.149 8-0.170 3-0.170 4-0.194 5-0.186 2-0.217 74.00-0.120 3-0.130 5-0.148 9-0.171 1-0.186 5-0.204 8-0.213 1-0.240 25.03-0.064 4-0.085 2-0.125 2-0.152 1-0.178 9-0.198 8-0.224 6-0.253 16.020.016 7-0.016 5-0.063 4-0.103 6-0.148 3-0.171 0-0.217 6-0.239 97.020.127 50.078 60.021 8-0.044 0-0.106 7-0.134 0-0.188 7-0.21088.01-0.187 00.120 60.036 5-0.050 5-0.072 5-0.153 8-0.146 89.04---0.120 90.003 10.016 6-0.101 3-0.062 110.00----0.037 40.860-0.052 70.018 911.05------0.010 2-

由表5可知：在每個相同的圍壓下，JP-2的主應力差均比JP-1大，說明在軸向應變相同的條件下，JP-2的偏應力較大，試件在破壞時的抗剪強度較高，抵抗剪切破壞的能力強。由表6可知：當軸向應變相同時，圍壓在200 kPa和400 kPa時，JP-2與JP-1的體變相差不明顯，當圍壓在600 kPa和800 kPa時，JP-2比JP-1的瀝青混凝土體變大。因為JP-2的瀝青混凝土中骨料最大粒徑較大，在剪切過程中，粗骨料的骨架作用比較明顯，抗剪強度較高，其偏應力就較大；骨料的粒徑越大，在剪切破壞的過程中骨料的相對移動較明顯，表現在破壞時的體應變較大體積膨脹明顯。因此，JP-2的瀝青混凝土抗剪強度高且體脹較大。

瀝青混凝土的應力-應變曲線呈非線性關系，為得到非線性參數，按照鄧肯-張雙曲線E～u模型計算。將試驗曲線與理論曲線進行對比，并對非線性參數進行修正(見表7所示)。修正后的主應力差與軸向應變及體應變與軸向應變關系曲線見圖1～4。

表7 瀝青混凝土E-μ模型靜三軸試驗參數

圖1 JP-1瀝青混凝土修正后主應力差與軸向應變關系曲線

圖2 JP-1瀝青混凝土修正后體應變與軸向應變關系曲線

圖3 JP-2瀝青混凝土修正后主應力差與軸向應變關系曲線

JP-2與JP-1的瀝青混凝土相比，JP-2的瀝青混凝土內摩擦角大3.2°，而粘聚力稍小，但變化不大。說明骨料粒徑越大，在剪切破壞的過程中顆粒與顆粒之間分離的角度越明顯；而心墻瀝青混凝土與公路瀝青混凝土相比，其瀝青用量和填料用量都較多，使得骨料之間有充足的自由瀝青，進而減小了骨料顆粒間的摩擦力對其影響。心墻瀝青混凝土的粘聚力由骨料與瀝青膠漿共同作用[8]，在瀝青膠漿相同的情況下，骨料粒徑大的瀝青混凝土中的自由瀝青偏多，與瀝青膠漿的粘結效果偏差，粘聚力降低。兩種骨料粒徑不同的瀝青混凝土，靜三軸試驗參數雖存在差異，但都能滿足規范要求。

圖4 JP-2瀝青混凝土修正后體應變與軸向應變關系曲線

4 結語

1) 大粒徑骨料在瀝青混凝土中骨架作用明顯，其抗剪強度較高。

2) 在4個不同的圍壓下，JP-2瀝青混凝土在破壞時的偏應力均比JP-1大，且高的圍壓下，JP-2瀝青混凝土在剪切破壞時的體應變也大。說明大粒徑骨料瀝青混凝土的抗剪強度高且體脹也明顯。

3) JP-2瀝青混凝土的內摩擦角比JP-1的大3.2°，而粘聚力相差不明顯。說明大粒徑骨料瀝青混凝土的剪切破壞面角度較大。