不同取芯溫度對心墻瀝青混凝土性能影響分析

王中良，唐婉秋，謝自然，岳 杰，楊 坤

(四川省紅魚洞水庫建設管理局，四川 巴中 636600)

瀝青混凝土心墻壩具有抗?jié)B性好、適應變形能力強、抗沖刷、耐老化等優(yōu)點[1- 4]，已成為當?shù)夭牧蠅蔚氖走x壩型。然而，復雜氣候條件給瀝青混凝土心墻壩的施工帶來了諸多難題[5- 6]。如四川地區(qū)夏季平均氣溫在30℃左右，最高溫度高達40℃，在心墻填筑過程中，規(guī)范[6- 8]要求心墻填筑上升每8～12m需取芯一次，心墻溫度一般要降至一定溫度后才能進行鉆芯。瀝青混凝土終碾溫度一般在110℃以上，心墻溫度較高，心墻兩側被過渡料包裹，外露面面積小，加之環(huán)境溫度高，溫度降低緩慢。這導致瀝青混凝土心墻碾壓完成后，達到取芯樣的條件需停工3～4d時間，造成人工及機械的浪費。為保證復雜氣候條件瀝青混凝土心墻施工進度和施工質(zhì)量，國內(nèi)學者進行了較多的研究工作。針對冶勒水電站大壩特殊的建設條件，張應波、何仲輝提出了一套管理、檢測及質(zhì)量控制措施[9- 11]。朱西超、王懷義等研究了瀝青混凝土碾壓結合面的力學性能[12- 14]，萬連賓、何建新、陳宇等研究了提高瀝青混凝土碾壓結合面質(zhì)量的施工工藝及溫度對瀝青混凝土力學性能的影響[15- 17]。本研究將結合某工程現(xiàn)場碾壓試驗段，觀測瀝青混凝土碾壓后溫度變化過程，在滿足取樣條件后的幾個溫度下鉆取芯樣，室內(nèi)對各芯樣進行物理、力學性能檢測，分析取樣溫度對瀝青混凝土性能的影響。在保證芯樣質(zhì)量的前提下，確定適宜的取樣溫度，為加快施工進度提供可行性參考。

1 材料及方法

試驗研究選擇在碾壓試驗段上進行，瀝青混合料入倉溫度為160℃，初碾溫度為145℃，終碾溫度為110℃。碾壓結束后，待心墻溫度降低至一定溫度后方可進行取芯。現(xiàn)場取樣時發(fā)現(xiàn)，取芯溫度在60℃及以上時，瀝青混凝土芯樣很難取出，取出時大多也已產(chǎn)生斷裂和變形，失去試驗條件，故本次試驗研究取芯溫度分別設定為50、40、30、20℃，取芯時環(huán)境溫度為6～10℃。對不同取芯溫度的試樣分別進行如下試驗。

理論最大相對密度試驗：將瀝青混凝土芯樣上層整根取出，每種取芯溫度下取3根芯樣，從中間部位分隔開，分為上部和下部。試驗按照DL/T 5362—2006《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》方法進行試驗[18]。

瀝青混凝土單軸壓縮試驗：將制備好的試件分別放在相應溫度下恒溫4h以上，使試件內(nèi)部溫度達到要求，然后進行單軸壓縮試驗。在10t自動控溫萬能材料試驗機(UTM- 5105)上進行，試驗采用的加載速率為1mm/min。試驗溫度分別設定為5、16.5、25℃，16.5℃為工程區(qū)多年平均氣溫。

瀝青混凝土小梁彎曲試驗：將現(xiàn)場圓柱形瀝青混凝土試件切割成標準小梁彎曲試件，測定試件密度及孔隙率，小梁彎曲試驗在瀝青混凝土綜合試驗機上進行，利用位移及荷重傳感器采集試驗數(shù)據(jù)，試驗加載速率為1.67mm/min，試驗溫度選擇16.5℃。

2 結果及分析

2.1 理論最大相對密度結果及分析

分別對不同取芯溫度下的芯樣進行理論最大相對密度試驗，結果見表1。

表1 不同取芯溫度下瀝青混凝土的理論最大相對密度結果 單位：g/cm3

表1可以看出，瀝青混凝土的上部的理論最大相對密度小于下部，上部的理論最大相對密度的平均值約為2.436g/cm3，下部的理論最大相對密度平均值為2.445g/cm3。

表2可以看出，隨著取芯溫度的升高，芯樣的密度逐漸減小，孔隙率不斷增加，取芯溫度20℃時孔隙率為1.6%，取芯溫度為50℃時，孔隙率增大到2.1%。說明相同質(zhì)量的空氣在不同溫度的瀝青混凝土中形成的氣泡體積是不一樣的，溫度高的芯樣瀝青混凝土中氣泡體積較大，而瀝青混凝土中其他物質(zhì)因溫度不同而產(chǎn)生的體積變化較小，這就導致不同溫度下取得的瀝青混凝土芯樣出現(xiàn)了上述現(xiàn)象。各取芯溫度下，瀝青混凝土的上部密度均小于下部的密度，在理論最大相對密度的測試中也出現(xiàn)了同樣的規(guī)律，從孔隙率來看，上下部的孔隙率差異性不大。

心墻施工過程中，由于攤鋪溫度及碾壓溫度較高，瀝青混凝土中瀝青膠漿將更加具有流動性，在振動碾作用下，易造成骨料與瀝青膠漿的離析，導致大骨料下沉，引起瀝青混凝土的下部密度大于上部；在取芯樣進行檢測時，為保證芯樣的順利取出，需連續(xù)晃動已鉆動的芯樣，保證底部完全脫離，上下部位受到的擾動程度不同，會出現(xiàn)的不同程度損傷，且溫度越高，損傷程度加大。

2.2 單軸壓縮試驗結果及分析

單軸壓縮試驗用于測定瀝青混凝土的軸向抗壓強度、應變和變形模量，是反映瀝青混凝土強度最直接的指標。當試驗溫度為5、16.5、25℃條件時，單軸壓縮試驗結果如圖1—3所示。

圖1 單軸壓縮試驗結果(5℃)

表2 不同取芯溫度下芯樣密度及孔隙率

圖2 單軸壓縮試驗結果(16.5℃)

圖3 單軸壓縮試驗結果(25℃)

圖1可以看出，試驗溫度為5℃時，不同取芯溫度的抗壓強度變化較為明顯，隨著取芯溫度的升高，抗壓強度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，取芯溫度為50℃時上部試件的抗壓強度較20℃時減小約20.8%，下部相比減小17.5%。瀝青混凝土是典型的溫度敏感型材料，當溫度較高時(高于瀝青的軟化點)，瀝青混凝土仍處于流塑狀態(tài)，外力作用對瀝青混凝土的結構和強度的形成產(chǎn)生較大影響。因此，隨著取樣溫度的提高，瀝青混凝土的抗壓強度逐漸降低。還可以看出，下部瀝青混凝土強度均高于上部，主要是下部瀝青混凝土試件中粗骨料含量較上部高，相比細骨料和填料而言，粗骨料的骨架作用更強，對強度的提高作用也更明顯。

在試驗溫度16.5℃時，不同取芯溫度的抗壓強度變化較小。瀝青混凝土芯樣下部抗壓強度基本保持不變，瀝青混凝土芯樣上部從取芯溫度20℃至取芯溫度40℃基本不變，但取芯溫度到50℃時，上部抗壓強度降低較為明顯，溫度為50℃時，已明顯高于瀝青的軟化點的溫度，在該溫度條件下，瀝青混凝土處于流塑狀態(tài)，無法形成有效的強度，因此，取芯溫度為50℃時，瀝青混凝土抗壓強度會出現(xiàn)較大程度的減小。

當單軸壓縮試驗溫度為25℃時，不同取芯溫度的抗壓強度基本保持穩(wěn)定，說明在25℃的試驗溫度下，不同取芯溫度對瀝青混凝土抗壓強度影響很小。試驗溫度較高時，取芯溫度對瀝青混凝土結構等造成的影響已經(jīng)不顯著了。同時，瀝青混凝土自身的強度也偏低，變形能力較強。

圖4試驗匯總曲線來看，無論試驗溫度是多少，均表現(xiàn)出瀝青混凝土芯樣上部的抗壓強度大于下部；試驗溫度越低，試件抗壓強度越高；試驗溫度越低，不同取芯溫度的抗壓強度差別表現(xiàn)越明顯，在試驗溫度為25℃時，抗壓強度幾乎不隨取芯溫度的變化而變化。從不同取芯溫度和不同試驗溫度的單軸壓縮試驗結果來看，對于取芯溫度為50℃的芯樣，單軸抗壓強度相對較低，取芯溫度為20、30、40℃的單軸抗壓強度隨取芯溫度的增加影響不大。

圖4 試驗匯總曲線

不同取芯溫度、試驗溫度的單軸壓縮試驗應力～應變曲線如圖5—7所示。

瀝青混凝土為溫度敏感性材料，其力學性能基本滿足黏彈性材料的特性。從圖5—6可以看出，應變在2%以內(nèi)，應力～應變曲線基本都呈線性關系，材料處于線彈性狀態(tài)；隨著試驗溫度的升高，變形模量逐漸減小。應變在2%～4%時，應力～應變曲線出現(xiàn)明顯彎曲，切線模量逐漸減小，材料進入黏彈性狀態(tài)。應變大于4%時，隨著應變的增加應力基本保持不變，材料進入黏塑性狀態(tài)。從圖7可以看出，由于試驗溫度較高，上述3個階段界限不明顯，隨著應變的增大應力呈曲線變化，材料均表現(xiàn)為粘彈性狀態(tài)。

從圖5可以看出，隨著取芯溫度的增加，在相同的應變時，芯樣上部和下部均出現(xiàn)應力明顯降低的規(guī)律，應力～應變曲線差異較大。從圖7可以看出，隨著取芯溫度的增加，在相同的應變時，芯樣上部和下部的應力下降不明顯，應力～應變曲線差異不大，隨著試驗溫度的增加，減小了取芯溫度對應力～應變的影響。

圖5 試驗溫度5℃時不同取芯溫度的單軸壓縮應力～應變曲線

圖6 試驗溫度16.5℃時不同取芯溫度的單軸壓縮應力～應變曲線

圖7 試驗溫度25℃時不同取芯溫度的單軸壓縮應力～應變曲線

2.3 小梁彎曲試驗結果及分析

不同溫度條件下小梁彎曲試驗結果見表3，抗彎強度、最大彎拉應變平均值變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 不同取芯溫度條件下芯樣抗彎強度、最大彎拉應變變化曲線

圖8可以看出，不同取芯溫度條件下的抗彎強度均滿足規(guī)范中大于400kPa、最大彎拉應變大于1%的要求。隨著取芯溫度的升高，試件抗彎強度逐漸降低，彎拉應變逐漸增大，當取芯溫度由40℃升高為50℃時，抗彎強度減小幅度較大，拉伸應變增長趨勢也較明顯，當取芯溫度為50℃時，對瀝青混凝土性能的影響較為顯著。

表3 不同取芯溫度下芯樣的小梁彎曲試驗結果

3 結語

本文結合某工程，對不同溫度瀝青混凝土鉆芯取樣，分別進行了理論最大相對密度、密度、孔隙率、單軸壓縮、小梁彎曲試驗，主要得到以下結論：

(1)心墻瀝青混凝土在碾壓過程中產(chǎn)生了一定程度離析，同一層瀝青混凝土中出現(xiàn)上部瀝青混凝土密度和理論最大密度都小于下部的現(xiàn)象；不同溫度條件下所取芯樣的密度和孔隙率均有差異。

(2)取芯溫度為20、30、40℃時，芯樣的單軸抗壓強度與彎曲強度與芯溫度不敏感，取芯溫度為50℃時，單軸抗壓強度、彎曲強度下降較多。單軸抗壓強度與彎曲強度的差異隨著試驗溫度的升高逐漸減小。

建議在心墻瀝青混凝土內(nèi)部溫度低于40℃以后(應低于瀝青的軟化點)，再進行取芯為宜，此時可減小取芯過程對芯樣的損傷，保證芯樣質(zhì)量，避免取芯溫度過高對芯樣檢測結果的影響。