不同結合面溫度心墻瀝青混凝土力學性能的現場試驗研究

唐婉秋，王中良，翁昌國，岳峰林

(四川省紅魚洞水庫建設管理局，四川 巴中 636600)

瀝青混凝土心墻壩因其具有良好的防滲、變性協調和抗震性能，在水利工程中得到廣泛應用[1- 4]。熱拌心墻瀝青混凝土是一種典型的溫度敏感材料，其施工溫度一般均在常溫環境下進行，但面臨來年度汛要求時，可能會存在冬季施工的問題，加上施工機械、拌和設備等故障，都可能造成在攤鋪上層瀝青混凝土時下層瀝青混凝土溫度過低，不能滿足規范要求的70℃的條件[5- 7]。楊樂天等[8]研究了不同終碾溫度對瀝青混凝土密實程度的影響，提出終碾溫度不得低于100 ℃。朱西超[9- 10]對不同結合面溫度心墻瀝青混凝土的力學性能開展了室內試驗研究，提出下層瀝青混凝土溫度降低至30℃時，瀝青混凝土各項力學性能下降不明顯。何建新、余林等[11- 12]對結合層面的碾壓施工工藝開展了相關研究，當結合面溫度較低時采用高溫熱骨料加熱的方法能夠取得理想效果。針對瀝青結合面溫度過低的問題，已有研究多采用室內試驗研究的方法，室內試驗多為小樣試驗，試驗條件易于控制，試驗精度易于把握，但對工程實踐而言，現場試驗的結果對指導施工更具有說服力和指導意義。因此，本文開展了不同結合面溫度心墻瀝青混凝土力學性能的現場試驗研究，旨在為寒冷環境條件下心墻瀝青混凝土的施工提供技術指導和理論支撐。

1 試驗方案

1.1 試驗方案

現場試驗確定了4種不同結合面溫度(20、30、40、110℃)，瀝青混合料攤鋪碾壓完成后，待下層瀝青混凝土溫度降至相應溫度后，首先攤鋪上層瀝青混凝土，上層熱料溫度控制在160℃左右，攤鋪厚度約為30cm，然后進行碾壓，在瀝青混凝土結合面以下20mm處埋設溫度傳感器，監測下層瀝青混凝土的溫度變化。最后鉆取芯樣，對瀝青混凝土開展相關力學性能試驗。

1.2 試驗方法

試驗方法參照公路工程瀝青混合料試驗規程[13]和水工瀝青混凝土試驗規程[14]中要求的試驗方法進行。

抗剪斷試驗：間隔50cm鉆取芯樣，對鉆取芯樣結合面進行標注，將試樣切割成Φ100mm×200mm的標準圓柱體試件，使結合面位置處在正中間，將試件置于10℃環境條件下8h，然后進行試驗。試驗時保持30kPa的恒定正壓力，剪切速率控制為0.01mm/s，每隔20s記錄剪應力和剪切位移，試驗過程中，剪應力出現明顯下降時，即停止試驗。每組試驗制備3個試件，試驗結果為3次試驗結果的平均值。

拉伸試驗：將瀝青混凝土芯樣加工成尺寸為220mm×40mm×40mm的標準試件，將試件置于10℃環境條件下3h，然后將試件安裝在自動控溫萬能試驗機上，進行試驗。試驗采用的應變速率為2.2mm/min。每組試驗制備3個試件，試驗結果為3次試驗結果的平均值。

小梁彎曲試驗：將瀝青混凝土芯樣加工成尺寸為250mm×40mm×35mm的標準試件，將試件置于10℃環境條件下3h，然后將試件安裝在自動控溫萬能試驗機上，進行試驗。每組試驗制備3個試件，試驗結果為3次試驗結果的平均值。

2 結果與分析

2.1 結合面溫度變化規律

下層料不同溫度條件下，攤鋪上層熱料后的溫度變化曲線如圖1所示，當攤鋪上層熱料后，下層料溫度均有明顯的升高趨勢。由曲線變化規律可以看出，在0～60min時間段內，下層料的溫度變化存在一個明顯的上升過程。在180min左右時，下層料溫度變化基本趨于平穩。

圖1 下層料不同溫度條件下結合面溫度變化規律

當下層料溫度為20℃時，攤鋪上層熱料后，溫度上升至67.6℃，基本接近70℃。30℃條件下，攤鋪上層熱料后，下層料溫度升高至70.1℃。當下層料溫度為40℃時，攤鋪上層熱料后30min左右下層料溫度即達到70℃的要求，180min后，下層料溫度升高至84.5℃。結合施工規范中提出的70℃的要求，若規范中考慮了上層熱料攤鋪后對下層料溫度上升的影響，則上述溫度變化規律不與規范中的要求存在交叉；若規范中70 ℃是單純要求在攤鋪上層瀝青混凝土后碾壓時溫度，則上述溫度條件攤鋪上層160 ℃左右的熱料后，下層料溫度基本能滿足規范的要求。

2.2 抗剪結果與分析

不同溫度條件下抗剪試驗結果見表1，其強度變化規律曲線如圖2所示。由密度及強度試驗結果可以看出，當結合面溫度逐漸升高時，試件密度不斷增大，結合面溫度越高，瀝青混凝土越容易碾壓密實。試件抗剪強度隨結合面溫度升高呈現不斷上升趨勢，試驗結果以結合面溫度為110℃時為參考標準。其中結合面溫度為20、30、40℃的瀝青混凝土試件的抗剪斷強度，較110℃而言，分別下降了27%、12%、6%。由于施工規范[7]及設計規范[15]中沒有明確的抗剪強度要求，因此，本文中確定以結合面溫度110℃條件下試件強度的90%作為為判定不同溫度下試件結合面強度是否滿足要求的標準。從試驗結果可以看出，當結合面溫度為20℃的試件抗剪斷強度明顯不滿足，結合面溫度為30℃的試件基本滿足；由于下層結合面溫度過低，且在攤鋪時沒有對下層料進行加熱，過大的溫差使得上層料溫度散失過快，碾壓過程下層結合面溫度不能快速升高，下層料溫度較低，碾壓過程中上層瀝青混凝土熱料難以進入到下層料中，導致結合面不密實，出現薄弱層，結合面的抗剪強度較低。

表1 不同結合面溫度下剪切試驗結果

圖2 抗剪強度隨溫度變化曲線

2.3 拉伸結果與分析

不同結合面溫度下拉伸試驗結果見表2，拉伸強度變化規律如圖3所示。可以看出拉伸試件的密度隨著結合面溫度的下降而降低，不同結合面溫度拉伸試件的抗拉強度以及最大抗拉強度對應的拉應變也隨結合面溫度的降低在降低，結合面溫度為20、30、40℃試件的抗拉強度，較母材試驗值而言，滿足母材性能的74%、90%、100%。結合面溫度為20℃的拉伸試件不滿足母材性能90%的要求，說明結合面溫度為20℃的結合區結合不夠好。結合面溫度為30和40℃的試件都滿足母材性能90%的要求，說明結合面溫度為30℃以上的試件結合良好。結合面溫度越高，試件結合的越好，在進行抗拉試驗時，試件的抗拉強度就會越大。表明結合面溫度對試件的抗拉強度影響比較明顯。

表2 不同結合面溫度下拉伸試驗結果

圖3 拉伸強度隨溫度變化曲線

2.4 小梁彎曲結果與分析

不同結合面溫度下小梁彎曲試驗結果見表3，小梁彎曲強度變化規律如圖4所示。可以看出，小梁彎曲試件的密度和抗彎強度，都在隨著結合面的溫度降低而降低。以結合面溫度為110℃的抗彎強度值作為母材參考，結合面溫度為20，30、40℃成型試件的抗彎強度，它們與母材相比分別下降了10%、2%、1%。結合面溫度為20、30、40℃試件的最大彎拉應變，與母材相比分別下降了33%、9.3%、1%，雖然結合面溫度為20℃的小梁彎曲試件，抗彎強度相較母材只下降了10%，但是最大彎拉應變卻下降了33%，結果說明，當結合面溫度過低時，瀝青混凝土的抗彎曲性能會受到很大的影響。

表3 不同結合面溫度下小梁彎曲試驗結果

圖4 彎曲強度隨溫度變化曲線

3 結論

本文結合工程實踐中存在的心墻瀝青混凝土結合面溫度問題，對不同結合面溫度下瀝青混凝土各項力學特性開展了現場試驗研究，主要得出以下結論：

(1)不同下層瀝青混凝土溫度條件下，攤鋪160℃的上層熱料后，下層料溫度均有不同程度的升高，在攤鋪上層熱料后1h內，下層料升溫過程明顯，約在3h后，下層熱料溫度變化趨于穩定。

(2)隨著下層料溫度的升高，結合面處的抗剪強度、拉伸強度與彎曲強度均有不同程度的提高，下層瀝青混凝土溫度為20、30、40℃時，其各項力學強度指標較110℃條件下減小約30%、10%、6%。

(3)下層瀝青混凝土溫度為40℃時，其各項力學性能指標與下層瀝青混凝土為110℃時基本一致，因此當下層料不低于40℃時，心墻的施工質量將得到有效滿足。