水工瀝青混凝土劈裂特性影響因素分析

張 揚

(莆田市生態水系建設投資管理有限公司,福建 莆田 351106)

具有低防滲性、變形適應性強和耐久性好的瀝青混凝土被廣泛應用于常年多雨、高寒區或缺乏黏土等地區的土石心墻壩工程[1]，如挪威128 m的Storglomvatn壩、四川冶勒壩與去學壩等工程。作為水工結構中最重要的防滲體，瀝青混凝土材料特性成為瀝青混凝土心墻壩領域的重要課題[2]，其中配合比設計與分析是研究其物理力學性質的重要途徑。骨料級配指數r、填料用量G及瀝青含量B是配合比設計的關鍵因素[3]，閆小虎等[4]采用控制變量法探究了r、B及G對孔隙率、穩定度及流值的影響，慈軍[5]指出G用量直接影響瀝青混凝土穩定度及流值，r值對穩定性存在影響；現有規范[6]對心墻瀝青混凝土給出了孔隙率、滲透系數等控制標準，并指出應根據工程實際要求提出有關變形與力學指標[7]。當前筑壩技術持續發展，瀝青混凝土心墻壩已有向數百米級發展的趨勢[8]，這進一步促進瀝青混凝土工程性質的研究。

瀝青混凝土在組構上屬于空間網狀多相分散體系，其內部孔隙較小且處于封閉狀態，無孔隙水應力作用，通常認為瀝青混凝土心墻不存在水力劈裂問題[9]，但已有局部裂縫在水力作用下仍存在擴展可能性[10]。朱晟等[11]指出骨料級配影響瀝青混凝土剪脹性與孔隙率，拉應力作用下局部微小裂紋誘導心墻發生水力劈裂；曹巖等[12]通過模型試驗得到了剪脹作用下拉應力對瀝青混凝土心墻開裂影響規律；余梁蜀等[13]指出配合比參數對瀝青混凝土孔隙率、劈裂強度及劈裂位移影響均很大，但尚未量化討論影響程度。瀝青混凝土配合比對其工程特性影響規律仍在持續分析研究階段。因此，依據正交試驗設計理論，設定3因素4水平試驗，采用極差與方差分析法探究因素r、G與B對劈裂強度及劈裂位移的影響，得到配合比參數最優組合；將配合比參數空間化，分析瀝青混凝土劈裂特性分布規律，為其工程應用提供依據。

1 正交試驗設計

1.1 試驗材料

試驗所用瀝青為新疆克拉瑪依70號(A級)瀝青，密度為0.989 g/cm3，針入度為69.8(單位為0.1 mm)，軟化點為47.6℃，延度大于176 cm(環境溫度為15 ℃)；所用填料為堿性礦粉，密度為2.69 g/cm3，含水率為0.08%，親水系數為0.88；粗細骨料均為灰巖破碎篩分顆粒，表觀密度為2.74 g/cm3，吸水率為0.43%，壓碎率為7.56%，耐久性為0.436%，與所用瀝青黏附性等級為5級；其中，粗骨料粒徑范圍2.35～19.00 mm，細骨料為0.075～2.350 mm，詳細粒徑級配曲線見圖1(圖中Pi為小于某一粒徑di顆粒質量的百分比)。

圖1 骨料粒徑級配曲線

采用自動數據采集系統的馬歇爾試驗儀進行瀝青混凝土的劈裂試驗，測定不同配合比下試樣劈裂強度σt和劈裂位移s變化規律；采用應變控制施加荷載，加荷速率為1.0 mm/min，環境溫度為17.7 ℃；試樣尺寸為直徑100±1.0 mm、高63.5±0.5 mm的圓柱體。

1.2 方案設計

根據已有成果[3-5]，用式(1)確定配合比參數r值。根據已有經驗，心墻所用瀝青混凝土骨料最大粒徑設定為19 mm，設定配合比參數均為4種水平，即r值為0.36、0.38、0.40及0.42，G值為10%、12%、14%及16%，B為6.0%、6.4%、6.8%及7.2%。

(1)

式中G——填料用量，即d< 0.075 mm顆粒質量與骨料總質量的百分比。

正交試驗設計理論是基于數理統計與概率論為基礎的試驗優化設計方法，采用較少試驗組來反映全面試驗所探尋內在規律，通常采用正交表進行影響因素試驗方案設計。根據分析，選用3因素4水平16組的L16(43)正交表，正交試驗見表1。

表1 正交試驗

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果

整理試驗結果，得到16組不同配合參數時瀝青混凝土σt和s試驗結果，見表2。根據正交試驗設計理論，采用極差法進行因素影響分析，以確定不同因素間最佳水平組合。

表2 正交試驗結果

2.2 劈裂強度分析

(2)

Rj=[max(Kij)-min(Kij)]/kij

(3)

(4)

2.2.1極差分析法

整理表1、2，得到瀝青混凝土影響指標σt下配合比參數間的Rj值，見表3。從表3可知，r、G與B的Rj依次是0.067 2、0.032 5與0.030 5；其中，r的Rj顯著大于G及B，則說明r對σt的影響顯著大于G與B，且后兩者對σt的影響相差不大；依據因素間的極差意義，則配合比參數中對瀝青混凝土劈裂強度影響次序為級配指數>填料用量>瀝青含量。

表3 試樣σt的Rj值

瀝青混凝土劈裂強度隨級配指數增加而增大，隨填料用量與瀝青用量增加呈先增大后減小。為盡可能增大瀝青混凝土劈裂強度，工程實際使用時可參考級配指數0.42、填料用量12%及瀝青用量6.8%的配合比參數。

2.2.2方差分析法

表4 試樣σt的方差分析

2.3 劈裂位移分析

2.3.1極差分析法

整理試驗數據，得到指標s下不同配合比參數間的Rj值，見表5。從表5可知，r、G與B的Rj依次是0.401 0、0.599 3與11.072 3；其中，B的Rj顯著大于r與G，則說明B對s的影響顯著大于r與G，且G對指標s影響稍大于r；這表明配合比參數對劈裂位移影響次序為瀝青含量>填料用量>級配指數，與劈裂強度的次序相反。

表5 指標s的Rj值

瀝青混凝土劈裂位移隨級配指數增加呈波動變化，在r=0.36時取極小值；隨填料用量增加呈先增大后減小變化，在G=12%處取極大值；隨瀝青用量增加呈先增大變化。從盡可能降低瀝青混凝土劈裂位移角度，工程實際使用時可參考級配指數0.36、填料用量16%及瀝青用量6.0%的配合比參數。

2.3.2方差分析法

表6 指標s的方差分析

3 討論

3.1 強度與模量

整理試驗數據，瀝青混凝土劈裂強度隨應變呈先增大后減小變化趨勢，抗拉模量隨應變增大而線性降低變化規律，見圖2。常溫環境中瀝青混凝土受到劈裂荷載作用時，在壓應力轉為引起試樣破壞拉應力過程[14]，骨料間摩擦、咬合及鑲嵌結構仍能抵抗外部荷載作用；從強度指標角度而言，骨料級配指數對瀝青混凝土劈裂強度影響顯著大于填料用量與瀝青含量(表3)。另一方面，瀝青混凝土需適應壩體心墻與兩側過渡層差異協調變形，可選擇適當增加填料用量或瀝青含量[15]；從剛度角度而言，瀝青含量對瀝青混凝土劈裂位移影響程度顯著大于其余配合比參數(表5)。因此，對于可能存在水力劈裂的工程部位選擇瀝青混凝土作為防滲體時宜充分考慮其所處應力狀態而擇優選擇適宜的配合比。

圖2 劈裂強度與抗拉模量-應變分布

3.2 配合比參數分布

以瀝青混凝土配合比3個參數作為空間坐標系，用球體大小及顏色表征分析指標的數值大小，見圖3。由圖3a可知，球體在r軸正向上大體呈偏向由小及大、顏色為由紅至藍的分布，這表明骨料級配指數對劈裂強度影響較為明顯；在圖3b中，球體在B軸反向上大體呈偏向由小及大、顏色為由紅至藍的分布，即瀝青劈裂位移對瀝青用量的變化較為敏感。這與極差和方差的分析結果相一致。

a)劈裂強度

4 結論

a)極差分析法表明瀝青混凝土劈裂強度隨級配指數增加而增大，隨填料用量與瀝青用量增加呈先增大后減小；配合比參數對劈裂強度影響次序為：級配指數>填料用量>瀝青含量。

b)方差分析法表明瀝青混凝土劈裂位移隨級配指數增加呈波動變化，隨填料用量增加呈先增大后減小變化，隨瀝青用量增加呈先增大變化；配合比參數對劈裂位移影響程度次序為：瀝青含量>填料用量>級配指數。

c)從強度而言，瀝青混凝土劈裂強度優先考慮級配指數取值；從剛度角度，瀝青混凝土劈裂強度優先考慮瀝青含量取值。在可能存在水力劈裂的工程部位選擇瀝青混凝土作為防滲體時宜充分考慮其所處應力狀態而擇優選擇適應的配合比。