低溫條件下心墻瀝青混凝土蠕變特性試驗

王柳江，薛晨陽，扎西頓珠，劉斯宏，黃鵬華

(1.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2.西藏自治區水利電力規劃勘測設計研究院，西藏 拉薩 850000)

瀝青混凝土是由礦料、瀝青等按一定比例組合的復合材料，具有防滲性能好、適應變形能力強等優點，非常適宜作為大壩的防滲體材料[1]。自20世紀20年代以來，世界上已建300多座瀝青混凝土面板壩、130多座瀝青混凝土心墻壩[2]。由于瀝青混凝土由膠凝材料(瀝青)與骨料膠結而成，屬于典型的黏彈塑性材料，具有較強的蠕變性，因此對心墻的長期防滲性能有一定的影響[3-4]。近年來，隨著水利工程往新疆、西藏等高寒地區的推進，瀝青混凝土心墻壩的建設進入一個高速發展的時期[5]。考慮到西部地區環境溫度較低且變化較大，同時瀝青混凝土心墻埋在壩體內，長期處于三向應力狀態，因此有必要開展低溫條件下瀝青混凝土心墻材料的三軸蠕變特性研究。

目前，國內外關于水工瀝青混凝土的三軸蠕變特性的研究相對較少。在20世紀70年代，國外學者針對Eberlaste、Finsteral等瀝青混凝土心墻壩[6-8]的長期變形開展了相關三軸蠕變特性試驗，側重于考慮側向壓力減小對瀝青混凝土開裂的影響。在試驗中設置軸向壓力不變，圍壓隨時間分級減小。國內，西安理工大學對水工瀝青混凝土三軸蠕變特性開展了相關研究，其中初偉[9]進行了20℃不同圍壓下的三軸蠕變特性試驗，并采用Burgers模型進行擬合；朱悅[10]進行了10℃條件下的三軸應力松弛試驗，分析了松弛模量與應變的關系；Wang等[4，11]對10℃和20℃下的三軸蠕變特性試驗結果進行了總結，并基于E-B模型提出一個能夠反映穩定蠕變量和應力關系的本構模型。另外，一些學者針對三峽茅坪溪瀝青混凝土心墻壩也開展了瀝青混凝土的三軸蠕變特性研究，長江科學院[12]進行了16.4℃不同圍壓下的三軸蠕變分級加載試驗；朱晟等[13]基于長江科學院試驗的剪切蠕變結果，提出一個能夠考慮應力狀態變化的增量蠕變模型；李志強等[14]在16.4℃的溫度條件下，研究了瀝青含量對三軸蠕變特性的影響。近年來，李玫等[15]通過室內三軸蠕變特性試驗，研究了水泥替代礦粉對水工瀝青混凝土長期性能的影響；鄒玉強[16]對比了分別加載和分級加載兩種三軸蠕變特性試驗方式，并采用長江科學院提出的六參數蠕變模型對瀝青混凝土的剪切蠕變試驗結果進行擬合。然而，瀝青混凝土具有溫度敏感性，溫度的差別導致其長期變形性能相差很大，尤其是西部寒冷地區的瀝青混凝土防滲體，會遭受低溫和較大的溫度變化；此外瀝青混凝土的長期體積變形會導致其孔隙率的變化，進而影響其防滲性能。而上述研究中極少考慮低溫條件及其變化對水工瀝青混凝土蠕變特性的影響，對體積蠕變的分析也鮮有報道。

本文以西部某瀝青混凝土心墻壩工程為例，選取5℃、10℃、15℃ 3個試驗溫度，進行瀝青混凝土心墻材料的三軸蠕變特性試驗，研究溫度、偏應力、圍壓對瀝青混凝土三軸蠕變特性的影響，并討論應力狀態對體積蠕變的影響機制，為考慮溫度和應力狀態變化的心墻瀝青混凝土蠕變模型的建立提供參考。

1 原材料與試樣制備

三軸蠕變特性試驗中瀝青采用克拉瑪依70號石油瀝青，骨料由工程采用的灰巖破碎而成，礦粉由灰巖經球磨機碾磨而成。骨料級配如下：19～13.2 mm、13.2～4.75 mm、4.75～2.36 mm粒徑的粗骨料占比分別為13.4%、28.6%和13.8%，2.36～0.6 mm、0.6～0.15 mm、0.15～0.075 mm粒徑的細骨料占比分別為18.1%、10.6%和3.5%，填料(<0.075 mm)占比12.0%；骨料壓碎率為18.5%，堅固性為3.6%，黏結力為5級。設計瀝青混凝土的級配指數為0.4，瀝青質量分數為7.0%，礦粉質量分數為12%。其基本性能(T=10℃)為：最大密度2.417 g/cm3，密度2.381 g/cm3，孔隙率1.5%，劈裂強度0.65 MPa，抗壓強度3.57 MPa，水穩定性1.07，拉伸強度0.55，彎曲強度1.35 MPa。試樣直徑100 mm，高200 mm，依據DL/T 5362—2006《水工瀝青混凝土試驗規程》制備。為防止室溫變化對試樣變形的影響，試樣自然冷卻脫模后，將其放入-30℃的恒溫室中養護。

2 試驗方法

2.1 試驗方案

為研究溫度和應力狀態對蠕變特性的影響，以溫度(T)、圍壓(σ3)、偏應力(q)為變量設計如表1所示的試驗方案。由于試驗依托的工程所在地多年平均氣溫為10℃，最高月平均氣溫20℃，最低月平均氣溫-5℃，因此，選取試驗溫度為5℃、10℃、15℃。受限于試驗儀器的控溫范圍，無法開展負溫條件下的三軸蠕變特性試驗。S1～S3為第1組試驗，分析5℃、圍壓0.4 MPa、不同偏應力下的蠕變規律；S4～S7為第2組試驗，與第1組相比，試驗溫度為10℃；S8～S11為第3組試驗，試驗溫度為15℃；S11～S15為第4組試驗，相對于第2組，其圍壓為0.6 MPa。通過1～3組試驗，得到不同溫度下的蠕變-時間曲線和應力-應變等時曲線，可對比溫度對應力-蠕變曲線的影響；通過2、4組試驗的對比，可分析圍壓對應力-蠕變曲線的影響。蠕變特性試驗之前，需要開展5℃、10℃、15℃下的靜力三軸剪切試驗以確定不同溫度和圍壓下的破壞應力qf，由此可以確定表1中的應力水平D：

表1 試驗方案設計

D=q/qf

(1)

A—溫度控制系統；B—軸壓加載系統；C—雙層三軸壓力室；D—反壓加載及量測系統；E—圍壓加載及量測系統；F—溫度測量電路；G—自動控制中心。 圖1 溫度-濕度聯合控制三軸儀Fig.1 Temperature-humidity controlled triaxial test device

2.2 試驗儀器

試驗在溫度-濕度聯合控制三軸儀[17]上進行，如圖1所示。該儀器主要技術參數為：最大軸向荷載100 kN，最大圍壓1.5 MPa，溫控范圍0～50℃，控溫精度為±0.1℃。此外，利用該三軸儀還能進行溫度循環、干濕循環以及溫度-濕度聯合控制下土石材料的變形特性研究。

試驗過程中，首先將試樣放入對應試驗溫度的恒溫箱內至少24 h，確保試樣溫度均勻；然后裝樣，控制壓力室溫度為試驗溫度，恒溫2 h以上，當試樣溫度達到目標值后，施加圍壓。在圍壓作用下體積應變速率小于0.02 mL/min時，先采用應變控制式加載施加軸壓，加載速率為0.2 mm/min；當應力水平達到設計值時，采用應力式加載控制，以保證軸壓在蠕變過程中保持不變。蠕變特性試驗時間通過前期試驗確定。試驗時間大于8 350 min后剪切蠕變速率明顯減小，設為蠕變穩定狀態。此外，當溫度較高或偏應力較大時，瀝青混凝土軸向蠕變量可能大于活塞導桿最大行程，對應35%的應變，此時試驗結束。

3 試驗結果分析

3.1 剪切蠕變及應力-應變等時曲線

以第3組試驗為例對瀝青混凝土心墻材料的三軸蠕變特性進行分析。該試驗共包括4個應力水平，對應的偏應力為0.281 MPa、0.565 MPa、0.88 MPa和1.19 MPa。圖2(a)為溫度15℃、σ3=0.4 MPa時，不同偏應力下的剪切蠕變曲線。由圖2(a)可以看到，當偏應力為0.281 MPa時，瀝青混凝土的蠕變在早期增加很快，隨后較緩慢增加，140 h之后趨于穩定，對應的蠕變應變為5.8%。李志強等[14，18]同樣采用克拉瑪依70號石油瀝青制備了瀝青混凝土試樣，并在16.4℃環境溫度下開展了蠕變特性試驗，當σ3=0.5 MPa、q=0.25 MPa時，140 h之后的蠕變量為5.6%。可見，在試驗材料及試驗條件接近的條件下，兩者試驗結果基本一致，說明本文試驗結果是合理的。

圖2 剪切-蠕變曲線(T=15℃，σ3=0.4 MPa)Fig.2 Shear-creep curves (T=15℃,σ3=0.4 MPa)

值得關注的是，不同偏應力下的蠕變曲線具有明顯的階段性，大致可分為3個階段。第1階段，在加載完成1 200 min內，蠕變快速增長，這是因為瀝青混凝土為懸浮密實結構，孔隙由瀝青填充，在加載初始階段骨架作用力較小，如圖3所示；第2階段，隨著軸向壓縮變形的發展，孔隙中的瀝青受擠壓往側向移動，骨料間接觸點數開始增加，骨架作用增強，蠕變率逐漸減小；第3階段，蠕變趨于穩定，應變率趨向于0。對于不同偏應力下的心墻瀝青混凝土，其蠕變曲線具有如下特點：偏應力越大，初始階段的瞬時變形越大，蠕變速率越快，最終蠕變越大，當偏應力為1.19 MPa時，其蠕變量在1 200 min后超過了活塞導桿的最大行程。此外，如圖2(b)所示，在雙對數坐標系下，各偏應力下的蠕變曲線滿足較好的線性關系：

圖3 蠕變初始階段瀝青混凝土試樣縱剖面Fig.3 Longitudinal section of asphalt concrete at initial stage of creep

lnεcr，s=Alnt+B

(2)

式中：εcr,s——剪切蠕變；A——擬合參數，反映達到穩定蠕變所需要的時間，A越大，達到穩定蠕變的時間越長。可以發現，在相同溫度和圍壓下，對應不同偏應力的直線基本平行，說明偏應力對瀝青混凝土達到穩定蠕變所需時間的影響較小。取不同偏應力下A的平均值，為0.283。

圖4為三軸蠕變特性試驗中不同時刻的應力-應變等時曲線。由圖4可以看到，不同時刻下的剪切蠕變隨著偏應力的增大而增大，且兩者之間呈非線性關系。當偏應力較小時，應力-應變等時曲線基本呈線性關系，隨著偏應力的增大，曲線斜率逐漸減小，非線性更為明顯。在偏應力為0.565 MPa時，應力-應變等時曲線出現較為明顯的拐點，可將該應力視為屈服應力[11]，即當施加的偏應力小于該屈服應力時，瀝青混凝土發生黏彈性變形，當施加的偏應力超過該屈服應力時，則發生黏塑性變形。

圖4 不同時刻應力-應變等時曲線(T = 15℃，σ3= 0.4 MPa)Fig.4 Stress-strain curves at different time for triaxial creep test (T = 15℃,σ3= 0.4 MPa)

圖5為不同偏應力下的體積蠕變-時間關系曲線，規定體積蠕變壓縮為正，膨脹為負。由圖5可以看到，當偏應力小于0.565 MPa時，體積蠕變表現為壓縮變形，但體積壓縮量遠小于軸向壓縮量；當偏應力大于0.88 MPa時，體積蠕變表現為膨脹變形，體積膨脹量隨著偏應力的增大而增大，且量值大于偏應力較低時的壓縮量；此外，體積膨脹曲線同樣具有階段性，在蠕變初始階段呈快速增長趨勢，之后趨于穩定。由此可知，當偏應力較大時，瀝青混凝土的孔隙率隨時間增大，使其滲透性增大，從而對瀝青混凝土長期防滲效果有一定的影響。值得關注的是，該現象與瀝青混凝土靜力三軸剪切試驗中的體應變曲線相對應。

圖5 體積蠕變-時間關系曲線(T=15℃，σ3= 0.4 MPa)Fig.5 Relationship curves of volumetric creep strain with time (T = 15℃,σ3= 0.4 MPa)

3.2 溫度對蠕變的影響

圖6為圍壓0.4 MPa不同溫度下的應力-應變等時曲線。由圖6可以發現，在相同偏應力條件下，溫度越高，蠕變越明顯；偏應力越大，不同溫度下的蠕變差越大，因此，溫度升高會增加瀝青混凝土心墻材料的蠕變量。同時，隨著溫度升高，應力-應變等時曲線的非線性更為明顯，對應的屈服應力隨之減小。究其原因，隨著溫度升高，瀝青的潤滑作用增強，骨料顆粒之間產生錯動、重組，削弱了骨架的作用力，導致蠕變速率加快，變形增加。此外，當溫度從5℃升高到10℃時，蠕變增量明顯大于溫度從10℃升高到15℃的情況，這主要是因為瀝青在不同溫度區間的溫度敏感性不同。

圖6 不同溫度下的應力-應變等時曲線(σ3= 0.4 MPa)Fig.6 Stress-strain curves at different time for triaxial creep tests under different temperature(σ3= 0.4 MPa)

采用式(1)對不同溫度下的蠕變曲線進行擬合，給出參數A隨溫度的變化曲線。如圖7所示，A隨溫度的升高而減小，說明溫度越高，瀝青混凝土達到蠕變穩定所需的時間越短。究其主要原因，瀝青混凝土的瞬時加載變形和初始階段的蠕變隨溫度的升高而增大，縮短了其內部骨料顆粒的接觸時間，加快了骨架結構的形成，從而較快地進入穩定蠕變階段。此外，受瀝青溫度敏感性影響，當溫度從5℃升高到10℃時，斜率減小的程度大于溫度從10℃升高到15℃的情況，說明溫度大于10℃后，該工程所采用的瀝青混凝土達到穩定蠕變所需的時間受溫度影響較小。其中，A與溫度的關系可用指數函數擬合：

圖7 A隨溫度變化曲線(σ3= 0.4 MPa)Fig.7 Vary of slope A with temperature (σ3 = 0.4 MPa)

A=Me-αT+N

(2)

式中：α、M、N——擬合參數，α控制A隨溫度的變化速率，N為A隨溫度升高而趨于穩定的最終值。

3.3 圍壓對蠕變的影響

圖8為10℃時圍壓分別為0.4 MPa和0.6 MPa對應的應力-應變等時曲線。由圖8可以看到，當偏應力小于0.8 MPa時，不同圍壓對應的應力-應變等時曲線基本重合，說明圍壓對蠕變的影響在偏應力較小時可以忽略。當偏應力大于0.8 MPa后，蠕變隨圍壓的增大而減小，且隨著偏應力的增大，不同圍壓下的蠕變變形差隨之增大。值得注意的是，該現象與不同圍壓下瀝青混凝土的靜力三軸壓縮試驗結果相似。

圖8 不同圍壓下的應力-應變等時曲線(T=10℃)Fig.8 Stress-strain curves at different time for triaxial creep tests under different confining pressure (T=10℃)

圖9(a)為10℃下瀝青混凝土心墻材料的應力-應變等時曲線。可以看到，在偏應力小于0.8 MPa時，不同圍壓下的應力-應變等時曲線基本重合；隨著偏應力的增大，應力-應變等時曲線開始出現分叉，且在相同偏應力的條件下，圍壓越大，軸向變形越小。對應于體積變形，當偏應力小于0.8 MPa時，體應變表現為剪縮，且不同圍壓下的剪縮變形基本相等；當偏應力增大后，體應變由剪縮過渡到剪脹，且剪脹量隨著圍壓的增大而減小。可見與常規堆石料相比，圍壓對瀝青混凝土三軸壓縮和蠕變特性的影響與偏應力的大小有關。

圖9 靜力三軸剪切試驗結果(T=10℃)Fig.9 Results for triaxial compression test under static load (T=10℃)

3.4 結果與討論

瀝青混凝土心墻主要用于防滲，其設計孔隙率通常小于3%，骨料之間的孔隙由瀝青和礦粉填充，瀝其內部結構有兩個特點：一是骨料呈懸浮狀態(見圖3)；二是高度密實，等向壓縮條件下的變形十分有限。因此，當瀝青混凝土心墻承受較小的偏應力時，其產生的體積變形以等向壓縮為主，考慮其密實性，圍壓對其體積壓縮量的影響有限，不同圍壓下的孔隙率變化較小，從而解釋了不同圍壓下的應力-應變等時曲線在低偏應力時基本重合的現象。

此外，類比巖石等密實材料，隨著偏應力的增大，瀝青混凝土內部出現微裂隙，導致其孔隙率增大，產生了如圖9(b)所示的剪脹變形，且圍壓越小，剪脹越明顯。根據亞臨界擴展理論[19]，當偏應力較大時，微裂隙在應力腐蝕下隨時間逐級擴展，解釋了在偏應力較大時體積蠕變呈膨脹變形現象，如圖5所示；當瀝青混凝土內部產生裂隙后，其孔隙率增大，此時圍壓可有效抑制裂隙的擴展，圍壓越大，抑制效果越明顯，所產生的剪切蠕變變形越小。

4 結 論

a.在試驗條件下(試驗溫度0～15℃，偏應力水平0.2～0.8 MPa)，心墻瀝青混凝土剪切蠕變曲線在雙對數坐標下均滿足較好的線性關系，不同時刻的剪切蠕變量隨著偏應力的增大而增大，且兩者之間呈非線性關系。

b.隨著溫度的升高，瀝青混凝土的蠕變量增大，蠕變速率明顯加快，且達到穩定蠕變所需要的時間縮短，同時偏應力越大，溫度升高產生的蠕變增量越明顯。從抑制瀝青混凝土心墻長期變形的角度來說，相對穩定的低溫條件對工程是有利的。

c.瀝青混凝土體積蠕變與偏應力大小相關，當偏應力較小時，體積蠕變表現為壓縮變形，當偏應力較大時，體積蠕變表現為膨脹變形，且膨脹量明顯大于壓縮量。

d.圍壓對瀝青混凝土三軸蠕變特性的影響同樣與偏應力有關，偏應力較小時，圍壓對蠕變影響較小，當偏應力較大時，圍壓增大對蠕變有抑制作用。