李富盈

摘要：澆筑式瀝青混凝土是現(xiàn)代水利工程防滲心墻的主要材料。通過室內高壓三軸蠕變壓縮儀對3種不同瀝青含量的澆筑式瀝青混凝土試件在不同溫度和偏應力狀態(tài)條件下，進行了一系列的蠕變特性試驗，研究瀝青含量、溫度對不同偏應力狀態(tài)下澆筑式瀝青混凝土蠕變特性的影響。結果表明：①同一瀝青含量下，試件的蠕變隨偏應力的增大而增大，且增長幅度受溫度、瀝青含量影響。②試件的蠕變與偏應力的關系，隨溫度的升高逐漸由線性向非線性轉變;同一偏應力狀態(tài)下，試件蠕變隨瀝青含量的增加呈非線性增大，且其增長速率隨著瀝青含量的增加而增大。③同一加載時間下，材料蠕變隨溫度的升高而增大，且蠕變速率隨著瀝青含量的增加而增大。④在三維空間，采用LogisticCum公式對試驗數(shù)據(jù)進行三維曲面擬合，建立考慮溫度、瀝青含量及偏應力多因素影響的瀝青混凝土蠕變模型，經(jīng)驗證模型曲面與試驗曲面相擬度非常高。

關鍵詞：澆筑式瀝青混凝土;瀝青含量;偏應力;蠕變;擬合度

中圖分類號：TV431+.5

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.04.025

瀝青混凝土是利用膠凝材料（瀝青）與骨料膠結而形成的混凝土，按施工工藝可分為澆筑式瀝青混凝土和碾壓式瀝青混凝土[1-6]。作為水利工程防滲心墻，澆筑式瀝青混凝土除具有瀝青混凝土防滲性能好、適應變形能力強、施工效率高等特點外，還具有施工工藝簡單、環(huán)境適應性強、耐久性好及抗沖擊力強等優(yōu)點，因此澆筑式瀝青混凝土在水利工程中得到了廣泛應用。瀝青性質、填料級配、配合比及環(huán)境溫度都會對瀝青混凝土力學性質及蠕變特性產(chǎn)生重要影響[7-11]，但綜合考慮瀝青含量、應力及溫度3種因素所進行的澆筑式瀝青混凝土蠕變特性研究還不夠深入和全面。

三向應力狀態(tài)下，澆筑式瀝青混凝土蠕變特性對心墻的長期安全穩(wěn)定十分重要。結合我國已建成的澆筑式瀝青混凝土心墻的瀝青配比情況，在粗細骨料配比一定的條件下，分別對瀝青含量B為8.5%、10.5%及12.50-/0的瀝青混凝土試件進行三軸蠕變試驗，研究溫度T及偏應力S對蠕變特性的影響，分析其變化規(guī)律;在三維空間，針對溫度、瀝青含量及偏應力不同組合所形成的復雜條件，建立三維狀態(tài)下瀝青混凝土蠕變模型，以期為澆筑式瀝青混凝土的設計提供借鑒。

1 瀝青混凝土材料配比及樣品制備

1.1 材料配比

試驗采用膠結材料為勝利100#道路石油瀝青，密度為1.010 g/cm，針人度為8-11 mm，延度為80 -100cm，軟化溫度為46.0 - 49.5℃。礦料分別由填料、粗骨料及細骨料組成，填料（粒徑小于0.075 mm的礦粉）用人工砂在實驗室磨細而成，粗骨料（粒徑5. 000 -25.000 mm的碎石）由石灰?guī)r制成，細骨料（粒徑0.075 - 5.000 mm）采用人工砂。瀝青含量按瀝青占礦料總質量的百分數(shù)計，取3種瀝青含量，分別為8.5%、10.5%、12.5%，編號為B8.5、B10.5、B12.5，礦料配合比見表1。

1.2 試驗樣品的制備

依據(jù)《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》（ DL/T 5362-2006）制備三軸試驗試件，試件直徑為100 mm，高為200 mm。試件成型按照“瀝青混合料試件成型方法（靜壓法）”進行[12-13]，首先，將烘干的粗細骨料及礦粉按表1給定的配合比稱重，分別裝入搪瓷器皿中放人烘箱預熱，粗細骨料及礦粉預熱溫度控制在（170 +5）℃，同時將成型試件所用模具在（170+5）℃預熱，在另一烘箱將石油瀝青加熱到拌和溫度160℃?zhèn)溆茫喝缓螅瑢㈩A熱好的材料立即放人溫度為200 ℃左右的拌和鍋內，拌和均勻，再將均勻拌和的瀝青混合料分3層裝入經(jīng)過預熱的三軸試件模具，每層均用力沿周邊插搗15次、中間插搗10次，使其初步密實;最后，將裝有混合料的試模及墊塊一并置于壓力機上加壓至1 MPa后撤去墊塊，再逐漸均勻加載至要求的試件高度，并維持3 min后卸荷，待溫度降至50 - 60℃脫模，脫模后的試件需要放置于通風良好的室內，自然冷卻24 h備用。

2 試驗裝置和試驗方法

2.1 試驗裝置

（1）三軸蠕變試驗系統(tǒng)。瀝青混凝土材料蠕變試驗是在SY250-2型高壓三軸蠕變壓縮儀上進行的，該儀器可進行直徑φ為15、10 cm的粗料土和混凝土三軸蠕變試驗，最大軸向出力P= 250 kN，周圍壓力為0-2.5 MPa.軸向力加荷系統(tǒng)可以采用應變控制及應力控制，其中應力控制是通過杠桿比為1：12的加壓框架系統(tǒng)施加穩(wěn)定軸向力，實現(xiàn)不同應力狀態(tài)下的三軸蠕變試驗。

（2）試驗溫度控制系統(tǒng)。溫度對瀝青混凝土蠕變特性有顯著影響，因此試驗設備安裝在恒溫的室內，室內安裝有溫度控制系統(tǒng)，可以保證試驗環(huán)境溫度與試驗設定溫度接近。此外，為了準確控制試驗溫度并保證試驗溫度穩(wěn)定.SY250-2型三軸壓縮蠕變儀專門配置了LSY型溫度控制系統(tǒng)，試驗前通過數(shù)顯溫度計監(jiān)視壓力室內的溫度變化，待壓力室液體溫度達到試驗溫度后進行試驗，試驗過程中確保壓力室液體溫度變化范圍不超過規(guī)定溫度的+0.5℃。

2.2 試驗參數(shù)選擇

在瀝青含量一定的情況下，應力狀態(tài)及溫度是澆筑式瀝青混凝土蠕變特性的主要影響因素。對于三軸蠕變試驗的應力狀態(tài)，軸向應力σ1與側向壓力σ3需同時施加，且二者有固定的比例關系，本試驗03/σ1=0.3。澆筑式瀝青混凝土適用于寒冷地區(qū)土石壩防滲心墻的施工，寒冷地區(qū)瀝青混凝土心墻運用期工作溫度一般為2-10℃，為研究瀝青混凝土正常工況下的蠕變特性，在其工作溫度范圍內選擇兩個試驗溫度，即5℃和10℃。由于溫度對瀝青混凝土力學性質有著重要影響，因此瀝青混凝土心墻正常工作溫度外的工程穩(wěn)定性也是值得考慮的問題，結合室內試驗條件，第三個試驗溫度設定為15℃。

2.3 試驗方法

在三軸蠕變試驗中，對瀝青含量為8. 5%、10. 5%、12.5%的試件分別在溫度T=5、10、15℃條件下進行三軸蠕變試驗，試件選取3種受力狀態(tài)，即：U3=0.15MPa、σ1 =0.50 MPa，03 =0.30 MPa、σl=1.00 MPa，σ3=0 MPa、σ1=1.00 MPa，各受力狀態(tài)下的加載時間t為100、500、2 000 min。

2.4 試驗分組

綜上所述，對3種瀝青含量的瀝青混凝土，分別在3種溫度、3種應力狀態(tài)及不同加載時間下進行三軸蠕變試驗，從而得到不同瀝青含量、不同溫度及不同應力條件下瀝青混凝土的蠕變特性。根據(jù)所研究的3種影響因素不同組合情況，每個瀝青含量下均需要制備9個瀝青混凝土試樣，且3個試樣為一組，分為3組，3種瀝青含量共計9組試樣。

3 試驗結果分析

3.1 偏應力對瀝青混凝土試件蠕變的影響

材料蠕變是恒定應力作用下，材料在一定時期所產(chǎn)生的彈塑性變形。瀝青混凝土材料蠕變試驗方法一般有單軸壓縮法和三軸壓縮法，從瀝青混凝土心墻受力方式來看，符合三向受力狀態(tài)，因此按微單元體理論，采用三軸壓縮法研究不同偏應力作用下的蠕變特性是合理的。

朱晟等[6-7，11]研究指出，偏應力對瀝青混凝土試件蠕變的影響隨溫度及瀝青含量的不同而不同，同一溫度下，瀝青含量越高，隨偏應力的增大蠕變增加幅度越大。瀝青含量為10.5%的試件在溫度為5、10、15℃條件下的蠕變ε與偏應力S關系曲線見圖1，由圖1可知：不同溫度及不同加載時間下，瀝青混凝土的蠕變均隨偏應力的增大而增大;在溫度為5、10℃時蠕變與偏應力成線性關系，溫度為15℃時由線性轉變?yōu)榉蔷€性，且隨著偏應力的增大，曲線形態(tài)由陡趨緩。其原因是，瀝青混凝土在不同溫度段具有不同的物理特性，溫度為5-10℃時，由于其具有塑黏性，因此蠕變隨偏應力的增大成線性增大關系：溫度為10 - 15℃時，材料黏性增大，塑性減小，蠕變隨偏應力的增大成非線性關系，并且瀝青在該溫度下的黏塑性導致蠕變對偏應力的敏感度降低，隨著偏應力的增大，蠕變增大的幅度減小。

3.2 瀝青含量對瀝青混凝土蠕變的影響

澆筑式瀝青混凝土混合料一般瀝青含量較高，瀝青材料用量除充滿全部骨料孔隙外，還必須有富余，以保證施工中混合料具有一定流動性、自重壓實性。宋日英等[8，10-11]指出，混合材料在滿足上述要求的前提下，應選擇較小的瀝青配比，以保證其蠕變較小。

偏應力S為0.70 MPa，溫度為5、10、15℃條件下，試件蠕變與瀝青含量關系曲線見圖2。3種溫度下蠕變有著相同的變化規(guī)律，蠕變隨瀝青含量的增加而增大，且瀝青含量為10.5% - 12.5%時蠕變增大的速率遠大于瀝青含量為8.5% - 10.5%的，曲線形態(tài)因此呈現(xiàn)出由緩變陡的趨勢，且在溫度較高及加載時間較長時，這種趨勢更加明顯。這主要是瀝青混凝土中瀝青膜厚度不同引起的，瀝青含量較低時瀝青膜厚度薄，瀝青含量高時瀝青膜厚度厚。瀝青膜較薄時，骨料之間存在相互摩擦力，在恒定偏應力作用下，骨料之間難以滑動，因此蠕變較小;瀝青膜較厚時，由于瀝青的潤滑作用，因此蠕變較大。溫度較高時，蠕變隨瀝青含量的增加，其增大幅度加大，是瀝青的高度溫度敏感性引起的。

3.3 溫度對瀝青混凝土試件蠕變的影響

朱晟等[6，11]研究指出，不同溫度條件下，瀝青混凝土蠕變受溫度的影響不同。瀝青含量B=8.5%、10.5%、12.5%時試件蠕變與溫度關系曲線見圖3。由圖3可以看出，3種瀝青含量的瀝青混凝土，蠕變均隨著溫度的升高而增大，且瀝青含量越高，隨溫度的增加蠕變增大的幅度越大，這與瀝青混凝土不同溫度下物理狀態(tài)不同有關。當偏應力為1 MPa，溫度為10。15℃時，隨溫度的升高蠕變增大的幅度趨于穩(wěn)定，這與瀝青混凝土蠕變的受力狀態(tài)及其溫度敏感性有很大關系。在較高溫度下，圍壓σ3的存在能夠減緩蠕變的發(fā)展速率，而偏應力為I MPa時，試驗圍壓σ3設定為0 MPa.導致此應力狀態(tài)下，溫度為5- 10℃時蠕變隨溫度升高快速增大，在溫度為10℃時相對其他應力狀態(tài)，較早出現(xiàn)了蠕變快速增長階段與穩(wěn)定增長階段的拐點，從而引起溫度為10～15℃時，蠕變增大幅度減小，蠕變對溫度敏感性變弱，因此該應力狀態(tài)下的曲線形態(tài)與另外兩個應力（ 0.35、0.70 MPa）狀態(tài)下的曲線形態(tài)明顯不同。

4 復雜因素下瀝青混凝土蠕變模型

瀝青混凝土蠕變特性影響因素較多[6-9].其中主要影響因素為偏應力、瀝青含量及溫度，上文雖然分別研究了這3種因素改變對蠕變的影響，但瀝青混凝土蠕變往往受到多因素的共同影響，因此在三維狀態(tài)下建立瀝青混凝土蠕變模型，進行組合因素下的蠕變特性研究，從而為瀝青混凝土設計及穩(wěn)定計算提供參考。

根據(jù)試驗結果得出偏應力、瀝青含量與瀝青混凝土試件蠕變三者之間的關系曲面見圖4（a）。在Matlab軟件中，采用多種方程對關系曲面進行擬合，經(jīng)反復比較其擬合度，最終確定LogisticCum公式為最優(yōu)選擇。通過該公式對試驗數(shù)據(jù)進行曲面擬合，得到瀝青混凝土試件在不同偏應力和瀝青含量條件下蠕變模型表達式：式中：x為偏應力;y為瀝青含量;z為蠕變;z、b、c、d、e f為擬合參數(shù)，z0=0.270 32，6=2 082. 435 32，c=0.763 24，d= 0.272 83，e=21.455 09，=1.680 32。

模型擬合度為0.998。根據(jù)式（1）重新繪制偏應力、瀝青含量與蠕變的關系曲面，見圖4（b）。通過兩圖比較可以看出，其相似度非常高，模型表達式得到了驗證。

根據(jù)試驗結果得出瀝青含量、溫度與混凝土試件蠕變三者之間的關系曲面見圖5（a）。同樣通過Matlab軟件中LogisticCum公式對試驗數(shù)據(jù)進行曲面擬合，得到瀝青混凝土試件在不同瀝青含量和溫度條件下蠕變模型表達式，表達式形式與式（1）相同，其中z為瀝青含量、y為溫度、z為蠕變，z。=0.357 5、b=3 134.362 46、c=0.214 2、d=0.016 03、e=13.437 82，=6.069 84，擬合度為0.999。通過模型表達式，繪制關系曲面，見圖5（b）。模型曲面與試驗曲面相似度非常高，模型公式得到了驗證。由此可以看出，通過上述方法及公式所建立的三維狀態(tài)瀝青混凝土蠕變模型，對于描述瀝青含量、溫度及偏應力所組成的復雜影響因素與瀝青混凝土蠕變的三維關系是適用的。

5 結論

澆筑式瀝青混凝土是現(xiàn)代水利工程防滲心墻的主要材料，采用三軸壓縮蠕變試驗研究偏應力對蠕變的影響符合防滲心墻的受力狀態(tài)。經(jīng)研究可以得出以下結論：

（1）在不同溫度條件下，瀝青混凝土蠕變均隨偏應力的增大而增大，在10℃以下時成線性變化，溫度為15℃時成非線性變化，且加載時間越長蠕變越大。

（2）在一定偏應力作用下，不同溫度的瀝青混凝土蠕變均隨瀝青含量的增加而增大，且瀝青含量為10.5%～12.5%的蠕變增大幅度遠大于瀝青含量為8.5% - 10.5%的，這與不同瀝青含量下瀝青膜的厚度有關。

（3）溫度對瀝青混凝土蠕變會產(chǎn)生較大影響，但不同條件下，溫度對其影響程度不同，瀝青含量高的，溫度對蠕變影響程度大于瀝青含量低的;偏應力大時，溫度對蠕變的影響也較大。

（4）不同偏應力、瀝青含量及溫度條件下進行蠕變影響因素組合，在三維狀態(tài)下建立兩種影響因素組合下的瀝青混凝土蠕變的曲面關系，通過LogisticCum公式對試驗數(shù)據(jù)進行曲面擬合，分別得到蠕變與不同偏應力和瀝青含量、蠕變與不同瀝青含量和溫度條件下的三維模型表達式，經(jīng)過驗證，模型曲面與試驗曲面相似度非常高。

參考文獻：

[1] 王為標，孫振天，吳利言，瀝青混凝土應力一應變特性研究[J].水利學報，1996，17（5）：1-8.

[2] 祁世京，土石壩碾壓式瀝青混凝土心墻施工技術[M].北京：中國水利水電出版社，2000：28-31.

[3]

LEE H J，KIM Y R.Viscoelastic Constitutive Model for As-phalt Concrete Under Cyclic Loading[ J]. Joumal of Engi-neering Mechanics， 1998， 124（1）：32-40.

[4]何曉民，瀝青混凝土三軸應力條件下的力學特性[J].長江科學院院報，2000，17（2）：37-40.

[5] 李志強，張鴻儒，侯永鋒，等，土石壩瀝青混凝土心墻三軸力學特性研究[J].巖土力學與工程學報，2006，25（5）：997-1002.

[6]朱晟，徐騫，王登銀，瀝青混凝土的增量蠕變模型研究[J].水利學報，2011，32（2）：192-197.

[7] 陳宇，姜彤，黃志全，等，溫度對瀝青混凝土力學特性的影響[J].巖土力學，2010，31（7）：2192-2196.

[8]宋日英，李明霞，陳宇，瀝青含量對澆筑式瀝青混凝土力學特性的影響[J].人民長江，2011，42（10）：83-86.

[9] 葉永，王鳳，蔡宜洲，配合比參數(shù)對澆筑式瀝青混凝土性能影響研究[J].三峽大學學報（自然科學版），2014，36（3）：71-74.

[10] 宋日英，南東梅，陳宇，澆筑式瀝青混凝土的原材料與配合比選擇[J].鐵道建筑，2012（4）：142-144.

[11]張偉，黃斌，張本蛟，水工室溫瀝青混凝土工程特性試驗研究[J].水利學報，2015，46（增刊1）：27-33.

[12] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會，水工瀝青混凝土試驗規(guī)程：DUT 5362-2006[S].北京：中國電力出版社，2007：77-78.

[13] 中華人民共和國水利部，水工瀝青混凝土施工規(guī)范：SL514-2013[S].北京：中國水利水電出版社，2013：7-15.

【責任編輯呂艷梅】