孫益松，周松松，葉柏陽

(1.江蘇淮源工程建設(shè)監(jiān)理有限公司， 江蘇 淮安 223005 ，2.淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

水利工程中瀝青混凝土材料應(yīng)用較為廣泛，其穩(wěn)定性與高強(qiáng)度特點(diǎn)在許多水利工程建設(shè)中得到良好應(yīng)用，但不可忽視水利工程特殊性，面臨水環(huán)境，特別是在一些濱海區(qū)域，甚至面臨濃度差異性顯著的海水環(huán)境，因而研究瀝青混凝土材料在不同水質(zhì)環(huán)境下其強(qiáng)度變形特性具有重要作用[1-3]。國內(nèi)外已有很多學(xué)者在室內(nèi)巖石力學(xué)基礎(chǔ)上，以混凝土材料開展室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)研究，探討其單軸、三軸等試驗(yàn)條件下破壞特性，為認(rèn)識(shí)瀝青混凝土材料提供重要試驗(yàn)依據(jù)[4-6]。當(dāng)然另一方面瀝青混凝土亦是一種顆粒固結(jié)狀材料，以顆粒流軟件設(shè)計(jì)開展混凝土試樣變形應(yīng)力分析，可模擬出較復(fù)雜工況下瀝青混凝土力學(xué)狀態(tài)，進(jìn)而為工程應(yīng)用設(shè)計(jì)提供重要參考[7-9]。本文設(shè)計(jì)不同濃度水質(zhì)環(huán)境，經(jīng)過不同浸泡時(shí)間，研究瀝青混凝土材料強(qiáng)度變形受水質(zhì)環(huán)境、浸泡時(shí)間等影響[10-11]，進(jìn)而提升瀝青混凝土材料在水利工程中應(yīng)用水平。

1 材料與方法

1.1 研究方案

江蘇東部某沿海地區(qū)需建設(shè)堤防工程，降低海水對(duì)沿海公路磨耗影響，為此采用水工瀝青混凝土作為堤防護(hù)坡主材料。考慮工程實(shí)際環(huán)境設(shè)計(jì)開展不同水質(zhì)浸泡條件下瀝青混凝土穩(wěn)定性，第一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)設(shè)定三組不同浸泡環(huán)境，模擬海水條件下堤防工程混凝土材料水穩(wěn)定性，其中1#方案水質(zhì)為60 ℃常規(guī)濃度a的海水，瀝青混凝土材料浸泡時(shí)間為48 h；2#方案同樣浸泡溶液，但浸泡時(shí)間為96 h；3#方案的浸泡溶液與前兩方案一致，浸泡時(shí)間為144 h。另為探討不同濃度水質(zhì)環(huán)境下瀝青混凝土材料穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)兩組與第一個(gè)試驗(yàn)浸泡溶液濃度有差異的水環(huán)境，在1#方案基礎(chǔ)上，增大海水濃度3倍，其他試驗(yàn)參數(shù)均與之一致，為4#方案；再在1#方案基礎(chǔ)上，增大濃度5倍，其他參數(shù)與1#方案一致，此為5#方案。每個(gè)方案所參與試驗(yàn)試樣數(shù)量至少3個(gè)，各研究方案如表1所示。

表1 各研究方案

1.2 試驗(yàn)方案及步驟

根據(jù)工程現(xiàn)場調(diào)查，并結(jié)合最佳配合比試驗(yàn)研究，獲得該堤防工程中瀝青混凝土材料配合比重油石比參數(shù)為6.8%、級(jí)配指數(shù)為0.39、摻合料用量為12%，按照最佳配合比，在室內(nèi)試驗(yàn)室內(nèi)制作出精加工后代表試樣，如圖1所示。制作好的試樣全部統(tǒng)一養(yǎng)護(hù)24 h后，按表1研究方案中浸泡濃度與浸泡時(shí)間，完成海水模擬環(huán)境浸泡，如圖2所示，另為減弱粗細(xì)骨料對(duì)海水溶液吸收程度，將試樣上下以鐵絲綁扎。

圖1 精加工后代表試樣

圖2 浸泡中試樣

完成浸泡步驟后，以混凝土材料試驗(yàn)機(jī)開展單軸破壞特性試驗(yàn)，該試驗(yàn)機(jī)為液壓式材料綜合試驗(yàn)系統(tǒng)，最大加載荷載可達(dá)1000 kN，以電腦程序控制加載速率，可采用位移控制加載與荷載控制加載方式，另可模擬不同環(huán)境溫度下單軸力學(xué)試驗(yàn)，模擬溫度為-15～60 ℃，其中力傳感器測試精度為0.05%，變形傳感器測試范圍為-10～10 mm，在開始測試前均已對(duì)所有測試傳感器標(biāo)定，降低誤差對(duì)試樣結(jié)果干擾。本文單軸實(shí)驗(yàn)中，加載方式為變形控制，速率為0.0035 mm/s，采集間隔為1 s，具體試驗(yàn)操作步驟如下：

(1)設(shè)定材料試驗(yàn)機(jī)環(huán)境溫度為22 ℃，將浸泡后試樣放入試驗(yàn)艙內(nèi)，待12 h后開始單軸力學(xué)試驗(yàn)。

(2)以變形控制加載速率，同步采集應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，并可實(shí)時(shí)觀測應(yīng)力應(yīng)變曲線變化，待試樣出現(xiàn)失穩(wěn)破壞后，結(jié)束采集，并停止試驗(yàn)。

(3)將破壞試樣從試驗(yàn)艙內(nèi)取出，重復(fù)上述步驟進(jìn)行第二塊試樣試驗(yàn)。

2 瀝青混凝土水穩(wěn)定特性

針對(duì)瀝青混凝土水穩(wěn)定特性，本文提出以水穩(wěn)定系數(shù)表征混凝土試樣對(duì)海水吸收能力，水穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中：W1、W2分別指前后不同試樣強(qiáng)度參數(shù)值。

2.1 浸泡時(shí)間影響

根據(jù)各試驗(yàn)方案獲得混凝土試樣抗壓強(qiáng)度與水穩(wěn)定系數(shù)，如圖3所示。由圖3可知，在48 h下其平均抗壓強(qiáng)度值為1.425 MPa，而在普通淡水中浸泡相同時(shí)間，其強(qiáng)度基本無顯著變化，僅稍降低了0.5%，表明瀝青混凝土強(qiáng)度參數(shù)受淡水影響較小。當(dāng)采用海水溶液浸泡相同的時(shí)間，即1#方案所得到抗壓強(qiáng)度相比普通淡水浸泡下降低了2.3%，相同浸泡時(shí)間下海水對(duì)瀝青混凝土具有侵蝕效應(yīng)。對(duì)比不同浸泡時(shí)間下瀝青混凝土試樣抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)可知，隨浸泡時(shí)間增大，強(qiáng)度持續(xù)降低，其中浸泡時(shí)間為144 h時(shí)強(qiáng)度最低僅為1.288 MPa，從浸泡時(shí)間48 h至浸泡時(shí)間96 h強(qiáng)度降低幅度為2.2%，而浸泡時(shí)間自96 h增大至144 h時(shí)，強(qiáng)度降低幅度達(dá)5.2%，表明浸泡時(shí)間愈久，其強(qiáng)度受損愈顯著。分析表明，海水中鹽類化學(xué)元素易與瀝青混凝土摻合料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成混凝土試樣部分骨料析出沉降，減弱試樣承載能力；但另一方面，所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)速率較慢，需要時(shí)間與催化劑加快，因而當(dāng)浸泡時(shí)間愈長，則混凝土試樣受損愈大，故而強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間增長，耗損明顯。

圖3 試樣抗壓強(qiáng)度與水穩(wěn)定系數(shù)(浸泡時(shí)間)

從水穩(wěn)定系數(shù)表現(xiàn)來看，普通淡水浸泡下水穩(wěn)定系數(shù)基本接近1，即與恒溫空氣環(huán)境下基本無顯著差異，但浸泡溶液更換為模擬海水環(huán)境后，水穩(wěn)定系數(shù)基本呈階梯形降低，2#方案水穩(wěn)定系數(shù)為0.952，3#方案水穩(wěn)定系數(shù)相比前者降低了5.1%。

2.2 浸泡濃度影響

圖4為相同浸泡時(shí)間、不同濃度模擬海水環(huán)境下瀝青混凝土試樣強(qiáng)度參數(shù)與水穩(wěn)定系數(shù)變化曲線。從圖中可知，當(dāng)浸泡海水溶液濃度增大3倍后，其強(qiáng)度相比原濃度浸泡溶液降低了2.8%，僅為1.348 MPa，甚至相比常規(guī)恒濕環(huán)境中測定試樣的強(qiáng)度，降低幅度達(dá)5.4%；隨著浸泡溶液濃度增大5倍，其強(qiáng)度參數(shù)相比常規(guī)恒濕空氣中、原溶液濃度、3倍溶液濃度分別降低了10.1%、7.5%、4.9%，達(dá)到試驗(yàn)中強(qiáng)度參數(shù)測定最低值，為1.282 MPa；表明模擬海水溶液濃度愈高，則對(duì)瀝青混凝土侵蝕磨損特性愈顯著。分析此現(xiàn)象是由于當(dāng)浸泡溶液濃度增大，瀝青混凝土試樣摻合料中的鈣鎂等離子元素與溶液化學(xué)反應(yīng)加快，更易于沉淀析出，造成試樣強(qiáng)度較大降低。另從水穩(wěn)定系數(shù)變化可知，各浸泡溶液濃度試驗(yàn)方案下系數(shù)值均為直線性降低，且除浸泡溶液濃度為5a的水穩(wěn)定系數(shù)低于0.9，其他集中溶液濃度均高于0.9，水利工程規(guī)范指出[12]水工用混凝土材料水穩(wěn)定系數(shù)不低于0.9，故而浸泡溶液濃度為5a時(shí)不滿足水利工程要求規(guī)范。綜上可知，堤防工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮所面臨海水濃度，調(diào)整瀝青混凝土用料，減少混凝土材料強(qiáng)度受海水溶液削弱效應(yīng)。

圖4 試樣抗壓強(qiáng)度與水穩(wěn)定系數(shù)(浸泡濃度)

3 力學(xué)特性影響因素分析

3.1 浸泡時(shí)間-應(yīng)力應(yīng)變

為分析方便，本文以各試驗(yàn)方案組中典型代表試樣應(yīng)力應(yīng)變開展對(duì)比分析。圖5(a)為不同浸泡時(shí)間下瀝青混凝土試樣單軸壓縮破壞全過程應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖5(b)為各試樣峰值應(yīng)變、破壞應(yīng)變變化特征。從曲線整體變化特征可知，各試樣加載破壞過程均經(jīng)歷了彈性變形至塑性變形過渡過程，應(yīng)力水平以普通淡水浸泡方案下為最大，其峰值應(yīng)力為1.417 MPa，峰值應(yīng)變?yōu)?.22%，而相同浸泡時(shí)間下的海水浸泡溶液中的A48-1試樣峰值應(yīng)力相比前者降低了4.2%，但相對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?cè)龃罅?5.2%，且海水溶液浸泡下試樣變形曲線區(qū)段內(nèi)彈性直線變形段較短，其對(duì)應(yīng)的最大壓密應(yīng)力僅為0.32 MPa，相應(yīng)的應(yīng)變值為1.4%，而普通淡水下最大壓密應(yīng)力與對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值分別為0.72 MPa、2.6%；表明經(jīng)海水浸泡后，試樣彈性變形能力降低，塑性變形得到增強(qiáng)，混凝土試樣最大壓密應(yīng)力值亦降低，即海水溶液浸泡后造成試樣內(nèi)部晶體顆粒會(huì)發(fā)生較大移動(dòng)，海水溶液等離子元素進(jìn)入試樣內(nèi)部孔隙造成壓密應(yīng)力值降低；另固體顆粒析出，降低了混凝土試樣彈性變形能力，而更趨于塑性變形特性。普通淡水組中峰值應(yīng)力后試樣脆性破壞特征顯著，應(yīng)力降低幅度達(dá)21.9%，而在海水浸泡溶液中A48-1試樣達(dá)到峰值應(yīng)力后其應(yīng)力降低幅度僅為15.3%，此亦印證了海水溶液可助長混凝土試樣趨于應(yīng)變硬化特征。

圖5 力學(xué)特性曲線(浸泡時(shí)間)

對(duì)比三個(gè)不同浸泡時(shí)間下試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，隨浸泡時(shí)間增大，相同應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平逐漸降低，在應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，A144-1試樣應(yīng)力值相比A48-1試樣、A96-1試樣分別降低了38.2%、29.5%；另從峰值應(yīng)變可知，A144-1試樣破壞應(yīng)變?yōu)?1.05%，A96-1試樣相比前者降低了7.3%，即浸泡時(shí)間愈長，則試樣內(nèi)峰值應(yīng)變與破壞應(yīng)變?cè)酱?。分析表明，瀝青混凝土在海水溶液中浸泡時(shí)間愈久，則對(duì)海水中礦物離子顆粒吸收程度愈高，這些離子礦物顆?？杉訌?qiáng)試樣變形能力。從峰值應(yīng)力后表現(xiàn)亦可看出，當(dāng)浸泡時(shí)間愈久，峰值應(yīng)力后期應(yīng)變硬化特征愈顯著，A144-1試樣峰值應(yīng)力后期基本應(yīng)力無顯著變幅，但應(yīng)變?cè)龇^快，A96-1試樣峰值應(yīng)力后期應(yīng)力變化幅度為13.8%，浸泡時(shí)間不僅弱化瀝青混凝土應(yīng)力水平，且強(qiáng)化了混凝土試樣塑性變形能力，造成峰值應(yīng)力后期試樣破壞形式趨于應(yīng)變硬化。

3.2 浸泡濃度-應(yīng)力應(yīng)變

圖6為不同濃度海水模擬環(huán)境浸泡后典型試樣單軸破壞應(yīng)力應(yīng)變曲線，從中可看出，低濃度下混凝土試樣脆性破壞特征較高濃度顯著，且加載過程應(yīng)力水平與濃度值呈負(fù)相關(guān)變化，濃度a浸泡下A48-3試樣峰值應(yīng)力為1.381 MPa，而濃度5a浸泡下5A48-2試樣相比前者降低了10.8%。另比較四個(gè)試樣峰值應(yīng)變亦可知，5A48-2試樣破壞應(yīng)變?yōu)槟耸亲罡?，達(dá)10.97%，且其峰值應(yīng)力后期均處于應(yīng)變硬化過程，即塑性變形為其單軸破壞主導(dǎo)破壞，A48-3試樣峰值后期跌落較明顯，破壞應(yīng)變以高濃度浸泡下為最大，5A48-2試樣破壞應(yīng)變分別是A48-3、3A48-2試樣的1.11倍、1.05倍。分析表明，濃度值增大，可強(qiáng)化混凝土試樣塑性變形能力，降低其承載能力；從瀝青混凝土護(hù)坡工程應(yīng)用方面來看，海水濃度愈高區(qū)域，則更應(yīng)加固坡面，防止瀝青混凝土材料受損嚴(yán)重。

圖6 力學(xué)特性曲線(浸泡濃度)

圖7為3a濃度模擬海水浸泡過程中與浸泡完成后單軸破壞試驗(yàn)對(duì)比形態(tài)，單軸破壞后混凝土試樣體態(tài)最鮮明特點(diǎn)即是較為膨脹，即試樣吸收較多海水離子物質(zhì)，造成單軸破壞后表面裂紋較少，鼓狀性破壞形式；從高濃度浸泡后單軸破壞形態(tài)亦可知，高濃度下試樣更趨于應(yīng)變硬化，內(nèi)部裂紋貫通較少，均是發(fā)育較多細(xì)小裂隙，且局部裂紋方向與荷載方向垂直，進(jìn)一步降低了荷載促進(jìn)裂紋貫通作用，造成峰值應(yīng)力后期持續(xù)處于應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 破壞后形態(tài)對(duì)比圖

4 結(jié) 論

(1)研究了瀝青混凝土水穩(wěn)定性受浸泡時(shí)間影響，瀝青混凝土強(qiáng)度受淡水影響較小，但海水對(duì)其具有侵蝕效應(yīng)；浸泡時(shí)間增大，強(qiáng)度持續(xù)降低，且浸泡時(shí)間愈久，其強(qiáng)度受損愈顯著，浸泡時(shí)間48～96 h強(qiáng)度降低幅度為2.2%，而浸泡時(shí)間自96 h增大至144 h時(shí)，降低幅度達(dá)5.2%；水穩(wěn)定系數(shù)隨浸泡時(shí)間呈階梯形降低，3#方案水穩(wěn)定系數(shù)相比2#方案降低了5.1%。

(2)研究了瀝青混凝土水穩(wěn)定性受浸泡濃度影響，浸泡溶液濃度愈高，對(duì)瀝青混凝土侵蝕磨損特性愈顯著，濃度增大5倍，強(qiáng)度相比常規(guī)恒濕空氣、1倍濃度、3倍濃度分別降低了10.1%、7.5%、4.9%；5a濃度試樣水穩(wěn)定系數(shù)低于0.9，瀝青混凝土在該濃度液體環(huán)境中不適合使用。

(3)分析了試樣力學(xué)特征受浸泡時(shí)間影響特征，海水浸泡后，瀝青混凝土彈性變形能力降低，塑性變形增強(qiáng)；浸泡時(shí)間愈長，試樣峰值應(yīng)變與破壞應(yīng)變?cè)酱?，峰值?yīng)力后期應(yīng)變硬化特征愈顯著，但應(yīng)力水平愈低，A96-1試樣破壞應(yīng)變相比A144-1試樣降低了7.3%。

(4)獲得了浸泡濃度與試樣脆性破壞特征、應(yīng)力水平均為負(fù)相關(guān)， 濃度5a浸泡下5A48-2試樣相比濃度a下A48-3試樣降低了10.8%，破壞應(yīng)變以高濃度浸泡下為最大，5A48-2試樣破壞應(yīng)變分別是A48-3、3A48-2試樣的1.11倍、1.05倍；浸泡濃度增大，試樣單軸破壞形式趨于鼓狀破壞，表面無顯著貫穿裂紋。