壓實方法對水工建筑物中瀝青混凝土特性的影響（上）

1、<p>　　壓實方法對水工建筑物中瀝青混凝土特性的影響（上）</p><p>　　摘要：用于水工建筑物防滲的瀝青混凝土具有彈性和韌性，可以避免由于差異位移和剪力變形造成的膨脹、開裂及滲漏，瀝青混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變-強度特性，明顯取決于配合比及配合材料的特性，然而在很大程度上也取決于為達到規(guī)定密度（空氣孔隙率）而采用的壓實方法。本文通過對4種不同方法壓實至同一初始密度的試驗室試樣以及由振動碾壓實的瀝青混凝土

2、大壩心墻中鉆取的現(xiàn)場試樣進行三軸試驗，并比較試驗結(jié)果對此予以研究。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：壓實方法 水工建筑物 瀝青 混凝土 特性 影響 </p><p>　　瀝青混凝土可用于多種水工建筑物防滲，諸如大壩、堤、水庫及渠道。用于大壩時，防滲部分可能由上游面襯砌或內(nèi)部心墻組成，其瀝青混凝土中瀝青含量比公路和機場鋪面所用的瀝青混凝土中瀝青含量高，并且通常被壓實至某一密度，使其空氣孔隙率小

3、于3%。</p><p>　　水工建筑物中所用瀝青混凝土的最重要的工程特性是其澆注和壓實期間的施工性能，不透水性以及可避免因不良的現(xiàn)場應(yīng)力和變形條件而產(chǎn)生開裂的彈性與韌性。瀝青混凝土的粘稠性使其具有優(yōu)越的裂隙自愈能力。</p><p>　　當(dāng)設(shè)計瀝青混凝土配比時，其應(yīng)力-應(yīng)變特性由試驗室壓實的三軸試樣確定。這些特性經(jīng)常用于比如分區(qū)土石壩的有限元分析以確定瀝青混凝土心墻和相鄰漸變區(qū)中的應(yīng)力和

4、變形。</p><p>　　以對照為目的，從現(xiàn)場壓實的瀝青混凝土中取出原狀樣，以確?，F(xiàn)場特性滿足基于試驗室試樣的設(shè)計規(guī)程。在進行此項比較時發(fā)現(xiàn)盡管現(xiàn)場和試驗室的瀝青混凝土完全一樣，而且，所用試樣的密度也相同，但現(xiàn)場取芯試樣和試驗室制備試樣的應(yīng)力-應(yīng)變特性卻可能截然不同。</p><p>　　觀察到含有瀝青混凝土心墻的土石壩與上述現(xiàn)場試樣及試驗室試樣間的差異。比如奧地利的Finstertal

5、大壩[1998.6]，南非的Greater Ceres大壩[1997]及中國的Maopingxi大壩，后者現(xiàn)在作為三峽工程的一部分正在施工。這種現(xiàn)象帶來了不確定性并受到關(guān)注，但還沒有人對其系統(tǒng)地進行研究并給予滿意的解釋。</p><p>　　本文所述研究范圍如下：</p><p>　　·確定試驗室壓實方法對三軸應(yīng)力—應(yīng)變—強度特性的影響；</p><p>

6、　　·比較試驗室壓實和現(xiàn)場壓實瀝青混凝土的應(yīng)力——應(yīng)變特性，并解釋材料特性的差異；</p><p>　　·推薦所產(chǎn)生的應(yīng)力——應(yīng)變特性和現(xiàn)場振動碾壓實法所得的應(yīng)力——應(yīng)變特性最為相似的一種試驗室壓實方法。</p><p>　　1 本研究所用的瀝青混凝土配合比</p><p>　　整個研究過程中瀝青混凝土配合比及配合材料性質(zhì)均保持不變。骨料顆粒粒徑

7、分布服從Fuller分布： </p><p>　　式中Pi為小于等效粒徑顆粒所占重量百分比，di（見表1）最大粒徑限制在16mm，和通?，F(xiàn)場應(yīng)用一樣。骨料為壓碎的石灰?guī)r（比重為2.72），填料由石灰?guī)r粉末組成（比重為2.74）?？偟奶盍虾浚ǎ?.075mm＝為礦物重量的12%。所用瀝青為B180級，相當(dāng)軟，由85.5%的B85和14.5%的MB1000組成。瀝青含量為總重量的6.7%（為礦物重量的7.2%）&l

8、t;/p><p><b>　　2 不同的壓實方法</b></p><p>　　2.1 試驗室試樣壓實</p><p>　　試驗室三軸試樣是在一個直徑為101.6mm的模子中制備的。這樣，其壓實模子直徑相同，但高度大得多。干骨料和填料的重量比見表1，并在160℃下預(yù)熱4小時。瀝青在145℃下預(yù)熱2小時。（對于粘滯性較高發(fā)瀝青如B60要用較高的溫度預(yù)熱

9、）將熱骨料和瀝青置于拌和機中，并將裝有此混合物的罐加熱5分鐘。在140—150℃的溫度下將混合物澆注到已預(yù)熱的圓筒狀模子中壓實，圓筒內(nèi)徑為101.6mm，等于要測試的三軸試樣的直徑。經(jīng)壓實并冷卻后，將試樣從模子中取出。在5℃下冷卻10小時，并用鋸將長度修整為200mm。</p><p>　　用4種試驗室壓實方法制備試樣，并達到相同的規(guī)定密度：</p><p>　　·Marshal

10、l（馬歇爾）方法，使用標(biāo)準(zhǔn)錘壓實；</p><p>　　·持續(xù)軸向荷載振動壓實；</p><p>　　·通過不斷施加軸向承壓力而靜態(tài)壓實；</p><p><b>　　·旋轉(zhuǎn)器方法；</b></p><p><b>　　以下分別介紹：</b></p>&l

11、t;p>　　Marshall方法：</p><p>　　瀝青混凝土分四層逐層壓實，每層最初約為60mm厚，每層用標(biāo)準(zhǔn)Marshall錘30擊壓實（每秒一擊）。擊實錘有一個平的圓形搗實面，直徑為98.4mm，重4.5公斤，落距為457mm。在路面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)Marshall試驗中，試樣最終高度為63.5mm，單層澆注，并且在試樣的頂部和底部表面都錘擊75次。</p><p><b&g

12、t;　　振動壓實方法：</b></p><p>　　將瀝青混凝土分為四層，逐層澆注，每層約60mm，用一個重70kg，頻率為50Hz，具有直徑96.8mm的圓形平面承載板振搗器壓實30s。</p><p><b>　　靜態(tài)壓實方法：</b></p><p>　　將瀝青混凝土分為四層，逐層澆注，每層約60mm，用一個具有子彈頭狀凸頭，

13、直徑為10mm的鋼桿，每層貫入25次，以整平各層并使混凝土內(nèi)空氣排出。當(dāng)四層都已澆注后，將一直徑為98.4mm平的鋼性鋼盤，置于模子中圓柱狀試樣的頂部。接著施加軸向力2分鐘。本研究加在試樣上的軸向應(yīng)力為15Mpa，第7部分所述試樣除外。</p><p><b>　　旋轉(zhuǎn)器法：</b></p><p>　　模子被單層填充（厚230—250mm），然后在模子繞其豎直軸線做

14、圓周運動，在轉(zhuǎn)過一個小角度（2—3°）的同時，施加一個軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力的組合以壓實混凝土拌合物。軸向應(yīng)力下的剪位移對粒狀材料而言是一種非常有效的壓實方法，當(dāng)混凝土密度達到規(guī)定容重（空氣孔隙率）時停止壓實。市面上可用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，軸向應(yīng)力可由0.05到0.9Mpa不等，旋轉(zhuǎn)頻率在12—40rpm之間。制備本次試驗所用試樣的軸向應(yīng)力為0.4Mpa，頻率為30rpm。</p><p>　　2.2 現(xiàn)場壓實方法&

15、lt;/p><p>　　現(xiàn)場試樣（直徑100mm）從專門為此項目修建的現(xiàn)場試驗區(qū)中被小心地鉆取出來，并切成高度為200mm的柱。15m長的試驗段模擬土石壩中0.5m寬瀝青混凝土心墻的條件，包括心墻兩側(cè)1.5m寬的漸變區(qū)。瀝青混凝土的澆注和壓實設(shè)備與實際大壩中所用相同。瀝青混凝土分層澆注，每層約24cm厚。壓實后縮小至20cm。瀝青混凝土由0.8t振動碾沿壩軸線壓實，采用3遍振動2遍不振動的方法。</p>

16、<p><b>　　3 三軸試驗過程</b></p><p>　　在所有試驗中，試驗過程和條件均相同。從5℃的冷卻室中取出試樣，將其裝入溫度保持在5℃的人工氣候室內(nèi)的三軸壓力室中。所有試樣的初始空氣孔隙率都為1%，但與規(guī)定的孔隙率有一些偏差是在所難免的，如表2所示。</p><p>　　三軸壓力室中注滿除汽水。所有試驗為壓縮試驗，施加軸向位移（應(yīng)變控制）

17、保持頸項周圍壓應(yīng)力恒定且為1Mpa。施加的軸向應(yīng)變速率為每小時2%（每分鐘0.067mm）。軸向應(yīng)力、軸向位移及體積應(yīng)變的值可根據(jù)整個試驗過程中測得的軸向力、位移及體積變化而獲得。</p><p>　　本文所述試驗中的瀝青混凝土試樣沒有套上不透水膜，三軸壓力室中的水直接作用于瀝青混凝土表面。在挪威巖土工程研究所的出版物中比較了套橡膠模和不套橡膠模的實驗結(jié)果。在應(yīng)力水平低于峰值強度并且試樣中裂隙尚未張開時，應(yīng)力-

18、應(yīng)變特性的差別不明顯，然而在峰值之后區(qū)域，這種差別就顯著了。</p><p>　　4 三軸試驗結(jié)果的比較和說明</p><p>　　表2給出了試樣參數(shù)及三軸壓縮試驗結(jié)果的概要。軸差應(yīng)力為（σa-σr）對軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變對軸向應(yīng)變的曲線分別見圖1，圖2。σa指軸向應(yīng)力，σr指徑向周圍應(yīng)力，其值在整個試驗中保持1MPA不變。每種壓實方法需制備3個試樣。圖3所示為用5種方法壓實試樣的平

19、均應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其中4種為實驗室壓實，一種為現(xiàn)場壓實。表2給出了平均值概要。表中所提彈性模量的值為軸向應(yīng)變接近1%時的正割值。</p><p>　　結(jié)果表明用不同壓實方法制備的瀝青混凝土試樣顯示出非常不同的應(yīng)力—應(yīng)變—強度特性。盡管它們用同一種材料制成，使用相同的配合比并壓實至近乎同一種密度（空氣孔隙率）。盡管用旋轉(zhuǎn)器壓實法所得試樣的平均最初孔隙率實際上比其它組試樣的大一些，但是用旋轉(zhuǎn)器法壓實的試樣卻有高得多的

20、強度和剛度（圖3）。</p><p>　　用其余三種實驗室壓實方法壓實的試樣與現(xiàn)場試樣的強度差別不大，但破壞時的彈性模量和軸向應(yīng)變差別較大，軸向應(yīng)變接近1%的正割彈性模量從采用靜態(tài)壓實時的100MPA到現(xiàn)場震動壓實時的50MPA和馬歇爾法測定壓實的40MPA不等。破壞時相應(yīng)的三組平均軸向應(yīng)變分別為7%，18%和14%。采用旋轉(zhuǎn)壓實的試樣正割彈性模量約為300MPA，破壞時的軸向應(yīng)變?yōu)?%。此外采用旋轉(zhuǎn)器法壓實的試

21、樣顯示峰值過后應(yīng)變減弱，而其它方法壓實的試樣具有柔韌的特性。（當(dāng)三軸試驗采用橡膠膜套住試樣時這種強度上的減小不太明顯，如附錄所述）。</p><p>　　圖3也表明了平均體積應(yīng)變對軸向應(yīng)變的特性。不同的試樣組差別很大?，F(xiàn)場取芯試樣的平均曲線其軸向應(yīng)變達到約6%并開始膨脹（體積膨脹），而旋轉(zhuǎn)器壓實的試樣在軸向應(yīng)變達1%時就開始膨脹。除用旋轉(zhuǎn)器法壓實的試樣以外，可以看出，實驗室壓實試樣均承受非常小的體積壓力，比現(xiàn)場取