马东1 秦玮2 李保中3
国核电力规划设计研究院 北京市 100095
摘要：本文的试验温度分别为5℃、10℃、15℃、20℃，采用沥青混凝土静三轴试验、单轴压缩和拉伸试验。其中以静三轴试验为主围压分别采取0.4 MPa、1.2 MPa，围压比较真实地反映出在实际工程中沥青混凝土的受力情况。沥青混凝土的单轴压缩和拉伸试验为辅助试验，主要是由于静三轴实验毕竟有一定的局限性，通过与辅助性试验的对比进而进一步完善在此一种配合比下的沥青混凝土的强度理论。
关键词：沥青混凝土强度；温度；破坏形式；静三轴试验
引言
沥青混凝土作为一种优越的防渗体，早在5000多年前就已经被应用到实际工程中。由于沥青混凝土具有较好的不透水性、柔性和粘附性，它很早就被应用于水利工程中[1，2]。沥青混凝土是利用胶凝材料(沥青)与骨料胶结而形成的混凝土。它的防渗性能好、施工方便，在现代水工建筑土石坝心墙得到广泛使用[3]，沥青的含量、温度以及骨料的级配都会对沥青混凝土材料力学特性产生较大影响，其中温度是难以控制的，它随着外部条件的变化而变化。因此，分析温度对沥青混凝土力学性能的影响的变化规律，这对沥青混凝土在不同环境温度下的应用有着重要意义。
沥青混凝土目前应用越来越广泛，但目前对沥青混凝土的性能还缺乏系统的深入的研究，例如，水工沥青混凝土的性能随温度的变化规律；沥青混凝土配合比初选时用何种试验能最好地体现其性质。本文为了探讨温度对沥青混凝土强度及破坏形式的影响，结合海南琼中抽水蓄能电站的设计配合比，选用实际工程实例来分析研究。在室内采用静三轴试验、单轴拉伸、压缩试验，记录在不同温度情况下沥青混凝土的应力应变特点，采用前人的研究思路并且扩大温度的变化范围对沥青混凝土的力学参数的分析，寻求沥青混凝土在试验条件变化的情况下各种力学参数的变化规律。[4,5]
1.沥青混凝土的组成及适用的强度理论
1.1沥青混凝土的结构
沥青混合料是指用沥青材料、骨料及沥青改性材料在一定温度条件下进行拌合，并使这些材料均匀分布却未经压实而形成的一种新的混合材料。通常情况下，它都是处在此常温状态高很多的高温状态，在经过碾压密实及冷却后成为的沥青混凝土。 [6]
1.2沥青混凝土的强度特征
沥青混凝土是一种粘弹塑性材料，其物理力学性能与环境、温度和荷载等各种因素密切相关。沥青混凝土材料属性为颗粒性材料，可认为沥青混凝土强度构成起源于两个方面：
（1）由于沥青而产生的粘聚力。
（2）由于骨料而产生的内摩阻力。
根据摩尔一库仑理论，材料任一平面的剪切应力τ为作用于该平面法向应力σ的函数，即：
τ=C+σ
式中：C为粘聚力； 为内摩擦角。
摩尔—库伦破坏理论引进了两个材料内在参数C、φ值作为强度理论的分析指标，其一般表达式为：
σ1-σ3=（σ1+σ3）sin +2Ccos
式中：σ1为最大主应力；σ3为最小主应力。[8]
1.3影响沥青混凝土强度的因素
影响沥青混凝土抗剪强度的主要因素有以下六个:
(1)温度和速率的影响
(2)矿质集料
(3)矿料表面性质的影响
(4)矿料表面积的影响
(5)沥青用量的影响
2沥青混凝土材料配比、样品制备和实验方法
2.1沥青材料部分
沥青材料的各项物理性质如下：
沥青名称 中海油AH-70#沥青
针入度（25℃,0.1mm） 64.2
软化点（℃） 52.5
延度（15℃,5cm/min） 196.5
密度（20℃，g/cm3） 1.035
薄膜烘箱试验后（163℃,5h）
质量损失（%） 0.024
针入度比（%） 70.1
软化点（℃） 升高+2.9
延度（15℃,5cm/min） 196.0（未变）
2.2矿质材料部分
（1）粗骨料
沥青混凝土用粗集料是指粒径大于2.36mm的碎石、破碎砾石和矿渣等。粗骨料的各项物理性质如下：
视比重（g/cm3） 2.720
吸水率（%） 0.447
粘附性（%） 5.0
压碎率（%） 9.557
坚固性（%） 1.237
抗热性 合格
酸碱性 碱性
（2）细骨料
沥青混凝土用细集料是指粒径小于2.36mm的天然砂、机制砂及石屑等。细骨料的各项物理性质如下：
表2-1 粒径小于2.36mm的细骨料筛分表
Table 2-1 of the fine aggregate particle size less than 2.36mm sieve table
注：矿料总量为100%，不同粒径按总重量的百分数计。
（3）填料
在沥青混凝土中起填充作用的粒径小于0.075二的矿质粉末称为填料。填料的各项物理性质如下：
比重（g/cm3） 2.722
亲水系数 0.556
含水率（%） 0.370
2.3材料配比
沥青混凝土配合比设计的任务是确定粗骨料、细骨料、矿粉和沥青相互配合的比例，使之既能满足沥青混凝土的技术要求又符合经济的原则。
沥青混合料配比如下表：
表2-2 沥青混合料配合比
Table 2-2 Asphalt Mixture
注：混合料总量为100%，不同粒径的骨料和沥青按总重量的百分数计
2.4样品制备及实验方法
按照沥青混凝土试验规程，成型三轴试验试件，试件直径为100mm，高为200mm。
根据沥青混凝土三轴试验要求，试验围压分别为σ3=0.4、1.2MPa下，温度分别在5、10、15、20℃条件下进行三轴试验，每组试验三个试件，试验取两个试件结果相近的平均值，共8组24个试件。本实验过程中考虑到不同温度和围压下每组试件的初始状态不同，所以采用不固结排水的方法，加载速度为0.2mm/min。[9]
3试验结果分析
由静三轴试验曲线可以看出，沥青混凝土应力应变曲线在达到破坏点前近乎双曲线，近似地拟合成Duncan--zhang双曲线模型，按E-μ模型进行回归，得到非线性参数可以看出，沥青混凝土应力应变曲线在达到破坏点前近乎双曲线，按（σ1）max与（σ3）max做应力圆与该两个应力圆相切的直线的截距C与倾角Φ见下表3-1:
表3-1 不同温度下的试验参数
Table 3-1 test parameters at different temperatures
图3-2 应力应变曲线（σ3=1.2MPa）
Figure 3-2 Stress-strain curve (σ3 = 1.2MPa)
通过对统一配比，相同围压，不同的试验温度下应力-应变曲线（图3-1）分析得知：随着温度的升高，应力-应变曲线的弹性段愈加缓和，达到峰值时的破坏应力也越来越小；随着温度的升高，沥青混凝土试件的试验时间也越来越长，说明温度越高沥青混凝土的蠕变越来越明显，由应力-应变曲线可知，5℃时试件呈现明显的脆性破坏，应力-应变曲线有明显的峰值，并且峰值点出现在应变较小的时候，在峰值后随着应变的增加，应力急剧下降，试件呈现了明显的脆性破坏的特征，这种现象称为应力软化[10]，20℃时试件则明显的呈现延性破坏，应力-应变曲线无明显的峰值。
由图3-2可知沥青混凝土采用当前的材料配比在5℃、10℃时都呈现的是脆性破坏形式，而15℃、20℃时呈现的是明显的延性破坏形式。可知，在当前的实验条件下，10-15℃为沥青混凝土破坏形式的分界点。以上现象出现的主要原因是作为凝胶材料的沥青在10℃以下是呈现的弹脆性，在15℃以上是呈现的粘弹性。
4 结论
（1）沥青混凝土作为一种特殊的凝胶材料，其力学性能不同于水泥混凝土。
（2）温度对沥青混凝土的力学性能影响很大，在配合比不变的情况下沥青混凝土的承载能力随温度的升高而降低，并有明显的应力软化现象。因此，选择沥青混凝土作为施工材料是要考虑当地的气候因素。
（3）随着温度的升高沥青混凝土的破坏形式发生变化，由粘弹性体逐渐向粘弹塑性体过度，有明显的分界点。10-15℃为其由脆性破坏变为粘弹塑性破坏的分界点。
参考文献：
[1] 张怀生.水工沥青混凝土. 中国 ，水利水电出版社，2005,1.
[2] 孙军森，王伟标，林鸿镁.碾压沥青混凝土坝的沥青防渗[M].西安：陕西人民出版社，2003:1-4.
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[7] 赵永刚.沥青混凝土的结构组成机理研究[D].东南大学，2005.
[8] 孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学（Ⅰ）第四版.高等教育出版社，2005,12.
[9] 钱家欢，殷宗泽．水工沥青混凝土试验规程DL/T5362-2006.中国电力出版社。
[10] KaareHeg Asphaltic Concrete Cores for Embankment Dams[M].1993.
论文作者:马东1,秦玮2,李保中3
论文发表刊物:《基层建设》2015年19期供稿
论文发表时间:2015/12/28
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