壓實方法對水工建筑物中瀝青混凝土特性的影響（下）

1、<p>　　壓實方法對水工建筑物中瀝青混凝土特性的影響（下）</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(dá)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(jìn)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>　　5應(yīng)力—應(yīng)變特性差異的可能原因</p><p>　　為了確定不同實驗室壓實試樣間差異的原因以及現(xiàn)場壓實試樣為何比任一實驗室試樣顯示較軟的應(yīng)力—應(yīng)變特性，進(jìn)行了分析和研究，探討了如下問題：</p&

3、gt;<p>　　·試樣空氣孔隙比的微小不同（見表2），有可能會導(dǎo)致觀測到的特性差異很大。</p><p>　　對于一組采用同一方法壓實的三個試樣有這樣一個趨勢：孔隙率最低的試樣，其剛度和強度卻較其余試樣偏高。然而旋轉(zhuǎn)器試樣的孔隙率比所有其它試樣高，其剛度和強度卻較其它試樣高的多。因此空氣孔隙率的微小不同能引起應(yīng)力—應(yīng)變特性的巨大差別。</p><p>　　

4、3;壓實過程中所施加的正應(yīng)力的差別會導(dǎo)致壓實后在壓碎程度和骨料顆粒級配方面顯著的不同嗎？</p><p>　　為查明這個問題，對沒加瀝青的骨料用靜態(tài)及馬歇爾法壓實，并施加所用壓實方法的最大和最小正應(yīng)力。表3給出了兩種方法壓實前后的級配情況。壓實前后顆粒粒徑級配有所不同，馬歇爾壓實和靜態(tài)壓實的結(jié)果也不一樣。但這些變化較小并不能解釋隨后應(yīng)力—應(yīng)變特性的較大變化。</p><p>　　·

5、;骨料在高正應(yīng)力和壓力下壓實比在較低正應(yīng)力和壓力下壓實其表面是否會吸收更多瀝青呢？如果是這樣，那么當(dāng)較高的吸收導(dǎo)致較低的“游離”瀝青含量時便會對觀測到的應(yīng)力—應(yīng)變特性產(chǎn)生影響。</p><p>　　這個問題可通過研究不同水壓力等級下骨料的吸水量得以探明。結(jié)果表明吸水量變化非常小，而且對于更加粘滯的流體狀瀝青而言，這種吸收甚至?xí)?。因此瀝青吸收量的不同不能解釋顯著的特性差異。</p><p&g

6、t;　　·實驗室試樣是由實驗室條件下配置的混凝土制備的，而現(xiàn)場試驗是由現(xiàn)場拌和樣制備的，盡管配合比相同，這兩種不同的過程是否會導(dǎo)致混凝土應(yīng)力—特性的顯著差異呢？</p><p>　　為查明這個問題，在制備實驗室壓實試樣時即使用現(xiàn)場拌和樓的混凝土，又使用實驗室中制備的混凝土?？捎^測到使用同一方法壓實的試樣，其應(yīng)力應(yīng)變特性的差異很小，而且沒有任何趨勢。</p><p>　　·

7、;是鉆取時的擾動引起了現(xiàn)場取芯試樣的低彈性模量及軟應(yīng)力—應(yīng)變特性嗎？</p><p>　　澆注并壓實試驗段瀝青混凝土之后，屆時混凝土已經(jīng)冷卻至大氣溫度，仔細(xì)地鉆取試樣，100mm直徑巖芯的表層擾動是可能的，但切開巖芯后，在表面薄層以內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)擾動。表2中現(xiàn)場巖芯孔隙率和旋轉(zhuǎn)壓實的實驗室試樣的孔隙率非常接近。較小的取樣擾動在任何顯著程度上影響到現(xiàn)場試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線看來不太可能。</p><p

8、>　　可推論如下：很可能是骨料結(jié)構(gòu)，顆粒骨架排布及不同壓實方法，所達(dá)到的連鎖程度的差異導(dǎo)致了觀測到的應(yīng)力—應(yīng)變特性較大的不同。盡管所有試樣的骨料骨架的總孔隙率（即表2中VMA）幾乎相同，但孔隙的分布及最大最小孔隙的差距取決于骨料結(jié)構(gòu)，因而也取決于壓實方法。如果骨料由等徑的球體組成，將不存在骨架結(jié)構(gòu)的影響，孔隙率便成為控制參數(shù)。如果骨料由不同尺寸的球體組成則不同壓實方法所產(chǎn)生的不同骨架結(jié)構(gòu)的形象會非常小。骨料顆粒中的許多針片狀顆粒會

9、對骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常顯著的影響，這將在很大程度上取決于壓實方法。</p><p>　　飽和砂和粉砂顆粒結(jié)構(gòu)對于其應(yīng)力—應(yīng)變特性的重要性，好多人在土力學(xué)中曾給予研究。結(jié)論為：砂的結(jié)構(gòu)，孔隙比對密度的影響都非常顯著，這一現(xiàn)象將在下一部分進(jìn)一步討論。</p><p>　　6骨料結(jié)構(gòu)，連鎖狀況及剛度</p><p>　　表3描述的馬歇爾及靜態(tài)骨料壓實試驗在一個直徑為101.6

10、mm，高為76mm的標(biāo)準(zhǔn)Marshall鋼筒中進(jìn)行。用Marshall錘擊實30次后模子中成塊的骨料顆粒仍可輕易移開。然而靜態(tài)壓實后即使用改錐撬動大于5mm的顆粒也很困難。骨料連鎖阻止了顆粒的移動，也表明了兩種壓實方法結(jié)果的差異。</p><p>　　熱瀝青混凝土在澆入模子中制備三軸試樣之前的空氣孔隙率約為15%。熱瀝青對骨料產(chǎn)生潤滑作用，使骨料在壓實期間隨時間和壓力滑動和轉(zhuǎn)動。Marshall振動和靜態(tài)壓實法中

11、有一個剛性圓盤，幾乎覆蓋了整個壓實模子的圓形橫斷面，其側(cè)壁也為剛性。壓實過程中沒有揉捏作用和應(yīng)力轉(zhuǎn)動，而且空氣只能從圓模壁與頂盤外圍間約2mm的空隙排出。試樣冷卻后切開研究壓實骨料的結(jié)構(gòu)布置。Marshall振動及靜態(tài)壓實中針片狀骨料有一個趨勢，即在壓實期間針片狀骨料會定位于水平或豎直方向。</p><p>　　三軸試驗后切割面與水平向成60°，這大致與豎直壓縮時試樣的理論破壞面（45度+ψ/2）相符。

12、這些橫斷面明顯表明靜態(tài)壓實的試樣比振動或馬歇爾垂擊的試樣有更大的連鎖性。馬歇爾試樣顯示最弱的連鎖狀態(tài)。此次觀測結(jié)果與表2中結(jié)果相吻合，即三種壓實方法所得試樣組的平均正割彈性模量分別為102MPa,88 MPa和40 MPa。然而大應(yīng)變時最初的骨料結(jié)構(gòu)不會對峰值強度產(chǎn)生太大影響，因此三組試樣非常相似。（見圖3，表2）。</p><p>　　在壓實過程中旋轉(zhuǎn)器在試樣兩端同時施加垂直應(yīng)力和剪應(yīng)力。在繞豎直軸旋轉(zhuǎn)期間在一

13、端的剛性盤上施加逆時針扭矩同時在另一端施加順時針扭矩?；炷林嗅槧罟橇馅呌趶较蚝颓芯€向分布，以試樣軸線為參照，形成狀如圓形石墻的結(jié)構(gòu)及強連鎖，在試樣中間部分形成相對開放的結(jié)構(gòu)。切開試樣便可觀察到這樣的情形。這種骨料連鎖比其它實驗室壓實試樣中連鎖強得多。旋轉(zhuǎn)器法壓實的試樣強度和剛度自成一類并與現(xiàn)場用振動碾壓實的試樣大不相同。因此當(dāng)試圖用基于旋轉(zhuǎn)器壓實試樣的應(yīng)力—應(yīng)變特性來預(yù)報現(xiàn)場特性時必須十分慎重。</p><p>

14、;　　附加的三軸試驗用靜態(tài)壓實法制備的試樣來完成，目的是為了研究所施加的軸向壓實應(yīng)力的值和所持續(xù)的時間對已壓實試樣三軸應(yīng)力—應(yīng)變特性的影響。試驗分兩個系列進(jìn)行，其一為持續(xù)時間保持2分鐘恒定不變，但軸向壓實應(yīng)力可變。另一個系列為軸向壓實應(yīng)力保持10Mpa恒定不變而持續(xù)時間可變。兩個系列的試驗結(jié)果見圖4圖5。試驗所用瀝青混凝土配比與先前表2中所述試驗中所用相同。</p><p>　　圖4表明除壓實應(yīng)力為10 MPa以

15、外，其它不同壓實應(yīng)力值的試驗結(jié)果差別相對很小。10 MPa壓實應(yīng)力的試樣其彈性模量僅為27 MPa，相對而言其它試樣的彈性模量為100 MPa。其較低的剛度一方面緣于較高的空氣孔隙率（1-4%）而其它試樣約為0.8%，但主要是因為壓實期間連鎖發(fā)育較弱。</p><p>　　圖5表明：軸向壓實應(yīng)力的持續(xù)時間對試驗有非常顯著的影響。保持相同的軸向應(yīng)力值不變，當(dāng)持續(xù)時間從2分鐘增至10分鐘時彈性模量從27 MPa增到約

16、150 MPa，強度從1.9 MPa增到3MPa。而破壞時的軸向應(yīng)變從13%減至5%。隨著壓實應(yīng)力持續(xù)時間的增加，就有更多的時間來使粘滯入流，骨料重排及連鎖，但只會使空氣孔隙率有一個相對很小的降低。</p><p>　　7現(xiàn)場和實驗室壓實方法的比較</p><p>　　本次研究使用了四種試驗試樣壓實方法。Marshall法已被標(biāo)準(zhǔn)化，并在許多關(guān)于瀝青混凝土路面設(shè)計的前期研究工作中廣泛應(yīng)用。

17、</p><p>　　旋轉(zhuǎn)壓實器的設(shè)計是為了更好地模擬現(xiàn)場碾壓時的揉捏作用。然而，根據(jù)研究結(jié)果，用這種方法壓實的試樣卻表現(xiàn)出與現(xiàn)場取芯試樣完全不同的性狀。它們堅硬，強度高且脆，而從土石壩心墻中取出的現(xiàn)場試樣在相同初始密度下比照更具有揉性與韌性，且強度低。</p><p>　　靜態(tài)、振動及Marshall壓實方法不能產(chǎn)生揉捏作用，在混凝土壓實期間不會發(fā)生應(yīng)力重新定向。這些方法不能模擬現(xiàn)場碾子

18、的作用。三種方法中以Marshall試樣的應(yīng)力—應(yīng)變強度特性與現(xiàn)場取芯試樣最為接近。然而在對Greater Leres大壩的瀝青混凝土的研究中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場取芯和Marshall試樣的三軸試驗有顯著的差異。后者當(dāng)軸向應(yīng)變接近1%時的正割彈性摸量比現(xiàn)場取芯試樣高3倍，但其抗壓強度值僅高20%。</p><p>　　Bissada所做的餓早期研究表明，作為剛度和彈性摸量，量變的Marshall穩(wěn)定數(shù)隨壓實期間的擊數(shù)而增長

19、，直到50擊為止。對于標(biāo)準(zhǔn)Marshall試樣（直徑101.6mm，高63.5mm）錘擊同時施加于試樣的頂部和底部表面。Bissada所得的結(jié)果是對于富瀝青混凝土而言的，與本研究所用瀝青混凝土很相似，并且是現(xiàn)代土石壩心墻所使用的典型瀝青混凝土，對于貧混凝土如路面所用的典型瀝青混凝土，有明顯較低的瀝青及填料含量，高速公路路面的國際標(biāo)準(zhǔn)要求在標(biāo)準(zhǔn)Marshall試樣兩面均75擊。Bissada認(rèn)為這是為達(dá)到和現(xiàn)場鋼碾一樣的密度所必須的。&l

20、t;/p><p>　　當(dāng)前水工建筑物內(nèi)部瀝青混凝土心墻和襯砌的現(xiàn)場壓實方法都來自路面的壓實實踐。為了達(dá)到高速公路或機場路面所要求的高密度，要用鋼碾壓幾遍。鋼碾在軌跡方向上產(chǎn)生揉捏作用，但側(cè)向沒有，經(jīng)驗表明當(dāng)密度已達(dá)95-97%以后，再另行碾壓便會出現(xiàn)縱向的細(xì)裂縫。</p><p>　　這種裂縫不可能在大壩心墻或渠道襯砌的壓實期間出現(xiàn)，這是因為在水工建筑物施工中碾壓遍數(shù)較少，而且是使用輕型碾來壓

21、實富瀝青混凝土。然而如果“過分壓實”這種裂縫也會出現(xiàn)。對于渠道襯砌或大壩表面而言，這種裂縫是非常有害的。中國的Bancheng Zi壩襯砌和Shangjie壩都經(jīng)歷了這種裂縫。襯砌用3噸的鋼碾壓實了8到12遍。兩個襯砌都經(jīng)歷了第一個冬季期間最低-16度的低溫，有許多裂縫沿碾壓軌跡的方向發(fā)育。盡管所用瀝青混凝土層在實驗室作過試驗，并表明能忍受最低-26度的低溫而不出現(xiàn)裂縫，但開裂還是發(fā)生了。兩個建筑物的襯砌都不得不用新的瀝青混凝土替換。&

22、lt;/p><p>　　對于一座用振動碾沿壩軸線移動壓實的瀝青混凝土心墻而言，豎壓方向和水平方向沿壩軸線及水平方向垂直壩軸線鉆取的試樣中骨料的連鎖程度會不同。這可在截取的現(xiàn)場試驗橫斷面上觀察到。對水平方向并垂直壩軸線鉆取的試樣做了三軸試驗。試驗表明水平試樣的剛度比豎直試樣的剛度高得多，這說明其鏈鎖程度高而且材料的各向異性很明顯。剛碾產(chǎn)生的骨料鏈鎖橫向強于豎向。</p><p>　　在NGI的論

23、文');">論文中描述了一種改進(jìn)了的Marshall壓實設(shè)備及程序。改進(jìn)壓實設(shè)備的目的是更好地模擬現(xiàn)場壓實效果，這將在另一篇論文中介紹。</p><p><b>　　8 結(jié)論和建議</b></p><p>　　為研究瀝青混凝土的應(yīng)力應(yīng)變強度特性進(jìn)行了三軸壓縮試驗。試驗全過程中保持混凝土配比不變，采用了5種壓實方法。所用瀝青相當(dāng)軟，瀝青含量為總重

24、量的6.7%（為骨料重量的7.2%）。所有試驗在相同溫度（+5度）下進(jìn)行，控制軸向變形使應(yīng)變速率恒定（每小時2%），徑向周圍應(yīng)力限定在1MPA。因此溫度效應(yīng)及瀝青混凝土的粘滯蠕變特性在本研究中均未涉及。</p><p>　　四種不同的實驗室壓實方法為：Marshall，振動法，靜態(tài)法，和旋轉(zhuǎn)法。</p><p>　　此外，還修建了現(xiàn)場試驗段，其瀝青混凝土由0.8t的振動碾壓實。這種條件很接

25、近模擬的土石壩，在1.5m寬的粒狀漸變區(qū)之間建有0.5m寬的瀝青混凝土心墻。</p><p>　　本次工作的目的是為了研究不同試驗壓實方法對應(yīng)力-應(yīng)變強度特性的影響。并與現(xiàn)場壓實試驗的特性作比較，所有三軸試驗被壓實至空氣孔隙率為1%，但實際的范圍大致為0.5%到1.5%，為了研究每一項參數(shù)進(jìn)行了三項“相似試驗”以獲得可靠的平均特性。正如所料，數(shù)據(jù)有些分散，但其趨勢看起來卻很明顯。</p><p

26、>　　·盡管所有的試驗都由相同的瀝青混凝土制成而且被壓實到大約相同的密度（空氣孔隙率），但所得應(yīng)力-應(yīng)變曲線卻大不相同，如圖3所示。旋轉(zhuǎn)器壓實的試樣在軸向應(yīng)變接近1%時，其正割彈性模量為Marshall壓實試樣的7倍。</p><p>　　·盡管用靜態(tài)法，震動法及馬歇爾（Marshall）法制備的試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大不相同，但它達(dá)到了大致相同的強度水平。</p><

27、p>　　·現(xiàn)場壓實試驗所表現(xiàn)的應(yīng)力-應(yīng)變特性與馬歇爾法壓實試樣的特性最相似，但更具彈性和韌性。達(dá)到強度水平時的平均軸向應(yīng)變分別為：現(xiàn)場試樣為18%，馬歇爾壓實試樣為14%。而旋轉(zhuǎn)器壓實法制備的試樣仍為3%，</p><p>　　·探究和評價試樣特性差異的幾種可能的原因，結(jié)論為：骨料顆粒在壓實后的排布及連鎖程度，取決于所用的壓實方法，并能解釋應(yīng)力-應(yīng)變特性的差異。</p>&

28、lt;p>　　·用旋轉(zhuǎn)壓實或靜態(tài)壓實法兩種實驗室方法所制備的試樣之特性不能代表用振動碾壓實的大壩心墻或襯砌中的混凝土現(xiàn)場特性。用馬歇爾法（建議改進(jìn)后的馬歇爾設(shè)備和方法）制備的試樣提供了與本研究所用的現(xiàn)場瀝青混凝土試樣相似的應(yīng)力——應(yīng)變特性。這個結(jié)論對其他配比及成分特性的瀝青混凝土來說，可能不一定適用。</p><p>　　·水工建筑物中的瀝青混凝土防滲部分如土石壩的內(nèi)部心墻或上游砌面必須

29、具有靈活柔韌的應(yīng)力——應(yīng)變特性，才能調(diào)整土石壩的差異位移和變形而不至于因開裂使?jié)B透性增加。因此現(xiàn)場壓實必須適應(yīng)現(xiàn)場條件和所用瀝青混凝土的配比。過分的壓實會導(dǎo)致過度的骨料連鎖并使材料頗具脆性，便會出現(xiàn)開裂。如果能應(yīng)用有限元設(shè)計分析法來預(yù)報含瀝青混凝土心墻的土石壩的應(yīng)力-應(yīng)變，使用旋轉(zhuǎn)器法或靜態(tài)壓實法制備的實驗室試樣而不是現(xiàn)場壓實試樣的材料特性，那么，給出的心墻及相鄰粒狀漸變區(qū)域局部應(yīng)力-應(yīng)變也大不一樣。如果內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變的設(shè)計分析是基于旋

30、轉(zhuǎn)器法，或靜態(tài)壓實法所確定的試樣材料應(yīng)力-應(yīng)變特性，那么計算結(jié)果會與實際大相徑庭，因為心墻中的瀝青混凝土表現(xiàn)出高得多的彈性與韌性狀態(tài)。</p><p>　　同樣想要使施工期間從現(xiàn)場大壩心墻中鉆取的試樣的質(zhì)量控制試驗結(jié)果與上述試驗試樣的應(yīng)力——應(yīng)變結(jié)果相一致，也是不現(xiàn)實的。試圖使現(xiàn)場試樣的應(yīng)力——應(yīng)變特性與“不現(xiàn)實”的實驗室特性相一致而采取的不適宜的現(xiàn)場過度壓實及現(xiàn)場混凝土配合比的改變應(yīng)確切說明。這會導(dǎo)致整個大壩心