压实方法对水工建筑物中沥青混凝土特性的影响（上）.doc

1、压实方法对水工建筑物中沥青混凝土特性的影响（上）摘要：用于水工建筑物防渗的沥青混凝土具有弹性和韧性，可以避免由于差异位移和剪力变形造成的膨胀、开裂及渗漏，沥青混凝土的应力-应变-强度特性，明显取决于配合比及配合材料的特性，然而在很大程度上也取决于为达到规定密度（空气孔隙率）而采用的压实方法。本文通过对 4 种不同方法压实至同一初始密度的试验室试样以及由振动碾压实的沥青混凝土大坝心墙中钻取的现场试样进行三轴试验，并比较试验结果对此予以研究。 关键词：压实方法 水工建筑物 沥青 混凝土 特性 影响 沥青混凝土可用于多种水工建筑物防渗，诸如大坝、堤、水库及渠道。用于大坝时，防渗部分可能由上游面衬砌或

2、内部心墙组成，其沥青混凝土中沥青含量比公路和机场铺面所用的沥青混凝土中沥青含量高，并且通常被压实至某一密度，使其空气孔隙率小于 3%。水工建筑物中所用沥青混凝土的最重要的工程特性是其浇注和压实期间的施工性能，不透水性以及可避免因不良的现场应力和变形条件而产生开裂的弹性与韧性。沥青混凝土的粘稠性使其具有优越的裂隙自愈能力。当设计沥青混凝土配比时，其应力-应变特性由试验室压实的三轴试样确定。这些特性经常用于比如分区土石坝的有限元分析以确定沥青混凝土心墙和相邻渐变区中的应力和变形。以对照为目的，从现场压实的沥青混凝土中取出原状样，以确保现场特性满足基于试验室试样的设计规程。在进行此项比较时发现尽管现

3、场和试验室的沥青混凝土完全一样，而且，所用试样的密度也相同，但现场取芯试样和试验室制备试样的应力-应变特性却可能截然不同。观察到含有沥青混凝土心墙的土石坝与上述现场试样及试验室试样间的差异。比如奥地利的 Finstertal 大坝1998.6，南非的 Greater Ceres 大坝1997及中国的 Maopingxi 大坝，后者现在作为三峡工程的一部分正在施工。这种现象带来了不确定性并受到关注，但还没有人对其系统地进行研究并给予满意的解释。本文所述研究范围如下：确定试验室压实方法对三轴应力应变强度特性的影响；比较试验室压实和现场压实沥青混凝土的应力应变特性，并解释材料特性的差异；推荐所产生的

4、应力应变特性和现场振动碾压实法所得的应力应变特性最为相似的一种试验室压实方法。1 本研究所用的沥青混凝土配合比整个研究过程中沥青混凝土配合比及配合材料性质均保持不变。骨料颗粒粒径分布服从 Fuller 分布： 式中 Pi 为小于等效粒径颗粒所占重量百分比，di（见表 1）最大粒径限制在 16mm，和通常现场应用一样。骨料为压碎的石灰岩（比重为2.72） ，填料由石灰岩粉末组成（比重为 2.74） 。总的填料含量（0.075mm为矿物重量的 12%。所用沥青为 B180 级，相当软，由85.5%的 B85 和 14.5%的 MB1000 组成。沥青含量为总重量的 6.7%（为矿物重量的 7.2%

5、）2 不同的压实方法2.1 试验室试样压实试验室三轴试样是在一个直径为 101.6mm 的模子中制备的。这样，其压实模子直径相同，但高度大得多。干骨料和填料的重量比见表 1，并在 160下预热 4 小时。沥青在 145下预热 2 小时。 （对于粘滞性较高发沥青如 B60 要用较高的温度预热）将热骨料和沥青置于拌和机中，并将装有此混合物的罐加热 5 分钟。在 140150的温度下将混合物浇注到已预热的圆筒状模子中压实，圆筒内径为 101.6mm，等于要测试的三轴试样的直径。经压实并冷却后，将试样从模子中取出。在 5下冷却 10小时，并用锯将长度修整为 200mm。用 4 种试验室压实方法制备试样

6、，并达到相同的规定密度：Marshall（马歇尔）方法，使用标准锤压实；持续轴向荷载振动压实；通过不断施加轴向承压力而静态压实；旋转器方法；以下分别介绍：Marshall 方法：沥青混凝土分四层逐层压实，每层最初约为 60mm 厚，每层用标准Marshall 锤 30 击压实（每秒一击） 。击实锤有一个平的圆形捣实面，直径为 98.4mm，重 4.5 公斤，落距为 457mm。在路面设计标准 Marshall 试验中，试样最终高度为 63.5mm，单层浇注，并且在试样的顶部和底部表面都锤击 75 次。振动压实方法：将沥青混凝土分为四层，逐层浇注，每层约 60mm，用一个重70kg，频率为 50

7、Hz，具有直径 96.8mm 的圆形平面承载板振捣器压实30s。静态压实方法：将沥青混凝土分为四层，逐层浇注，每层约 60mm，用一个具有子弹头状凸头，直径为 10mm 的钢杆，每层贯入 25 次，以整平各层并使混凝土内空气排出。当四层都已浇注后，将一直径为 98.4mm 平的钢性钢盘，置于模子中圆柱状试样的顶部。接着施加轴向力 2 分钟。本研究加在试样上的轴向应力为 15Mpa，第 7 部分所述试样除外。旋转器法：模子被单层填充（厚 230250mm） ，然后在模子绕其竖直轴线做圆周运动，在转过一个小角度（23）的同时，施加一个轴向应力和剪应力的组合以压实混凝土拌合物。轴向应力下的剪位移对粒

8、状材料而言是一种非常有效的压实方法，当混凝土密度达到规定容重（空气孔隙率）时停止压实。市面上可用的标准设备，轴向应力可由 0.05 到 0.9Mpa 不等，旋转频率在 1240rpm 之间。制备本次试验所用试样的轴向应力为0.4Mpa，频率为 30rpm。2.2 现场压实方法现场试样（直径 100mm）从专门为此项目修建的现场试验区中被小心地钻取出来，并切成高度为 200mm 的柱。15m 长的试验段模拟土石坝中0.5m 宽沥青混凝土心墙的条件，包括心墙两侧 1.5m 宽的渐变区。沥青混凝土的浇注和压实设备与实际大坝中所用相同。沥青混凝土分层浇注，每层约 24cm 厚。压实后缩小至 20cm。

9、沥青混凝土由 0.8t 振动碾沿坝轴线压实，采用 3 遍振动 2 遍不振动的方法。3 三轴试验过程在所有试验中，试验过程和条件均相同。从 5的冷却室中取出试样，将其装入温度保持在 5的人工气候室内的三轴压力室中。所有试样的初始空气孔隙率都为 1%，但与规定的孔隙率有一些偏差是在所难免的，如表 2 所示。三轴压力室中注满除汽水。所有试验为压缩试验，施加轴向位移（应变控制）保持颈项周围压应力恒定且为 1Mpa。施加的轴向应变速率为每小时 2%（每分钟 0.067mm） 。轴向应力、轴向位移及体积应变的值可根据整个试验过程中测得的轴向力、位移及体积变化而获得。本文所述试验中的沥青混凝土试样没有套上不

10、透水膜，三轴压力室中的水直接作用于沥青混凝土表面。在挪威岩土工程研究所的出版物中比较了套橡胶模和不套橡胶模的实验结果。在应力水平低于峰值强度并且试样中裂隙尚未张开时，应力-应变特性的差别不明显，然而在峰值之后区域，这种差别就显著了。4 三轴试验结果的比较和说明表 2 给出了试样参数及三轴压缩试验结果的概要。轴差应力为（a-r ）对轴向应变和体积应变对轴向应变的曲线分别见图 1，图 2。a 指轴向应力，r 指径向周围应力，其值在整个试验中保持 1MPA 不变。每种压实方法需制备 3 个试样。图 3 所示为用 5 种方法压实试样的平均应力应变曲线，其中 4 种为实验室压实，一种为现场压实。表 2

11、给出了平均值概要。表中所提弹性模量的值为轴向应变接近 1%时的正割值。结果表明用不同压实方法制备的沥青混凝土试样显示出非常不同的应力应变强度特性。尽管它们用同一种材料制成，使用相同的配合比并压实至近乎同一种密度（空气孔隙率） 。尽管用旋转器压实法所得试样的平均最初孔隙率实际上比其它组试样的大一些，但是用旋转器法压实的试样却有高得多的强度和刚度（图 3） 。用其余三种实验室压实方法压实的试样与现场试样的强度差别不大，但破坏时的弹性模量和轴向应变差别较大，轴向应变接近 1%的正割弹性模量从采用静态压实时的 100MPA 到现场震动压实时的 50MPA 和马歇尔法测定压实的 40MPA 不等。破坏时

12、相应的三组平均轴向应变分别为7%，18%和 14%。采用旋转压实的试样正割弹性模量约为 300MPA，破坏时的轴向应变为 3%。此外采用旋转器法压实的试样显示峰值过后应变减弱，而其它方法压实的试样具有柔韧的特性。 （当三轴试验采用橡胶膜套住试样时这种强度上的减小不太明显，如附录所述） 。图 3 也表明了平均体积应变对轴向应变的特性。不同的试样组差别很大。现场取芯试样的平均曲线其轴向应变达到约 6%并开始膨胀（体积膨胀） ，而旋转器压实的试样在轴向应变达 1%时就开始膨胀。除用旋转器法压实的试样以外，可以看出，实验室压实试样均承受非常小的体积压力，比现场取芯试样显示更明显的膨胀。尽管沥青混凝土配合比相同，密度也极为相似，但观察应力应变特性可知旋转器法压实试样的曲线位于上端，而马歇尔及现场试样曲线位于底端，差异非常大。旋转法压实试样的正割弹性模量为现场压实试样的 6 倍，其破坏时的轴向应变为现场压实试样的 1/6（3%对 18%） 。马歇尔法压实的试样与现场取芯试样的应力应变曲线非常相似，但体积应变特性却大不相同。