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)定性與高強度特點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)試驗研究,探討其單軸、三軸等試驗條件下破壞特性,為認識瀝青混凝土材料提供重要試驗依據(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),進而為工程應(yīng)用設(shè)計提供重要參考[7-9]。本文設(shè)計不同濃度水質(zhì)環(huán)境,經(jīng)過不同浸泡時間,研究瀝青混凝土材料強度變形受水質(zhì)環(huán)境、浸泡時間等影響[10-11],進而提升瀝青混凝土材料在水利工程中應(yīng)用水平。
江蘇東部某沿海地區(qū)需建設(shè)堤防工程,降低海水對沿海公路磨耗影響,為此采用水工瀝青混凝土作為堤防護坡主材料??紤]工程實際環(huán)境設(shè)計開展不同水質(zhì)浸泡條件下瀝青混凝土穩(wěn)定性,第一個對比試驗設(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間為48 h;2#方案同樣浸泡溶液,但浸泡時間為96 h;3#方案的浸泡溶液與前兩方案一致,浸泡時間為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)計兩組與第一個試驗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。每個方案所參與試驗試樣數(shù)量至少3個,各研究方案如表1所示。
表1 各研究方案
根據(jù)工程現(xiàn)場調(diào)查,并結(jié)合最佳配合比試驗研究,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24 h后,按表1研究方案中浸泡濃度與浸泡時間,完成海水模擬環(huán)境浸泡,如圖2所示,另為減弱粗細骨料對海水溶液吸收程度,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,以混凝土材料試驗機開展單軸破壞特性試驗,該試驗機為液壓式材料綜合試驗系統(tǒng),最大加載荷載可達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,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所有測試傳感器標(biāo)定,降低誤差對試樣結(jié)果干擾。本文單軸實驗中,加載方式為變形控制,速率為0.0035 mm/s,采集間隔為1 s,具體試驗操作步驟如下:
(1)設(shè)定材料試驗機環(huán)境溫度為22 ℃,將浸泡后試樣放入試驗艙內(nèi),待12 h后開始單軸力學(xué)試驗。
(2)以變形控制加載速率,同步采集應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù),并可實時觀測應(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。
(3)將破壞試樣從試驗艙內(nèi)取出,重復(fù)上述步驟進行第二塊試樣試驗。
針對瀝青混凝土水穩(wěn)定特性,本文提出以水穩(wěn)定系數(shù)表征混凝土試樣對海水吸收能力,水穩(wěn)定系數(shù)計算如式(1)所示:
(1)
式中:W1、W2分別指前后不同試樣強度參數(shù)值。
根據(jù)各試驗方案獲得混凝土試樣抗壓強度與水穩(wěn)定系數(shù),如圖3所示。由圖3可知,在48 h下其平均抗壓強度值為1.425 MPa,而在普通淡水中浸泡相同時間,其強度基本無顯著變化,僅稍降低了0.5%,表明瀝青混凝土強度參數(shù)受淡水影響較小。當(dāng)采用海水溶液浸泡相同的時間,即1#方案所得到抗壓強度相比普通淡水浸泡下降低了2.3%,相同浸泡時間下海水對瀝青混凝土具有侵蝕效應(yīng)。對比不同浸泡時間下瀝青混凝土試樣抗壓強度表現(xiàn)可知,隨浸泡時間增大,強度持續(xù)降低,其中浸泡時間為144 h時強度最低僅為1.288 MPa,從浸泡時間48 h至浸泡時間96 h強度降低幅度為2.2%,而浸泡時間自96 h增大至144 h時,強度降低幅度達5.2%,表明浸泡時間愈久,其強度受損愈顯著。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,需要時間與催化劑加快,因而當(dāng)浸泡時間愈長,則混凝土試樣受損愈大,故而強度隨浸泡時間增長,耗損明顯。
圖3 試樣抗壓強度與水穩(wěn)定系數(shù)(浸泡時間)
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%。
圖4為相同浸泡時間、不同濃度模擬海水環(huán)境下瀝青混凝土試樣強度參數(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)境中測定試樣的強度,降低幅度達5.4%;隨著浸泡溶液濃度增大5倍,其強度參數(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%,達到試驗中強度參數(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時不滿足水利工程要求規(guī)范。綜上可知,堤防工程設(shè)計時應(yīng)考慮所面臨海水濃度,調(diào)整瀝青混凝土用料,減少混凝土材料強度受海水溶液削弱效應(yīng)。
圖4 試樣抗壓強度與水穩(wěn)定系數(shù)(浸泡濃度)
為分析方便,本文以各試驗方案組中典型代表試樣應(yīng)力應(yīng)變開展對比分析。圖5(a)為不同浸泡時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%,但相對應(yīng)的峰值應(yīng)變增大了15.2%,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,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)部晶體顆粒會發(fā)生較大移動,海水溶液等離子元素進入試樣內(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21.9%,而在海水浸泡溶液中A48-1試樣達到峰值應(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(浸泡時間)
對比三個不同浸泡時間下試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線可知,隨浸泡時間增大,相同應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力水平逐漸降低,在應(yīng)變?yōu)?%時,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%,即浸泡時間愈長,則試樣內(nèi)峰值應(yīng)變與破壞應(yīng)變越大。分析表明,瀝青混凝土在海水溶液中浸泡時間愈久,則對海水中礦物離子顆粒吸收程度愈高,這些離子礦物顆??杉訌娫嚇幼冃文芰Α姆逯祽?yīng)力后表現(xiàn)亦可看出,當(dāng)浸泡時間愈久,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)變增幅較快,A96-1試樣峰值應(yīng)力后期應(yīng)力變化幅度為13.8%,浸泡時間不僅弱化瀝青混凝土應(yīng)力水平,且強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。
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對比形態(tài),單軸破壞后混凝土試樣體態(tài)最鮮明特點即是較為膨脹,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)育較多細小裂隙,且局部裂紋方向與荷載方向垂直,進一步降低了荷載促進裂紋貫通作用,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)對比圖
(1)研究了瀝青混凝土水穩(wěn)定性受浸泡時間影響,瀝青混凝土強度受淡水影響較小,但海水對其具有侵蝕效應(yīng);浸泡時間增大,強度持續(xù)降低,且浸泡時間愈久,其強度受損愈顯著,浸泡時間48~96 h強度降低幅度為2.2%,而浸泡時間自96 h增大至144 h時,降低幅度達5.2%;水穩(wěn)定系數(shù)隨浸泡時間呈階梯形降低,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,對瀝青混凝土侵蝕磨損特性愈顯著,濃度增大5倍,強度相比常規(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;浸泡時間愈長,試樣峰值應(yīng)變與破壞應(yīng)變越大,峰值應(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。