大粒径水工沥青混凝土离析特性与静力本构关系研究

【摘要】：碾压式沥青混凝土心墙坝凭借防渗性能好、施工快捷、适应变形能力强等诸多优点,成为了新疆坝工建设中的重要型式之一。随着坝高的增加,为保证高沥青混凝土心墙坝的防渗安全,对沥青混凝土材料的力学及变形性能的要求也随之提高。目前,天然砾石骨料已应用于沥青混凝土原材料中,但受现行设计规范的约束,骨料最大粒径限制在19mm以下。研究表明将沥青混凝土的骨料最大粒径增大至31.5mm后,可以提高自身强度特性、降低沥青用量,为采用大粒径骨料配制沥青混凝土应用于高坝建设中提供依据。但对于大粒径沥青混凝土,施工过程中是否容易产生离析尚不清楚,在静力特性方面的研究相对较少,且受传统本构理论建模时基础假定的约束,现有的本构模型并不能精确地描述沥青混凝土的本构关系。因此,进一步研究大粒径砾石骨料沥青混凝土的离析特性、静力特性和本构关系十分必要。本文对骨料最大粒径19mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm的沥青混凝土配合比进行了优选,通过室内试验研究了骨料最大粒径、温度和沥青用量变幅对沥青混凝土离析性能的影响,结合现场碾压试验对骨料最大粒径37.5mm的沥青混凝土在施工过程中的离析特性进行了分析。通过中型静三轴试验,研究了不同骨料最大粒径沥青混凝土的应力-应变特性、体积变形特性和抗剪强度的变化规律;采用E-v模型、E-B模型和“南水”模型对不同试验条件下的沥青混凝土三轴试验曲线进行拟合,分析了各模型的局限性;在此基础上,运用投影寻踪回归(PPR)无假定建模技术对三轴试验数据进行分析,并建立出用于描述沥青混凝土本构关系的计算模型。主要得出以下结论:(1)不同骨料最大粒径沥青混凝土的稳定度、流值、劈裂抗拉强度和孔隙率PPR模型仿真计算结果表明:对于骨料最大粒径为19mm、31.5mm和37.5mm的沥青混凝土,其稳定度、流值、劈裂抗拉强度指标在相同水平下时,保持矿料级配指数和胶浆浓度不变,随骨料最大粒径的增大,沥青用量以0.3%～0.4%的变化量下降;当骨料最大粒径超过26.5mm时,沥青混凝土孔隙率将显著减小。(2)将PPR无假定建模技术与基于熵权的TOPSIS评价法相结合应用于大粒径沥青混凝土配合比方案优选中,可实现全因素水平组合的配合比方案对应的各评价指标的预测和定量评价。优选出的不同骨料最大粒径沥青混凝土配合比制备的试件的抗弯和抗剪性能均满足规范要求,且随配制沥青混凝土的骨料粒径的增大,自身的抗弯强度和内摩擦角逐渐增大,弯拉应变和黏聚力逐渐减小。(3)室内振动碾压模拟试验结果表明骨料最大粒径对所配制的沥青混合料离析的影响最大,温度影响次之,沥青用量变幅影响最小;沥青混合料的分离度随采用的骨料粒径的增大、混合料温度的升高和沥青用量变幅的增多而增大。相同压实功下减少摊铺厚度或提高初碾温度,骨料最大粒径37.5mm沥青混凝土离析倾向性均会增大;在初碾温度145℃、摊铺厚度30cm工况下沥青混凝土离析倾向性最大,但芯样的分离度、矿料级配偏差和沥青用量偏差均在规范允许的范围内,且芯样上、下部力学性能差异程度不大,表明骨料最大粒径37.5mm沥青混凝土施工过程中并未发生离析。(4)采用大粒径骨料配制沥青混凝土有利于提高自身的抗剪性能,改善延性,但也增大了剪胀性;随骨料粒径的增大所配制的沥青混凝土偏应力峰值呈非线性趋势增大,最大体缩应变及对应轴向应变逐渐减小,最终体应变逐渐增大。骨料最大粒径37.5mm沥青混凝土在不同温度条件下的抗剪强度参数均满足规范要求,具有较好的工程适用性。(5)将PPR无假定建模技术应用于沥青混凝土本构关系非线性数据建模中,避免了传统的证实性数据分析方法建立本构模型时存在的模型假定与沥青混凝土受力及变形特征不相符的问题;所建立的偏应力和体应变PPR模型具有较高的计算精度和较强的预测能力,能够有效地反映沥青混凝土的复杂力学特性且相较E-v,E-B和“南水”模型在反映沥青混凝土应变软化特性和剪胀段变形特征方面更为突出。