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

5应力—应变特性差异的可能原因

　　为了确定不同实验室压实试样间差异的原因以及现场压实试样为何比任一实验室试样显示较软的应力—应变特性，进行了分析和研究，探讨了如下问题：

·试样空气孔隙比的微小不同（见表2），有可能会导致观测到的特性差异很大。

　　对于一组采用同一方法压实的三个试样有这样一个趋势：孔隙率最低的试样，其刚度和强度却较其余试样偏高。然而旋转器试样的孔隙率比所有其它试样高，其刚度和强度却较其它试样高的多。因此空气孔隙率的微小不同能引起应力—应变特性的巨大差别。

·压实过程中所施加的正应力的差别会导致压实后在压碎程度和骨料颗粒级配方面显著的不同吗？

　　为查明这个问题，对没加沥青的骨料用静态及马歇尔法压实，并施加所用压实方法的最大和最小正应力。表3给出了两种方法压实前后的级配情况。压实前后颗粒粒径级配有所不同，马歇尔压实和静态压实的结果也不一样。但这些变化较小并不能解释随后应力—应变特性的较大变化。

·骨料在高正应力和压力下压实比在较低正应力和压力下压实其表面是否会吸收更多沥青呢？如果是这样，那么当较高的吸收导致较低的“游离”沥青含量时便会对观测到的应力—应变特性产生影响。

　　这个问题可通过研究不同水压力等级下骨料的吸水量得以探明。结果表明吸水量变化非常小，而且对于更加粘滞的流体状沥青而言，这种吸收甚至会更小。因此沥青吸收量的不同不能解释显著的特性差异。

·实验室试样是由实验室条件下配置的混凝土制备的，而现场试验是由现场拌和样制备的，尽管配合比相同，这两种不同的过程是否会导致混凝土应力—特性的显著差异呢？

　　为查明这个问题，在制备实验室压实试样时即使用现场拌和楼的混凝土，又使用实验室中制备的混凝土。可观测到使用同一方法压实的试样，其应力应变特性的差异很小，而且没有任何趋势。

·是钻取时的扰动引起了现场取芯试样的低弹性模量及软应力—应变特性吗？

　　浇注并压实试验段沥青混凝土之后，届时混凝土已经冷却至大气温度，仔细地钻取试样，100mm直径岩芯的表层扰动是可能的，但切开岩芯后，在表面薄层以内没有发现扰动。表2中现场岩芯孔隙率和旋转压实的实验室试样的孔隙率非常接近。较小的取样扰动在任何显著程度上影响到现场试样的应力—应变曲线看来不太可能。

　　可推论如下：很可能是骨料结构，颗粒骨架排布及不同压实方法，所达到的连锁程度的差异导致了观测到的应力—应变特性较大的不同。尽管所有试样的骨料骨架的总孔隙率（即表2中VMA）几乎相同，但孔隙的分布及最大最小孔隙的差距取决于骨料结构，因而也取决于压实方法。如果骨料由等径的球体组成，将不存在骨架结构的影响，孔隙率便成为控制参数。如果骨料由不同尺寸的球体组成则不同压实方法所产生的不同骨架结构的形象会非常小。骨料颗粒中的许多针片状颗粒会对骨架结构产生非常显著的影响，这将在很大程度上取决于压实方法。

　　饱和砂和粉砂颗粒结构对于其应力—应变特性的重要性，好多人在土力学中曾给予研究。结论为：砂的结构，孔隙比对密度的影响都非常显著，这一现象将在下一部分进一步讨论。

6骨料结构，连锁状况及刚度

　　表3描述的马歇尔及静态骨料压实试验在一个直径为101.6mm，高为76mm的标准Marshall钢筒中进行。用Marshall锤击实30次后模子中成块的骨料颗粒仍可轻易移开。然而静态压实后即使用改锥撬动大于5mm的颗粒也很困难。骨料连锁阻止了颗粒的移动，也表明了两种压实方法结果的差异。

　　热沥青混凝土在浇入模子中制备三轴试样之前的空气孔隙率约为15%。热沥青对骨料产生润滑作用，使骨料在压实期间随时间和压力滑动和转动。Marshall振动和静态压实法中有一个刚性圆盘，几乎覆盖了整个压实模子的圆形横断面，其侧壁也为刚性。压实过程中没有揉捏作用和应力转动，而且空气只能从圆模壁与顶盘外围间约2mm的空隙排出。试样冷却后切开研究压实骨料的结构布置。Marshall振动及静态压实中针片状骨料有一个趋势，即在压实期间针片状骨料会定位于水平或竖直方向。

　　三轴试验后切割面与水平向成60°，这大致与竖直压缩时试样的理论破坏面（45度+ψ/2）相符。这些横断面明显表明静态压实的试样比振动或马歇尔垂击的试样有更大的连锁性。马歇尔试样显示最弱的连锁状态。此次观测结果与表2中结果相吻合，即三种压实方法所得试样组的平均正割弹性模量分别为102MPa,88 MPa和40 MPa。然而大应变时最初的骨料结构不会对峰值强度产生太大影响，因此三组试样非常相似。（见图3，表2）。

　　在压实过程中旋转器在试样两端同时施加垂直应力和剪应力。在绕竖直轴旋转期间在一端的刚性盘上施加逆时针扭矩同时在另一端施加顺时针扭矩。混凝土中针状骨料趋于径向和切线向分布，以试样轴线为参照，形成状如圆形石墙的结构及强连锁，在试样中间部分形成相对开放的结构。切开试样便可观察到这样的情形。这种骨料连锁比其它实验室压实试样中连锁强得多。旋转器法压实的试样强度和刚度自成一类并与现场用振动碾压实的试样大不相同。因此当试图用基于旋转器压实试样的应力—应变特性来预报现场特性时必须十分慎重。

　　附加的三轴试验用静态压实法制备的试样来完成，目的是为了研究所施加的轴向压实应力的值和所持续的时间对已压实试样三轴应力—应变特性的影响。试验分两个系列进行，其一为持续时间保持2分钟恒定不变，但轴向压实应力可变。另一个系列为轴向压实应力保持10Mpa恒定不变而持续时间可变。两个系列的试验结果见图4图5。试验所用沥青混凝土配比与先前表2中所述试验中所用相同。

　　图4表明除压实应力为10 MPa以外，其它不同压实应力值的试验结果差别相对很小。10 MPa压实应力的试样其弹性模量仅为27 MPa，相对而言其它试样的弹性模量为100 MPa。其较低的刚度一方面缘于较高的空气孔隙率（1-4%）而其它试样约为0.8%，但主要是因为压实期间连锁发育较弱。

　　图5表明：轴向压实应力的持续时间对试验有非常显著的影响。保持相同的轴向应力值不变，当持续时间从2分钟增至10分钟时弹性模量从27 MPa增到约150 MPa，强度从1.9 MPa增到3MPa。而破坏时的轴向应变从13%减至5%。随着压实应力持续时间的增加，就有更多的时间来使粘滞入流，骨料重排及连锁，但只会使空气孔隙率有一个相对很小的降低。

7现场和实验室压实方法的比较

　　本次研究使用了四种试验试样压实方法。Marshall法已被标准化，并在许多关于沥青混凝土路面设计的前期研究工作中广泛应用。

　　旋转压实器的设计是为了更好地模拟现场碾压时的揉捏作用。然而，根据研究结果，用这种方法压实的试样却表现出与现场取芯试样完全不同的性状。它们坚硬，强度高且脆，而从土石坝心墙中取出的现场试样在相同初始密度下比照更具有揉性与韧性，且强度低。

　　静态、振动及Marshall压实方法不能产生揉捏作用，在混凝土压实期间不会发生应力重新定向。这些方法不能模拟现场碾子的作用。三种方法中以Marshall试样的应力—应变强度特性与现场取芯试样最为接近。然而在对Greater Leres大坝的沥青混凝土的研究中发现，现场取芯和Marshall试样的三轴试验有显著的差异。后者当轴向应变接近1%时的正割弹性摸量比现场取芯试样高3倍，但其抗压强度值仅高20%。

　　Bissada所做的饿早期研究表明，作为刚度和弹性摸量，量变的Marshall稳定数随压实期间的击数而增长，直到50击为止。对于标准Marshall试样（直径101.6mm，高63.5mm）锤击同时施加于试样的顶部和底部表面。Bissada所得的结果是对于富沥青混凝土而言的，与本研究所用沥青混凝土很相似，并且是现代土石坝心墙所使用的典型沥青混凝土，对于贫混凝土如路面所用的典型沥青混凝土，有明显较低的沥青及填料含量，高速公路路面的国际标准要求在标准Marshall试样两面均75击。Bissada认为这是为达到和现场钢碾一样的密度所必须的。

　　当前水工建筑物内部沥青混凝土心墙和衬砌的现场压实方法都来自路面的压实实践。为了达到高速公路或机场路面所要求的高密度，要用钢碾压几遍。钢碾在轨迹方向上产生揉捏作用，但侧向没有，经验表明当密度已达95-97%以后，再另行碾压便会出现纵向的细裂缝。

　　这种裂缝不可能在大坝心墙或渠道衬砌的压实期间出现，这是因为在水工建筑物施工中碾压遍数较少，而且是使用轻型碾来压实富沥青混凝土。然而如果“过分压实”这种裂缝也会出现。对于渠道衬砌或大坝表面而言，这种裂缝是非常有害的。中国的Bancheng Zi坝衬砌和Shangjie坝都经历了这种裂缝。衬砌用3吨的钢碾压实了8到12遍。两个衬砌都经历了第一个冬季期间最低-16度的低温，有许多裂缝沿碾压轨迹的方向发育。尽管所用沥青混凝土层在实验室作过试验，并表明能忍受最低-26度的低温而不出现裂缝，但开裂还是发生了。两个建筑物的衬砌都不得不用新的沥青混凝土替换。

　　对于一座用振动碾沿坝轴线移动压实的沥青混凝土心墙而言，竖压方向和水平方向沿坝轴线及水平方向垂直坝轴线钻取的试样中骨料的连锁程度会不同。这可在截取的现场试验横断面上观察到。对水平方向并垂直坝轴线钻取的试样做了三轴试验。试验表明水平试样的刚度比竖直试样的刚度高得多，这说明其链锁程度高而且材料的各向异性很明显。刚碾产生的骨料链锁横向强于竖向。

　　在NGI的论文中描述了一种改进了的Marshall压实设备及程序。改进压实设备的目的是更好地模拟现场压实效果，这将在另一篇论文中介绍。

8 结论和建议

　　为研究沥青混凝土的应力应变强度特性进行了三轴压缩试验。试验全过程中保持混凝土配比不变，采用了5种压实方法。所用沥青相当软，沥青含量为总重量的6.7%（为骨料重量的7.2%）。所有试验在相同温度（+5度）下进行，控制轴向变形使应变速率恒定（每小时2%），径向周围应力限定在1MPA。因此温度效应及沥青混凝土的粘滞蠕变特性在本研究中均未涉及。

　　四种不同的实验室压实方法为：Marshall，振动法，静态法，和旋转法。

　　此外，还修建了现场试验段，其沥青混凝土由0.8t的振动碾压实。这种条件很接近模拟的土石坝，在1.5m宽的粒状渐变区之间建有0.5m宽的沥青混凝土心墙。

　　本次工作的目的是为了研究不同试验压实方法对应力-应变强度特性的影响。并与现场压实试验的特性作比较，所有三轴试验被压实至空气孔隙率为1%，但实际的范围大致为0.5%到1.5%，为了研究每一项参数进行了三项“相似试验”以获得可靠的平均特性。正如所料，数据有些分散，但其趋势看起来却很明显。

·尽管所有的试验都由相同的沥青混凝土制成而且被压实到大约相同的密度（空气孔隙率），但所得应力-应变曲线却大不相同，如图3所示。旋转器压实的试样在轴向应变接近1%时，其正割弹性模量为Marshall压实试样的7倍。

·尽管用静态法，震动法及马歇尔（Marshall）法制备的试样的应力-应变曲线大不相同，但它达到了大致相同的强度水平。

·现场压实试验所表现的应力-应变特性与马歇尔法压实试样的特性最相似，但更具弹性和韧性。达到强度水平时的平均轴向应变分别为：现场试样为18%，马歇尔压实试样为14%。而旋转器压实法制备的试样仍为3%，

·探究和评价试样特性差异的几种可能的原因，结论为：骨料颗粒在压实后的排布及连锁程度，取决于所用的压实方法，并能解释应力-应变特性的差异。

·用旋转压实或静态压实法两种实验室方法所制备的试样之特性不能代表用振动碾压实的大坝心墙或衬砌中的混凝土现场特性。用马歇尔法（建议改进后的马歇尔设备和方法）制备的试样提供了与本研究所用的现场沥青混凝土试样相似的应力——应变特性。这个结论对其他配比及成分特性的沥青混凝土来说，可能不一定适用。

·水工建筑物中的沥青混凝土防渗部分如土石坝的内部心墙或上游砌面必须具有灵活柔韧的应力——应变特性，才能调整土石坝的差异位移和变形而不至于因开裂使渗透性增加。因此现场压实必须适应现场条件和所用沥青混凝土的配比。过分的压实会导致过度的骨料连锁并使材料颇具脆性，便会出现开裂。如果能应用有限元设计分析法来预报含沥青混凝土心墙的土石坝的应力-应变，使用旋转器法或静态压实法制备的实验室试样而不是现场压实试样的材料特性，那么，给出的心墙及相邻粒状渐变区域局部应力-应变也大不一样。如果内部应力-应变的设计分析是基于旋转器法，或静态压实法所确定的试样材料应力-应变特性，那么计算结果会与实际大相径庭，因为心墙中的沥青混凝土表现出高得多的弹性与韧性状态。

　　同样想要使施工期间从现场大坝心墙中钻取的试样的质量控制试验结果与上述试验试样的应力——应变结果相一致，也是不现实的。试图使现场试样的应力——应变特性与“不现实”的实验室特性相一致而采取的不适宜的现场过度压实及现场混凝土配合比的改变应确切说明。这会导致整个大坝心墙较差的现场特性。

　　在此感谢挪威岩土工程研究所在试验工作中给予的帮助，挪威研究委员会及承包商的赞助和支持。