白巨龙，张国辉，杨振东，曾 毅，赵胜利

(1.中信建设有限责任公司，北京 100027； 2.昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明 650500)

1 研究背景

沥青混凝土是由骨料、沥青及掺合料等组成的新的人工合成材料，因其拥有较好的抗渗性和适应变形特性等性能，同时还因其具有结构简单、施工便利、经济优越等特点，近几十年来，在世界各地得到了广泛的应用和发展[1]。孔隙率作为影响沥青混凝土防渗性的重要指标，已有学者[2-5]从击实次数、温度、摊铺机激振频率和导向工艺等对孔隙率的影响进行了研究。前期，实际工程中常用稳定度与流值作为沥青混凝土配合比选择的力学指标，故大批学者对沥青混凝土稳定度和流值进行了研究。杨耀辉等[6]研究发现填料浓度对心墙沥青混凝土的性能影响较大，在级配相同时，随着填料浓度的增加，马歇尔稳定度增大，流值减小；张伟等[7]研究表明在填料掺量与骨料级配不变的情况下,沥青混凝土的稳定度随沥青含量的增大而减小,流值随沥青含量的增大而增大，而劈裂强度比马歇尔稳定度和流值更合理[8]。劈裂特性作为沥青混凝土配合比选择的重要力学指标，同时也是深入研究心墙沥青混凝土力学特性和变形性能的基础，还能在一定程度上反映沥青混凝土的抗拉强度特性。因此，结合学术研究与实际工程，对沥青混凝土劈裂强度(间接拉伸强度)、劈裂位移等的研究得到了进一步发展。吴金荣等[9]对透水沥青混凝土进行了SHPB冲击劈裂试验，发现透水沥青混凝土的冲击劈裂强度随着冲击气压的增大而提高；王学军等[10]通过对AC-13半圆在冻融循环作用下进行劈裂试验，发现AC-13的劈裂强度随着冻融循环次数增加而逐渐降低。水工沥青混凝土对温度十分敏感，其劈裂特性也受温度影响较大。鲁艳蕊[11]研究表明随着温度的降低，沥青混凝土的劈裂强度出现了先升高后减小的变化规律；张苛等[12]通过不同盐溶液的持续浸泡、干湿循环和冻融循环等方式模拟沥青混凝土的环境腐蚀，然后进行劈裂试验，发现随着作用次数的增加，其强度逐渐减小；郭海鹏等[13]研究了WG-I温拌剂不同掺量对沥青混凝土性能、劈裂试验的影响，研究表明随着温拌掺量的增加，间接拉伸强度先减小后趋于平稳。刘曼曼等[14]研究表明随着玄武岩粗集料针片状颗粒含量的增加，沥青混合料的劈裂强度减小。张扬[15]基于沥青混凝土劈裂特性的正交试验，采用极差与方差分析法探究级配指数、填料用量及沥青含量对劈裂强度及劈裂位移影响程度，并得到配合比参数最优组合。而针对碾压式心墙沥青混凝土孔隙率和劈裂特性影响规律研究较少。

因此，本研究将针对碾压式心墙沥青混凝土配合比设计过程中，在击实次数相同情况下，基于控制变量法，即通过固定沥青含量、填料含量、级配指数三者中的任意两个因素，调节另一个因素的方法来进行试验，通过制备标准马歇尔试件，测定其密度，通过密度计算其孔隙率，然后经水浴养护后进行劈裂试验。基于试验结果，系统分析上述相关因素对沥青混凝土孔隙率和劈裂特性的影响规律，从而为实际施工过程中对沥青混凝土配合比的选择及对其防渗性、强度和变形性的把控提供参考。

2 方法和材料

2.1 试验方法

试验控制因素为级配指数、填料含量、沥青含量，根据规范《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》[16](SL 501—2010)，碾压式心墙沥青混凝土级配指数选取范围为0.35～0.44，填料含量选取范围为10%～14%，沥青含量选取范围为6.0%～7.5%。基于规范推荐的级配指数、填料含量、沥青含量范围，各设置4种不同级配指数、填料含量、沥青含量的试验组，每组制备3个试件，总计36块试件，其设置如表1所示。

表1 试验设计表

选取年平均气温11.3℃作为试验温度，试件尺寸为标准马歇尔试件，尺寸为63.5 mm±1.3 mm，当超过该尺寸或试件上下面不平行或有裂纹缺角等缺陷时，则舍弃，重新制备。按照预设配合比制备沥青混合料，将搅拌好的沥青混合料倒入预热好的标准马歇尔试模，试件钢模直径为 101.6 mm±0.2 mm、高为76.2 mm，试件制备采用击实成型法，利用马歇尔击实仪，两面各击35次，在室温中放置24 h后脱模进行密度测试，后经水浴养护后进行劈裂试验，劈裂时采用50 mm/min速率加载，并在荷载-变形曲线中取峰值时的最大荷载及最大变形[17]，其最大变形即为本文中的劈裂位移。

2.2 试验材料

试验采用石灰岩料和人工砂细骨料，经筛分为 19.00 mm～16.00 mm、16.00 mm～13.20 mm、13.20 mm～9.50 mm、9.50 mm～4.75 mm、4.75 mm～2.36 mm和<2.36 mm粒径6级矿料以及矿粉。沥青采用克拉玛依(A级)沥青，其针入度PI(25℃，0.1 mm)为74、延度(10℃，5 cm/min)大于100 cm、软化点为49.0℃；粗骨料为碱性的石灰岩骨料，其密度为2.771 g/cm3、吸水率为0.77%、与沥青黏附力为5级、坚固性为0.95%、压碎值为9.46%；细骨料质地新鲜、坚硬，经加热后其性质无变化，其密度为2.709 g/cm3、水稳定等级为9级、碳酸钠5次循环重量损失为1.18%、吸水率为0.99%；填料为经研磨机研磨得到的石灰岩粉末，其表观密度2.729 g/cm3、吸水率0.1%，亲水系数为0.76、细度要求0.6 mm筛孔总通过率为100%，0.15 mm 筛孔总通过率为99.9%，0.075 mm筛孔总通过率为98.1%。且经鉴定，上述试验所用材料均符合规范[16]要求。

3 结果与讨论

3.1 试验结果

测定沥青混凝土的孔隙率则需要测定沥青混凝土的密度，通过沥青混凝土的实际密度与最大理论密度进而计算出沥青混凝土的孔隙率。本试验测定实际密度的方法采取排水置换法，即通过分别测量试件在空气中与水中的质量，进而计算出试件的密度，而最大理论密度则依据规范[17]测定。其密度计算公式如(1)所示，精确至0.01 g/cm3，孔隙率计算公式如(2)所示：

(1)

式中：ρ为试件的密度，g/cm3；m为试件的质量，g；m1为试件在蒸馏水中的质量，g；ρw为水的密度，g/cm3。

(2)

式中：P为沥青混凝土孔隙率，%；ρa为沥青混凝土试件在实验室测量的实际密度，g/cm3；ρ为沥青混凝土试件理论最大密度，g/cm3。

劈裂试验(也称间接拉伸试验)主要测定沥青混凝土的劈裂抗拉强度和劈裂位移，其劈裂强度计算公式如(3)所示：

(3)

式中：RT为劈裂抗拉强度，MPa；PT为试验最大荷载，N；h为试件高度，mm。

为保证试验的准确性，取一组3个试件的平均值作为试验结果，当3个试件测值中最大值或最小值之一与中间值之差超过中间值的15%时，取中间值；当3个试件测值中最大值和最小值与中间值之差都超过中间值的15%时，则舍弃，重新进行试验[17]。试验结果如表2所示。

表2 不同配合比下的孔隙率、劈裂强度、劈裂位移试验结果表

3.2 结果分析

3.2.1 级配指数对沥青混凝土孔隙率及劈裂特性影响

控制填料含量为12%，沥青含量为6.5%，测量级配指数为0.38、0.40、0.42、0.44下的沥青混凝土孔隙率、劈裂强度、劈裂位移，如图1所示。

从图1中可以看出，随着级配指数的增加，孔隙率和劈裂位移逐渐减小，劈裂强度则逐渐增高。且在填料含量为12%和沥青含量6.5%的情况下，级配指数从0.38增加到0.44的过程中，级配指数增加15.79%，孔隙率与劈裂位移分别下降了29.33%和39.13%，劈裂强度则增高了23.98%。由于压实成型的沥青混凝土是由矿质骨架和沥青结合料所构成的、具有空间网络结构的一种多相分散体系，其力学强度主要是以沥青与矿料之间的黏聚力为主，矿料颗粒间的嵌挤力、内摩阻力为辅[1]。因此，级配指数增大,级配曲线下移,矿料中细粒数量相对减少[18]，矿料骨架强度增加，此时骨料间具有较大嵌挤力与内摩阻力，使得其劈裂强度增高；且级配指数的增加，矿料连续性相对降低，空隙有所增加，使得由填料与沥青组成的沥青胶浆更加容易进入到矿料空隙中，从而使得压实成型的沥青混合料的密度增加，孔隙率减小；而级配指数的增加，也使得沥青混凝土中的自由沥青减少，其变形性能降低，进而劈裂位移减小。

图1 级配指数与孔隙率、劈裂特性的关系曲线图

3.2.2 填料含量对沥青混凝土孔隙率及劈裂特性影响

控制级配指数为0.40、沥青含量为6.5%，测量填料含量为11%、12%、13%、14%下的孔隙率、劈裂强度、劈裂位移，如图2所示。

图2 填料含量与孔隙率、劈裂特性的关系曲线图

从图2中可以看出，随着填料含量的增加，孔隙率与劈裂位移均先减小后增加，劈裂强度则逐渐降低。在级配指数为0.40，沥青含量为6.5%的情况下，当填料含量为12%，孔隙率与劈裂位移最小，且在填料含量从11%增加到12%时，孔隙率和劈裂位移分别下降了7.55%和10.22%；在填料含量从12%增加到14%时，孔隙率和劈裂位移分别增加了22.37%和29.84%；而填料含量从11%增加到14%时，劈裂强度降低了11.59%。填料的主要作用是吸收沥青胶，起到黏结骨料和填充颗粒间空隙的作用[19]。在沥青用量一定时，当填料含量由11%增加到12%时，填料含量的增加，使得颗粒间的空隙填充得更充分，孔隙率降低，而其主要存在着结构沥青，自由沥青较少，故劈裂位移有所降低；当填料含量从12%增加到14%时，填料用量增多，使得沥青混合料出现干涩，影响沥青与矿料的裹覆和黏附，进而影响了沥青混凝土的性能[1]，此时，沥青与矿料黏附性降低，从而使得沥青混合料的孔隙率升高，而劈裂强度降低。

3.2.3 沥青含量对沥青混凝土孔隙率及劈裂特性影响

控制级配指数为0.40、填料含量为12%，测量沥青含量为6.0%、6.5%、6.8%、7.2%下的孔隙率、劈裂强度、劈裂位移，如图3所示。

图3 沥青含量与孔隙率、劈裂特性的关系曲线图

从图3中可以看出，随着沥青含量的增加，孔隙率和劈裂位移均先增加后减小，劈裂强度则逐渐降低。在级配指数为0.40和填料含量为12%的情况下，沥青含量为6.8%时的孔隙率与劈裂位移最大，当沥青含量从6.0%增加到6.8%时，孔隙率与劈裂位移分别增加了29.18%和12.51%；而当沥青含量从6.8%继续增加到7.2%时，孔隙率与劈裂位移分别减小了9.10%和20.10%。而沥青含量从6.0%增加到7.2%时，劈裂强度降低了22.32%。沥青混凝土中的沥青包括结构沥青与自由沥青[20]，结构沥青的作用主要是与矿料黏结，是构成沥青混凝土的主要组成部分，而自由沥青在沥青混凝土形成过程中具有一定的流动性，不但会影响沥青混凝土的黏附力，也能够更好的填补沥青混凝土中的孔隙。当级配指数和填料含量一定的情况下，沥青混凝土存在着最佳沥青含量，图中可以看出沥青含量为6.0%时，沥青混凝土具有最小的孔隙率及较大的劈裂强度和位移。随着沥青含量的增多，使得沥青混凝土中自由沥青增多，骨料颗粒表面的沥青膜增厚、黏聚力减低，从而使其劈裂强度有所降低，可塑变形性增强。但当沥青含量过高，沥青混凝土的整体性能均会有所降低。

3.2.4 级配指数、填料含量和沥青含量对沥青混凝土孔隙率及劈裂特性优势分析

基于灰色理论优势分析能较好的对“小样本”相关因素做出优势分析，对不同系统特征做出优劣性分析评价。其具体计算过程如下：

(1) 确定相关因素序列和系统特征行序列：

(2) 求解灰色关联矩阵(绝对关联矩阵、相对关联矩阵、综合关联矩阵)：

绝对关联矩阵:

yi(p)-y1(1)

xj(p)-x1(1)

相对关联矩阵:

综合关联矩阵:

其中:i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,s;p=1,2,3,…,n。取θ=0.5，则ρij=(θεij+(1-θ)γij)。

(3) 结果分析

本研究中将级配指数X1、填料含量X2和沥青含量X3作为沥青混凝土劈裂特性的相关因素，将孔隙率Y1、劈裂强度Y2和劈裂位移Y3作为系统特征，进行优势分析，则：

① 相关因素序列和系统特征行序列为：

X1=(0.38，0.40，0.42，0.44，0.40，0.40，0.40，

0.40，0.40，0.40，0.40，0.40)

X2=(12，12，12，12，11，12，13，14，12，12，12，12)

X3=(6.5，6.5，6.5，6.5，6.5，6.5，6.5，6.5，6.0，

6.5，6.8，7.2)

Y1=(1.858，1.739，1.475，1.441，1.881，1.739，

2.064，2.128，1.466，1.739，2.070，1.882)

Y2=(1.789，1.843，2.081，2.213，1.907，1.843，

1.798，1.686，2.146，1.843，1.710，1.667)

Y3=(3.069，2.979，2.128，1.868，3.318，2.979，

3.624，3.981，2.909，2.979，3.273，2.615)

②③ 计算灰色关联矩阵为:

绝对关联矩阵ε:

相对关联矩阵γ:

综合关联矩阵ρ:

4 结 论

(1) 级配指数、填料含量和沥青含量三者对沥青混凝土防渗性与劈裂特性影响显著。在填料含量与沥青含量一定的情况下，随着级配指数的增加，孔隙率和劈裂位移逐渐减小，劈裂强度则逐渐增高，其中，孔隙率与劈裂位移分别减小了29.33%、39.13%，而劈裂强度则增高了23.98%；在级配指数与沥青含量一定的情况下，随着填料含量的增加，孔隙率与劈裂位移均先减小后增加，在填料含量为12%时取得最低，劈裂强度则逐渐降低；在级配指数与填料含量一定的情况下，随着沥青含量的增加，孔隙率和劈裂位移均先增加后减小，在沥青含量为6.8%时取得最大，劈裂强度则逐渐降低。

(2) 基于灰色系统中的优势分析，级配指数、填料含量、沥青含量对沥青混凝土劈裂强度影响最大，孔隙率次之，最后是劈裂位移。对沥青混凝土劈裂特性影响最大为填料含量，其次是沥青含量，最后是级配指数。填料含量对孔隙率的影响最大。在实际工程施工中，基于以上研究结论，可结合沥青混凝土防渗性及劈裂特性需求，对级配指数、填料含量及沥青含量进行选取优化配置。