本文是一篇结构工程论文，本文基于配合比优化系统评估了纤维增强水工沥青混凝土的孔隙结构、间接拉伸性能、单轴抗压性能、水稳定性、热稳定性及弯拉性能，从而确定了最优化配合比。通过微观测试手段，对纤维在水工沥青混凝土中的增强机制进行了分析。
1绪论
1.1研究背景及意义
水工沥青混凝土是指在水利工程中起到防渗作用的一种复合材料，其按照一定比例将沥青、粗骨料、细骨料和填料拌合而成[1]。由于其优异的防水性、柔韧性、黏附能力以及自我修复特性，水工沥青混凝土在大坝的防渗面板、心墙等关键部位中得到了广泛运用[2]。
由于沥青极具温度敏感性，在高温下变软，影响沥青混凝土的稳定性和抗荷载能力；而在低温下，沥青又变得过于脆硬，导致结构产生裂纹。传统的水工沥青混凝土在结构应力和外部环境变化如温度波动面前表现出较差的耐久性和抗裂性能。针对这些缺点，研究人员采取了一系列的改善措施。常用的改良方法主要有改性沥青、优化配合比、改进施工工艺和加入纤维等。改性沥青能够提高原有沥青的抗老化性能、柔韧性和粘结强度，重点改善水工沥青混凝土的防水性能和抗裂性[3]；通过优化沥青、骨料和填料的配比，此方法着重改善沥青混凝土的密实度、耐久性和抗渗性[4-5]；施工工艺的改进则主要集中在产品应用阶段，通过改善拌和、铺设和压实方法，保证混凝土层的均匀性和密实度，从而提高结构性能[6]，但此方法对施工设备和技术要求更为严格，极易增加施工成本和施工难度；加入纤维则可以提升水工沥青混凝土的抗裂、抗冲击、抗疲劳、抗磨耗等综合性能，因此该方法成为改良传统沥青混凝土更为便捷、高效的手段[7]。
纤维是一种由连续或不连续的细丝组成的物质，其种类繁多且用途广泛。随着纤维材料的发展，在沥青混凝土中加入纤维的研究已较为广泛，相较于普通混凝土，纤维增强沥青混凝土材料各方面性能均得到有效提高[8-10]。但目前针对纤维增强沥青混凝土的研究主要集中在道路工程中[11]，针对大坝心墙沥青混凝土材料本身性能提升的研究有限，因此深入研究纤维增强水工沥青混凝土势在必行，这对于提高大坝心墙沥青混凝土材料的性能具有十分重要的意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1沥青混凝土心墙研究现状
沥青混凝土心墙坝是一种结合了沥青的抗渗特性和混凝土耐久性的水坝类型。心墙坝通常由非渗透性材料构成核心（心墙），两侧由渗透性更强的材料（如砾石或碎石）加以支撑。目前这种坝体在水利工程实际中已被广泛应用，国际大坝委员会（InternationalCommission On Large Dams,ICOLD）将沥青混凝土心墙坝作为未来修建最高坝的适宜坝型[15]。
随着沥青混凝土防渗工程的不断建造，世界各国针对水工沥青混凝土心墙坝的相关研究也在不断深入，部分欧洲国家在这方面发展较早并处于世界领先地位[16]。1934年，沥青混凝土心墙首次出现在德国的Amecker大坝，坝高12m[17]；1949年，于葡萄牙建成的Vale de caio坝，坝高45m[18]。随着工程设计与建设经验的积累，20世纪70年代后建成的沥青混凝土坝已突破百米大关，1997年挪威建成了坝高125m的Storglomvatn沥青心墙坝[19]。
我国在20世纪80年代末开始关注和研究沥青混凝土心墙坝技术。通过引进国外技术、材料和施工设备，结合国内实际情况，进行了初步的试验和研究工作。并在一些中小型水库和水利工程项目上进行了沥青混凝土心墙的试验和应用。1973年在吉林建成了我国首座浇筑式沥青心墙坝－白河沥青心墙坝[20]，1997年在湖北宜昌建设了104m高的茅坪溪沥青混凝土心墙坝[21]，为我国发展这一坝型打下了坚实的基础。自21世纪初以来，随着材料科学、施工技术的进步以及国内技术人员水平的提高，沥青混凝土心墙坝在我国得到了较为广泛的应用。2005年在四川建成了冶勒沥青混凝土心墙堆石坝，坝高125m[22]；于2017年建成的去学水电站修筑了世界最高（174m）的沥青混凝土心墙坝[23]；2019年在重庆建成了113m的金佛山水库也采用了沥青混凝土心墙技术[24]。这些成果标志着我国在沥青混凝土心墙坝领域取得了重大进展。随着近年来“碳达峰”以及“碳中和”战略目标的提出，我国进一步发展可再生清洁能源，积极应对全球气候变化，在促进可持续清洁能源开发及应对全球气候变化挑战的背景下，推进建设高性能沥青混凝土心墙坝对于我国实现“双碳”目标扮演着核心且不可替代的角色[25]。
2试验原材料及配合比设计
2.2原材料性能检测
本节参考《水工沥青混凝土试验规程》（DL/T5362-2018）[61]和《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（SL501-2010）[62]对纤维增强水工沥青混凝土原材料的各项性能指标进行检测。
2.2.1沥青
在水工沥青混凝土中，沥青起到关键的粘结和防水作用。本次试验沥青采用产自新疆的克拉玛依70号A级沥青，根据规范要求对其进行三大指标（针入度、软化点、延度）及密度、闪点、含蜡量等参数进行检测。
（1）针入度
沥青的针入度值是衡量其稠度和硬度的关键指标。具体来说，当沥青的质地较软，稠度较小时，其针入度值会相应地增大；反之，当沥青质地变硬，稠度增大时，针入度值则会减小。沥青针入度测试示意图及仪器如图2-1。
2.3配合比设计
配合比设计指的是确定沥青混凝土中沥青、集料等物质的最佳配合比例，以满足特定工程要求和性能指标的过程。
2.3.1配合比计算
本次试验的配合比采用《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（SL501-2010）中丁朴荣教授提出的公式计算，公式见式（2-1）：
2.3.2配合比设计及分析方法
（1）全因子试验设计法
全因子实验设计考虑了所有可能的因子组合，并在每个组合上进行测试。这种方法的目标是通过对每个因子的所有可能水平进行系统的变化，来确定因子对响应变量的影响和交互作用。该方法能够对每个因子的所有可能水平进行观察，这样就可以获取全面的信息，并能够分析因子和响应之间的关系。它通常适用于因子数量较少的情况，因为随着因子数量的增加，实验所需的运行次数会呈指数增长。
（2）正交试验设计法
正交试验法是一种研究多因素多层次的设计方法，用于评估多个变量对试验结果的影响。利用正交表作为统计工具构建试验矩阵，这种方法的核心在于能够在最少的试验次数下系统地评估各变量的效应，进而优化变量组合。正交设计以其每个水平概率散布一致性为核心特征，确保了各因素水平与其他水平交互作用时的试验概率相等，最大程度上消除了变量间相互作用的影响，实现了准确的效果评估和最优实验条件的筛选。
3 纤维增强水工沥青混凝土配合比研究 ................... 25
3.1 引言 ................................. 25
3.2 配合比初选 .......................... 25
4 纤维增强水工沥青混凝土剪切试验研究 .......................... 49
4.1 引言 .................................. 49
4.2 试验设计 ........................... 49
5 基于无损检测技术的纤维增强水工沥青混凝土损伤特征分析 ...... 73
5.1 引言 ............................ 73
5.2 声发射原理及采集过程......................... 73
5基于无损检测技术的纤维增强水工沥青混凝土损伤特征分析
5.2声发射原理及采集过程
5.2.1设备原理
声发射现象描述了材料在温度或应力影响下，在形变或裂纹形成过程中，以应力波形式释放储存的应变能。这一过程体现了材料内部从高能不稳定状态向低能稳定状态的转变，即应力松弛[59]。声发射原理及信号参数示意图如图5-1所示。
振铃计数是声发射分析中的一个重要参数，该参数用来衡量某个事件中声发射信号的活跃程度。在声发射监测过程中，当有裂纹扩展或其他缺陷出现时，会产生一个声发射事件，这个事件通常具有若干个振铃信号，每个振铃信号对应着声波的一个高频振动周期。
振铃计数指的是超过设备设定阈值所产生的信号累计值。在声发射数据采集和分析过程中，每当检测到的声发射信号超过预设的阈值时，系统就会记录一次振铃，而一个声发射事件中所有超过阈值的振铃总数即为该事件的振铃计数。振铃计数是评估声发射事件强度和能量水平的指标之一，振铃计数越高表示声发射源活动越剧烈，对应更严重的材料损伤。因此本章重点对振铃计数进行详细记录和分析。
6结论与展望
6.1结论
为探究纤维对水工沥青混凝土综合性能的提升作用以及纤维增强水工沥青混凝土的受剪破坏特性。本文基于配合比优化系统评估了纤维增强水工沥青混凝土的孔隙结构、间接拉伸性能、单轴抗压性能、水稳定性、热稳定性及弯拉性能，从而确定了最优化配合比。通过微观测试手段，对纤维在水工沥青混凝土中的增强机制进行了分析。采用经过优化的配合比对纤维增强水工沥青混凝土的剪切破坏特性进行了系统研究，运用声发射技术追踪和分析了材料受剪破坏全过程的损伤特征。
结合本文研究和分析结果，得到的主要结论如下：
（1）通过配合比初选试验，进行极差分析可得各因素对孔隙率的影响顺序为：油石比＞矿粉掺量＞纤维种类＞级配系数；对间接拉伸强度的影响顺序为：纤维种类＞油石比＞级配系数＞矿粉掺量；对间接拉伸位移的影响顺序为：纤维种类＞油石比＞级配系数＞矿粉掺量。综合间接拉伸、单轴压缩、水稳定性、热稳定性、小梁弯曲试验结果可得，纤维增强水工沥青混凝土的整体性能优于普通水工沥青混凝土，选取纤维种类为玻璃纤维、油石比6.5%、矿粉掺量15.0%、级配系数0.45的配合比作为配合比优化结果。
（2）对
