瀝青混凝土中粗集料影響實驗研究＊

葉 永 陳洪凱

（重慶交通大學土木建筑學院1） 重慶 400074） （三峽大學水利與環境學院2） 宜昌 443002）

0 引 言

瀝青混凝土是高等級公路路面主要材料，其性質決定了瀝青路面的使用性能．膠漿理論認為［1－2］：瀝青混凝土是由基質相和分散相組成的結構體系，其中填料（粒徑小于0．075mm）、細集料（粒徑在2．36～0．075mm）、粗集料（粒徑大于2．36mm）可看成3種分散相，而純瀝青看做基質相．這樣瀝青混凝土可以認為由集料分散相、瀝青基質相和空隙組成的三相復合體系［3］．三相成分不同、性質各異、相互作用機理復雜．

混凝土中集料有粗細之分，且體積含量大，顆粒個數多，分布特征廣［4］，在力學分析中不可能全部考慮，為了簡便，常常采用兩步法［5－6］：根據粒徑將骨料劃分為粗骨料和細骨料兩類，并且數量龐大的細骨料和瀝青基質放到一起，組成一種被認為力學性質均勻的瀝青砂材料，作為基質相，而粗骨料則作為增強相（分散相），把瀝青混凝土看作是由瀝青砂和粗骨料2種材料組成的兩相復合體．在前期，筆者對瀝青砂力學特性進行了研究，得出了一些有益結論［7－10］，在此基礎上，進一步研究粗集料的影響，為瀝青混凝土結構組成分析及力學性能研究奠定基礎．

1 粗細集料尺寸界定

要研究粗集料影響，粗細集料的正確劃分成為問題關鍵．目前存在3種劃分：（1）Zhu，Nodes將粗、細集料斷面尺寸分界定義為1．18mm（通過16＃篩孔），認為瀝青混凝土中每個粗集料顆粒外裹了一層瀝青結合料，而瀝青結合料由細集料和瀝青基質組成；（2）Bandyopadhyaya等在利用數值模型預測瀝青混凝土力學行為時，由于小于或等于2．36mm集料在斷面圖像觀察中沒有區別，即把2．36mm及以下作為細集料處理，這樣，瀝青基質、空隙和細集料一起當作一種均勻的粘彈性材料，即瀝青砂來處理；（3）第三種劃分是基于粗集料考慮更少，以粒徑4．75mm為分界線來區分粗細集料．本文在此基礎上，進行壓縮實驗和蠕變實驗，與標準級配AC－13C混凝土的力學特性進行比較，分析不同粒徑劃分的差別，提出粗、細集料的尺寸界定依據．

2 實驗設計

為研究粗集料組成對瀝青混凝土力學性能影響，依據下列原則進行級配設計：（1）按照AC－13C瀝青混凝土的標準級配以及規范規定的級配上、下限進行設計，粗集料與細集料總的質量含量保持不變．即粗、細集料含量比為，標準級配時63．4%∶36．6%，上限級配時76%∶24%，下限級配時50%∶50%；（2）粗集料粒徑及配比與對應的AC－13C混凝土相同，但進行改變；（3）細集料組成及配比保持不變；（4）瀝青含量保持不變．

根據規范規定的AC－13C混凝土的級配曲線的上限、下限以及實驗得到的標準級配分三組，每組又將粗集料分別設計為單一粒徑種（9．5～4．75 mm）、2種粒徑（13．2～9．5和9．5～4．75mm）、3種粒徑（13．2～9．5，9．5～4．75和4．75～2．36 mm）以及4種粒徑（16．0～13．2，13．2～9．5，9．5～4．75和4．75～2．36mm），總共設計了12組不同類型級配的瀝青混凝土試樣．試樣尺寸為圓柱體直徑100mm×高100mm．具體組成及配比見表1．

表1 瀝青混凝土試樣設計

進行了壓縮實驗和蠕變回復實驗．壓縮實驗取加載速率為2mm／min，實驗采用2種溫度：15℃（低溫）和60℃（高溫）．實驗方案見表2．

表2 實驗方案設計

3 結果與分析

為定量描述級配對瀝青混凝土壓縮變形和蠕變變形的影響，引入2個指標：（1）抗壓強度．是指最大的抗壓應力值；（2）蠕變率．指隨時間而變化的應變，通過下式計算

式中：εt為t時刻對應的蠕變應變，ε0為初始蠕變應變．

表3給出了標準級配下4種類型混凝土抗壓強度值．結果反映，4種類型混凝土抗壓強度的大小次序：MB4＞MB3＞MB1＞MB2，即粗集料為標準級配的MB4混凝土抗壓強度最大，設計為兩種粗集料（MB2）時對應抗壓強度最小．具體而言，在15℃，相對于標準級配MB4，其他3種級配混凝土MB1，MB2和MB3的抗壓強度分別下降0．68，1．29和0．58MPa，相對變化率依次為10．7%，20．2%和10．1%，相互之間差距在10%左右；在60℃，相對標準級配MB4，3種級配MB1，MB2和MB3混凝土抗壓強度分別下降0．93，1．18和0．42MPa，相對變化率依次為25．8%，32．7%和11．6%，相互之間最大差距超過20%．這些數據反映，就壓縮性能而言，將粗集料設計成3種粒徑的混凝土類型帶來的影響最小，其次是為單一粒徑，而設計成2種粒徑的影響最大，且溫度越高，級配影響越明顯．

表3 試樣抗壓強度值（標準級配）

圖1、圖2分別給出了標準級配下4種類型混凝土的蠕變實驗曲線，采用上述蠕變指標，表4，5給出了計算結果．可以看到，在加載階段，標準級配混凝土（MB4）具有最好的抵抗變形的能力，粗集料設計成兩種粒徑的混凝土（MB2）抵抗變形能力最差．在15℃，相對標準級配MB4，3種設計級配的混凝土MB1，MB2和MB3蠕變率值分別提高2、3．66和1．66（10－6／s），約為 MB4混凝土的2．2，3．2和2倍；在60℃，相對混凝土MB4，3種設計級配混凝土的蠕變率值也分別提高了1．33，4和2（10－6／s），約為 MB4的1．2，1．67和1．33倍．數據反映，相對標準級配MB4，不同級配混凝土對應的蠕變率值的變化最大達到了其3．2倍（15℃）和1．67倍（60℃）之多，且相互之間的差別也較大．

圖1 標準限級配蠕變實驗結果 （15℃）

圖2 標準限級配蠕變實驗結果 （60℃）

表4 指標計算結果（15℃）

表5 指標計算結果（60℃）

為進一步研究其他級配混凝土中粗集料配比變化造成的影響，表6給出了AC－13C上限級配（對應的粗集料含量多）對應的4種混凝土抗壓強度值，圖3，4給出了它們的蠕變應變隨時間的變化曲線．4種混凝土的抗壓強度從大到小：MS3＞MS1＞MS4＞MS2，且最大值超過最小值20%；抵抗蠕變變形能力大小：MS3＞MS1＞MS4＞MS2，對應的蠕變率最大值超過最小值22%，可見，對上限級配，粗集料組成仍然存在較大影響．需說明的是，上限級配的混凝土MS4（含4種粒徑的粗集料）并不具備最好的抗變形能力，可能由于在上限級配中采用了標準級配時的瀝青含量．相對標準級配，混凝土中粗集料較多，對應集料總表面積減少，導致瀝青含量相對過多，這樣4．75～2．36mm粒徑集料含量較多的混凝土MS3具有更好抗變形能力，產生的蠕變變形最小，而不含4．75～2．36mm粒徑集料的混凝土MS2正好相反．可以看出，2．36mm粒徑篩孔作用明顯．

表6 試樣抗壓強度值（上限級配）

圖3 上限級配蠕變實驗結果（15℃）

圖4 上限級配蠕變實驗結果（60℃）

表7給出了AC－13C型下限級配（粗集料含量少）對應的4種級配類型的混凝土試樣的抗壓強度值．圖5，6給出了它們的蠕變應變隨時間的變化曲線，4種級配類型混凝土抗壓強度：MX2＞MX4＞MX1＞MX3，且最大值超過最小值50%；抵抗蠕變變形能力：MX2＞MX4＞MX1＞MX3，蠕變率最大值超過最小值42%．因此，和上限級配比較，對于下限級配，粗集料組成和配比對混凝土力學性能有更大影響．下限級配MS4混凝土（含4種不同粒徑的粗集料）并不具備最好力學性能，這主要由于在下限級配中采用了標準級配瀝青含量，粗集料含量較少造成瀝青含量相對較少，這樣13．2～9．5mm粒徑粗集料含量較多的混凝土MS2具有更好的力學性能，其產生的蠕變變形最小，而混凝土MS3正好相反．

表7 試樣抗壓強度值（下限級配）

圖5 下限級配蠕變實驗結果（15℃）

圖6 下限級配蠕變實驗結果（60℃）

4 結 論

1）通過壓縮和蠕變實驗，在保證細集料含量不變下，相對級配組成的標準限、上限和下限，改變粗集料組成對瀝青混凝土抗壓強度和蠕變性能影響較大．說明混凝土性能強烈依賴粗集料組成及配比．

2）4．75～2．36mm的集料含量很大程度決定混凝土中瀝青盈余，而4．75mm以上粒徑對混凝土中瀝青盈余影響并不大．提出以2．36mm來劃分粗細集料具有一定的合理性．

3）在進行瀝青混凝土結構組成的數值模擬時，對粗集料簡化不應輕易進行，簡化結果要通過實驗加以修正．

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