瀝青混凝土熱膨脹和收縮系數試驗研究

中圖分類號：U414.1文獻標識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.009

文章編號：1673-4874（2025）01-0033-04

0 引言

熱裂縫被認為是瀝青路面在溫度急劇變化地區(qū)中最嚴重的病害之一。當瀝青混凝土（AC暴露于極端溫度（炎熱夏季、寒冷冬季）時，會產生熱應力。熱應力會導致AC產生裂縫，甚至可能導致路面過早的破壞。為了確定熱應力值，需要了解瀝青材料的低溫收縮系數（CTC）和熱膨脹系數 （C T E） 。 C T C 和 C T E 可以定義為單位溫度變化下，單位體積的收縮量/膨脹量與原長度的比值，是評估瀝青混凝土熱性能的重要參數。近年來，針對CTC系數和C T E 系數的試驗研究逐漸受到關注，以優(yōu)化路面設計并提高其抗裂縫能力。

AC在高溫環(huán)境下的熱膨脹特性對道路的平整性和穩(wěn)定性至關重要[1。研究表明，高溫下的熱膨脹可能導致材料變形和路面開裂，從而影響道路的長期使用性能。為了解決這一問題，研究者通過蠕變順應性和松弛模量評估了瀝青混凝土的熱開裂性能，并分析了溫度、空隙率 、骨料類型3等因素的影響。不同配合比的瀝青混凝土的CTE顯示，集料類型和瀝青成分顯著影響C T E 值。優(yōu)化配方可以有效控制材料的熱膨脹，減少高溫條件下的變形。

低溫收縮可能導致材料開裂，尤其在寒冷氣候區(qū)域4。研究顯示，從不同公路段采集的圓柱形試件在溫度從0℃降至-25℃時，直徑減小，應變隨溫度線性變化。瀝青混合料的成分、級配及骨料類型對 C T C 值的影響顯著，而測量位置、方向和材料類型的影響不明顯。適當的骨料和優(yōu)化材料配合比可以顯著降低 C T C 值，提高路面的抗裂性能。

CTC和 C T E 是評估AC在溫度波動下的熱應力/應變的關鍵參數。大多數熱裂縫模型/工具通過蠕變順應性和（或）松弛模量評估熱裂縫性能5，并假設瀝青材料具有線性CTC和 C T E 。這一假設需要進一步驗證，并應研究各種因素的影響，如溫度、AV和骨料類型等。

以往研究指出，瀝青混合料的性能受多種因素影響，包括材料類型、骨料級配以及環(huán)境因素（如溫度）。對于 C T C 和 C T E 的溫度效應，研究發(fā)現其并非簡單的線性關系，而是受到材料類型和空隙率的顯著影響。比如空隙率對 C T E 無明顯影響，但隨著空隙率的增大，瀝青混合料的玻璃化轉變溫度顯著降低。此外，瀝青混合料的低溫開裂性能也受骨料類型和瀝青類型的影響，通過優(yōu)化骨料級配并采用改性瀝青，可有效提升混合料的低溫抗裂性能，進而提高瀝青混凝土的整體性能[7]。

綜上，合理控制AC的熱膨脹和收縮性能對提高路面耐久性至關重要。大多數研究僅關注了在水平方向的CTC值和 C T E 值，而對于交叉各向異性（垂直方向與水平方向的差異）研究較少。此外，骨料類型和骨料級配等因素的影響也尚未明確。本研究通過使用現場和試驗室壓實的瀝青試件，對這些未解決的問題進行了探討。

1材料及方法

1.1樣品制備

1.1.1現場取樣與試件制備

從南湛高速公路廣西段路面中段取出直徑為100mm、高度為50mm的圓柱體試件。在試驗室內使用鋸切割試件，得到的試件 A V 測量值在 ，平均為 5.2% 。試件使用AC混合料制備，最大骨料尺寸為25mm，其中含有 35% 的再生瀝青路面（RAP）材料，瀝青黏結劑摻量為4. 4% ，并且約 5% 的材料粒徑

1.1.2垂直與水平方向試件的制備

為研究垂直和水平方向的 C T C 值和 C T E 值差異，分別制備了不同尺寸的圓柱體試件：垂直方向使用直徑為100mm、高度為150mm的試件，水平方向使用直徑為100mm、高度為 50m m 的試件，試件的 A V 值平均為5.3% 。試驗結果用于對比不同方向上的CTC值和C T E 值差異。

1.1.3不同試驗條件下的試件制備與測試

1.1.3.1 A V 值的影響

采用試驗室壓實的直徑為 高度為50mm的圓柱體試樣研究 A V 的影響。混合料取自南湛高速公路廣西段 建設時的儀器監(jiān)測段，混合料中含有 35% 的RAP材料，瀝青黏結劑摻量為混合料重量的 4.4% 。準備了三組試驗（每組三個試件），平均 A V 值分別為 1.4% 5.5% 和 9.7% ，標準差分別為 0.3%.0.4% 和 0.4% 。

1.1.3.2骨料類型的影響

AC由瀝青和骨料組成，因此骨料類型的變化可能會影響AC的 C T C 值和 C T E 值。本研究采用玄武巖、河流沉積物和砂礫三種不同類型的骨料評估對 C T C 值和 C T E 值的影響。瀝青占混合料重量的 4.5% 。測得的骨料平均體積密度分別為2.75、2.67和2.63，水吸附能力分別為 1.5%.0.5% 和 0.9% 。使用試驗室切割的直徑為150min、高度為50min的圓柱體試件。在此過程中，忽略了不同骨料的吸水能力差異，試件的平均 A V 值為 5.1% （標準差為 0.3% ）。三種類型的骨料混合料均按照如圖1所示的級配制備。

1.1.3.3 骨料級配的影響

采用三種不同級配的玄武巖骨料，以評估骨料級配對AC的 C T C 值和 C T E 值影響，混合料中使用了 4.7% 重量比的瀝青黏結劑。三種混合料的級配如圖2所示。從施工現場收集了SP-Ⅱ、SP-Ⅲ和 SP-Ⅳ級配的散裝混合料，確保所有三種混合料的物理性質一致，僅級配不同。試件的平均 A V 值為 4.9% （標準差 0.4% ）。試件通過壓實機制備，在試驗室切割成直徑為 150m m 高度為50mm的圓柱體試件。

1.2 試驗程序

1.2.1試件的溫度膨脹與收縮測試

將兩個LVDT黏在圓柱體試件表面，在 55℃內，對三個試件進行試驗。每個試件使用一次冷卻周期和一次加熱周期，每個周期共有五個溫度增量（溫度增量每次變化15℃）。在每次溫度變化后，試件內的溫度需要等待大約4h，冷卻或加熱的速率為 整個試驗過程中，使用LVDT對溫度和變形進行連續(xù)記錄。

1.2.2水平方向與垂直方向的 C T C 和 C T E 測試

在溫度-20℃～55℃內，對三個相同的試件進行試驗，將兩個LVDT黏在圓柱體試件的曲面上，為避免重力影響，試件水平放置，試驗方法同上。

1.2.3 A V 值對 C T C 和 C T E 的影響測試

選用試驗室壓實的直徑為150mm、高度為50mm的圓柱體試件，測試溫度范圍為20 ，沿試件的水平方向測量CTC值和 C T E 值。盡管已得出CTC值和 C T E 值在較大溫度范圍內為非線性變化，但在20℃～40℃溫度范圍內，熱膨脹和收縮的變化被認為是線性的。通過式（2）和式（③）計算得出的線性假設誤差值分別為 1.87% 和1.26% ，遠小于本研究中測試結果的最大標準差 11% 。因此，在20 內，CTC值和 C T E 值被假設為線性變化。在測試過程中，在每次溫度差變化15 后，試件內的溫度需要等待大約4h，冷卻或加熱的速率為0.5℃/min，使用LVDT對溫度和變形進行連續(xù)記錄。

1.2.4骨料類型對CTC和 C T E 的影響測試

為了評估不同骨料類型對CTC值和 C T E 值的影響，選用玄武巖、河流沉積物和砂礫三種類型的骨料。試驗溫度在20 ，通過LVDT記錄溫度與變形的數據。結果顯示了不同骨料類型對試件熱膨脹和收縮性能的影響。

1.2.5骨料級配對CTC和 C T E 的影響測試

為了研究不同級配的骨料對 C T C 值和 C T E 值的影響，分別對 和 S P-I V 級配的玄武巖骨料試件進行測試。測試條件和程序與前述相同，通過對比不同級配條件下的試件表現，分析骨料級配對CTC值和CTE值的影響。

2結果分析

2.1溫度對CTC值和 C T E 值的影響

不同溫度范圍的 C T C 值和 C T E 值如表1所示，其標準差（ 為 . C T C 值和 C T E 值在不同溫度下并不恒定，CTC值為 ， C T E 值為 ，生成最佳擬合曲線。

式（1和式（2）的決定系數 分別為0.999和0.9047，表明統計結果可靠。由于最佳擬合曲線并非線性，因此在較大溫度波動情況下，線性假設可能不適用。 （1） （2）

2.2垂直與水平方向CTC值和CTE值的差異

在 ，AC試件垂直方向和水平方向的C T C 值和 C T E 值如圖3所示。圖3（a）顯示，水平方向的CTC值普遍小于垂直方向；圖3（b）顯示，水平方向的C T E 值均小于垂直方向，并且變化趨勢平行。整體而言，水平方向的CTC值和CTE值比垂直方向的值低 4.7% 。

水平CTC值和 C T E 值低于垂直值可能是由于骨料在水平方向上排列時，平坦面的面積更大，從而使瀝青含量相對增加，導致水平方向的 C T C 值和 C T E 值較低。因此，瀝青含量的微小減少可能會導致CTC值和CTE值的降低。需要進行統計試驗以評估 C T C 值和 C T E 值變化的顯著性。

采用25 ℃～40℃的試驗數據，使用單因素方差分析檢驗 C T C 值和 C T E 值沿水平方向的下降情況。CTC值和 C T E 值的 值（原假設為真的概率）分別為0.13和0.365，均 gt;0.05（5% ，因此原假設成立（原假設為平均值相等），故水平和垂直方向上的 C T C 值和 C T E 值在統計上沒有顯著差異。

2.3 A V 值對 值和 C T E 值的影響

測得三種不同類型試件的平均 C T C 值和 C T E 值，如圖4所示。對于 A V 值為 1.4%.5.5% 和 9.7% 的試件， C T C 值分別為 3.35×10^-5、3. 和 ，對應的標準差分別為 、0. 和 。這表明， C T C 值隨著A V 值的增加而降低， C T E 值也隨著 A V 值的增加而降低。較高 A V 值的材料內部存在更多的空隙，隨著單個顆粒的伸長，其會稍微填補這些空隙，但不會顯著影響整個試件的尺寸，這可能是導致 C T C 值和 C T E 值較低的原因。然而，需要進行統計測試來進一步驗證這種下降趨勢的顯著性。

采用成對t檢驗分析 A V 值對 C T C 值和 C T E 值下降的影響，原假設為任意兩組試件的 C T C 和 C T E 平均值相等。不同 A V 值的混合料 C T C 和 C T E 的""值如表2所示。可以看出，所有成對比較的""值均 gt;0.05 因此，原假設成立，這意味著在 95% 的置信區(qū)間內，CTC值和 C T E 值在不同 A V 值的試件之間沒有統計學上顯著的差異。盡管圖4顯示了 C T C 和 C T E 隨著 A V 值的增加而有所下降，但這種變化在統計上并不顯著，表明 A V 值對試件的 C T C 值和 C T E 值影響不顯著。

2.4骨料類型對CTC值和 C T E 值的影響

骨料類型對AC的 C T C 值和 C T E 值的影響，如圖5所示。河流沉積物、玄武巖和砂礫混合料的平均 C T C 值分別為""、""和2.88 ×""，對應的標準差分別為""、0. 04×""和""。這表明，使用河流沉積物的混合料具有最高的 C T C 值，而使用砂礫的混合料具有最低的CTC值。

采用成對t檢驗分析不同骨料類型對CTC值的影響。原假設為任意兩種混合料的CTC平均值相等。不同骨料類型 C T C 和 C T E 的""值，如表3所示。結果顯示，所有""值均 lt;0.05（5%） ，因此原假設不成立。在95% 的置信區(qū)間內， C T C 值和 C T E 值存在顯著差異，說明骨料類型對 C T C 值和 C T E 值有顯著影響。

河流沉積物、玄武巖和砂礫混合料的平均CT值分別為2.73x10^-5/℃、2.39x10^-5/℃和2.23x10^-5/℃，其標準差分別為 0.04x10^-5/℃、0.03 x 10^-5/℃ 和0.001x10^-5/℃。這表明，河流沉積物混合料的 CTE 值最高，而砂礫混合料的 CTE 值最低，CTC 值也表現出類似的趨勢。

3結語

本研究探討了溫度、各向異性、氣孔率、骨料類型和河流沉積物、玄武巖和砂礫混合料的平均 CTE值分骨料級配對AC的CTC值和 C T E 值的影響。研究結果可以應用于熱應力計算中，并得出以下結論：AC的 C T C 和 C T E 隨溫度變化呈非線性趨勢，其中CTC值在溫度范圍-20℃～55℃呈現凹形變化，而CTE值則呈凸形變化。統計分析顯示，AC在水平方向和垂直方向的C T C 和 C T E 值無顯著差異。此外，孔隙率 （A V ）和骨料級配對 C T C 值和 C T E 值的影響不顯著，但骨料類型對這兩個參數的影響顯著，其中使用河流沉積物的骨料表現出最高的 C T C 值，而使用砂礫的骨料表現出最低的C T C 值，表明骨料類型在AC熱性能優(yōu)化中具有關鍵作用。研究還表明，在較大溫度波動下，線性假設可能不適用，需考慮非線性效應以更準確地預測AC的熱應力。盡管不同試件的 C T C 值和 C T E 值存在差異，但在大多數情況下，這些差異在統計學上并不顯著，表明試件條件對AC性能的影響在某些范圍內較為有限。

參考文獻

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