高溫作用下瀝青混凝土路用性能分析

索 偉

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司國際建設(shè)分公司，北京 100000)

0 引言

隨著海外公路工程建設(shè)項(xiàng)目越來越多，來自國外施工企業(yè)的競爭也日趨激烈，國外業(yè)主對施工進(jìn)度及質(zhì)量的要求也更加嚴(yán)格。在公路建設(shè)如火如荼的同時，路面病害逐年增加，高溫使得瀝青路面出現(xiàn)明顯的車轍。因此，有必要對瀝青混凝土高溫后的路用性能進(jìn)行研究。

近年來，關(guān)于高溫作用下瀝青混凝土的力學(xué)特性研究成果頗豐。秦杰等[1]通過室內(nèi)試驗(yàn)對干濕循環(huán)及高溫耦合作用下瀝青混凝土的性質(zhì)進(jìn)行了研究，分析了兩因素對瀝青混凝土的影響機(jī)理。吳玲玲等[2]通過室內(nèi)試驗(yàn)對3種瀝青混凝土的高溫路用性能進(jìn)行了研究，對比分析了三種瀝青混凝土的強(qiáng)度、回彈模量及動穩(wěn)定度的差異。沈凡等[3]采用工業(yè)鋼渣代替天然集料對瀝青混凝土進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)，分析了瀝青混凝土的高低溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)性。雷小磊等[4]以水泥作為摻入集料，對不同水泥摻量的瀝青混凝土進(jìn)行了高低溫性能試驗(yàn)機(jī)瀝青混凝土的路用性試驗(yàn)。陳安京[5]基于瀝青路面的車轍病害問題，提出了一種溫拌高模量瀝青混凝土的方法，并對該方法制備好的混凝土進(jìn)行了路用性試驗(yàn)分析。馮新軍等[6]對瀝青混凝土進(jìn)行了溫度疲勞試驗(yàn)，對不同溫度環(huán)境地區(qū)的瀝青混凝土性質(zhì)進(jìn)行了分析。康曉革等[7]對低溫地區(qū)瀝青混凝土抗裂性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，明確了瀝青混凝土低溫病害機(jī)理。包雪巍等[8]針對瀝青混凝土路面車轍問題，不同抗車轍劑摻量下的瀝青混合料進(jìn)行了車轍試驗(yàn)研究。王選倉等[9]通過搜集我國寒區(qū)瀝青混凝土路面高溫病害資料，對寒區(qū)瀝青混凝土路面的高溫性能指標(biāo)進(jìn)行了研究。陳華梁等[10]針對沿海地區(qū)公路所處的特殊地理環(huán)境，對瀝青混凝土進(jìn)行了鹽分濃度、溫度及熱循環(huán)次數(shù)下的試驗(yàn)研究，分析了混合料的動彈模量及相位角的變化規(guī)律。高丹盈等[11]通過瀝青混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)，對纖維瀝青混凝土的低溫力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，并建立了溫度應(yīng)力的計(jì)算模型。

綜上，已有研究成果對高溫作用下瀝青混凝土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，但對煤矸石作為粗骨料與高溫共同作用下瀝青混凝土路用性質(zhì)的研究相對較少。鑒于此，本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，對煤矸石粗骨料瀝青混凝土在高溫作用下的路用性進(jìn)行研究，分析溫度與煤矸石摻量對瀝青混凝土的強(qiáng)度、蠕變變形及動穩(wěn)定度的影響規(guī)律，以期為工程實(shí)際提供一定理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)介紹

本文瀝青混凝土所采用的級配類型為AC-13級配，采用I-C型改性瀝青，采用玄武巖級配碎石(圖1)，油石比為4.7%，并在混合料中加入不同比例的煤矸石，煤矸石粒徑大小及顆粒級配與玄武巖相同。瀝青參數(shù)及煤矸石化學(xué)成分見表1。

表1 材料參數(shù)

圖1 碎石級配曲線

本文瀝青混凝土強(qiáng)度性能試驗(yàn)、蠕變性能試驗(yàn)所采用的試件尺寸為80 mm×100 mm(直徑×高)的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，可通碾壓過的大塊瀝青混凝土鉆芯獲取。瀝青混凝土的制備方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE—2011)，其中蠕變性能試驗(yàn)的軸壓為0.5 MPa，蠕變時間為120 min。動穩(wěn)定性試驗(yàn)的試件尺寸為300 mm×300 mm×100 mm(長×寬×高)，設(shè)置輪壓為0.65 MPa，軸向荷載為700 kN，碾壓次數(shù)為2 500次，瀝青混凝土動穩(wěn)定度計(jì)算原理如下：

(1)

式中：DS為瀝青混凝土動穩(wěn)定度；L1為T1時刻的形變量；L2為T2時刻的形變量。

為研究高溫作用下?lián)矫喉肥癁r青混凝土的路用性能，本文根據(jù)已有研究成果，設(shè)置煤矸石摻量分別為0、10%、20%、30%，則玄武巖摻量分別為100%、90%、80%、70%。設(shè)置溫度環(huán)境分別為30、40、50、60 ℃，高溫環(huán)境采用恒溫水域進(jìn)行模擬，將制備好的試件采用防水橡膠密封包裹，按編號放入指定溫度恒溫水域中，持續(xù)時間為12 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度性能

圖2為不同煤矸石粉摻量下，瀝青混凝土單軸抗壓強(qiáng)度分布曲線。

當(dāng)煤矸石摻量為0時，瀝青混凝土在30、40、50和60 ℃時的單軸抗壓強(qiáng)度分別為2.52，2.47、2.33和2.17 MPa；當(dāng)煤矸石摻量為10%時，瀝青混凝土在30、40、50和60 ℃時的單軸抗壓強(qiáng)度分別為2.33，2.23、2.15和2.05 MPa；當(dāng)煤矸石摻量為20%時，瀝青混凝土在30、40、50及60 ℃時的單軸抗壓強(qiáng)度分別為2.10，2.05、1.91和1.81 MPa；當(dāng)煤矸石摻量為30%時，瀝青混凝土在30、40、50及60 ℃時的單軸抗壓強(qiáng)度分別為1.80，1.75、1.67和1.60 MPa；可見，隨著瀝青混凝土賦存溫度逐漸升高，試樣內(nèi)部的瀝青混合料逐漸軟化，骨料之間的咬合力逐漸減小，承載能力下降，進(jìn)而導(dǎo)致單軸抗壓強(qiáng)度逐漸降低。隨著煤矸石摻量的逐漸增加，瀝青混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度同樣會逐漸減小，當(dāng)煤矸石摻量小于10%時，煤矸石摻量對瀝青混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度影響較小，當(dāng)煤矸石摻量大于10%時，煤矸石摻量對瀝青混凝土單軸抗壓強(qiáng)度影響顯著，此時，單軸抗壓強(qiáng)度與煤矸石摻量近似呈線性遞減關(guān)系。當(dāng)煤矸石摻量為30%時，試樣在30、40、50及60 ℃下的單軸抗壓強(qiáng)度分別較摻量為0時減少了28.57%、29.15%、28.33%和26.27%。可見，煤矸石摻量10%為影響瀝青混凝土單軸抗壓強(qiáng)度的臨界點(diǎn)，當(dāng)煤矸石摻量小于10%時，其在混合料中的承載比重較低，對強(qiáng)度的影響較小；當(dāng)煤矸石摻量大于10%時，其在混合料中的承載比重升高，對強(qiáng)度的影響顯著。

圖2 單軸抗壓強(qiáng)度分布曲線

2.2 蠕變性能

當(dāng)軸向荷載為0.5 MPa、蠕變時間為120 min時，瀝青混凝土的塑性應(yīng)變分布曲線如圖3所示。

當(dāng)煤矸石摻量為0時，瀝青混凝土在30、40、50及60 ℃時的塑性應(yīng)變分別為0.71%、0.93%、1.21%和1.71%；當(dāng)煤矸石摻量為10%時，瀝青混凝土在30、40、50及60 ℃時的塑性應(yīng)變分別為0.95%、1.05%、1.25%和1.75%；當(dāng)煤矸石摻量為20%時，瀝青混凝土在30、40、50及60 ℃時的塑性應(yīng)變分別為1.28%、1.38%、1.72%和2.32%；當(dāng)煤矸石摻量為30%時，瀝青混凝土在30、40、50及60 ℃時的塑性應(yīng)變分別為1.55%、1.67%、2.08%和2.76%。可見，隨著瀝青混凝土賦存溫度的逐漸升高，試樣的損傷程度逐漸加重，黏塑性特征逐漸顯著，進(jìn)而導(dǎo)致塑性變形逐漸增大。隨著煤矸石摻量的逐漸增大，瀝青混凝土的塑性應(yīng)變也逐漸增大。當(dāng)煤矸石摻量小于10%時，煤矸石摻量對瀝青混凝土的塑性應(yīng)變影響較小；當(dāng)煤矸石摻量超過10%時，煤矸石摻量對瀝青混凝土的塑性應(yīng)變影響顯著，當(dāng)煤矸石摻量達(dá)到30%時，試樣在30、40、50及60 ℃時的塑性應(yīng)變較摻量0時分別增大了118.3%、79.57%、71.90%和61.41%。可見，煤矸石摻量對瀝青混凝土的塑性應(yīng)變具有顯著影響，摻量越大，瀝青混凝土的承載力越低，進(jìn)而大致塑性應(yīng)變越大。

2.3 動穩(wěn)定性能

煤矸石摻量為10%，不同溫度及賦存溫度為30 ℃，不同煤矸石摻量下瀝青混凝土的車轍試驗(yàn)曲線見圖4。受車輪荷載的反復(fù)作用，瀝青混凝土內(nèi)部骨料會產(chǎn)生一定程度的橫向和軸向位移，進(jìn)而導(dǎo)致下部瀝青同樣受到相同作用，如此循環(huán)往復(fù)，在經(jīng)過一段時間后，瀝青混凝土路面便會形成車轍，且車轍深度逐漸增加。從圖中可以看出，不同煤矸石摻量下瀝青混凝土在開始的20 min內(nèi)車轍深度增長較快，而超過20 min后增長速率開始放緩。隨著煤矸石摻量的逐漸增加，同一時刻瀝青混凝土的車轍深度越大，說明煤矸石瀝青混凝土的承載力逐漸減弱。

圖4 車轍試驗(yàn)曲線

取試驗(yàn)時間75 min和100 min時的瀝青混凝土車轍深度，計(jì)算溫度為30 ℃、不同煤矸石摻量和煤矸石摻量為10%，不同溫度下的動穩(wěn)定度見圖5。由圖可知，當(dāng)賦存溫度為30 ℃時，煤矸石摻量0、10%、20%和30%對應(yīng)的瀝青混凝土動穩(wěn)定度為6 497、6 043、5 799和5 449次/mm；當(dāng)煤矸石摻量為20%，賦存溫度30、40、50、和60 ℃對應(yīng)的瀝青混凝土動穩(wěn)定度為6 497、6 194、6 089和5 858次/mm，可見，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度隨賦存溫度、煤矸石摻量均呈遞減趨勢。采用Origin軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土動穩(wěn)定度隨煤矸石摻量、溫度均呈線性函數(shù)關(guān)系，擬合相關(guān)度均在0.95以上。

圖5 動穩(wěn)定度分布曲線

3 結(jié)論

(1)隨著瀝青混凝土賦存溫度的逐漸升高，單軸抗壓強(qiáng)度逐漸降低。隨著煤矸石摻量的逐漸增大，瀝青混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度同樣逐漸減小。

(2)隨著瀝青混凝土賦存溫度的逐漸升高，塑性變形逐漸增大。隨著煤矸石摻量的逐漸增大，瀝青混凝土的塑性應(yīng)變同樣逐漸增大。

(3)隨著瀝青混凝土賦存溫度的逐漸升高，車轍深度逐漸加深。隨著煤矸石摻量的逐漸增大，車轍深度同樣逐漸加深。瀝青混凝土的動穩(wěn)定度隨賦存溫度、煤矸石摻量均呈線性遞減趨勢。

(4)對于煤矸石置換玄武巖粗骨料，當(dāng)煤矸石摻量小于10%時，對瀝青混凝土的各性能參數(shù)影響較小。當(dāng)煤矸石摻量大于10%時，對瀝青混凝土的各性能參數(shù)影響較大。因此，在不影響安全運(yùn)營的前提下可適當(dāng)摻加適量煤矸石作為瀝青混凝土粗骨料。