不同溫度環境下路面瀝青混凝土彎曲力學特性試驗研究

查志英

(揚州天達建設集團有限公司,江蘇 揚州 211400)

1 引 言

瀝青混凝土作為一種混凝土衍生類工程材料,具有良好耐久性、力學穩定性及工程適配性[1,2],探討瀝青混凝土材料力學特征有助于推動該類型材料設計、應用水平。瀝青混凝土力學特征包括不同狀態下壓縮、拉伸及彎曲等力學水平[3,4],其中彎曲力學特征是混凝土工程需要關注的重點。常海波[5]、李富盈[6]為研究瀝青混凝土的壓縮力學特征,設計了室內力學加載試驗,從室內瀝青混凝土試樣的宏觀力學特征表現,探討其壓縮力學水平受配合比、凍融或干濕物理環境的影響[7]。王亮等[8]、馬翔等[9]借助離散元仿真計算方法,分析了瀝青混凝土的基礎力學特征,從顆粒流模型細觀破壞特征分析瀝青混凝土提升力學水平的實際要點。高、低溫物理場作用下,瀝青混凝土的力學特征將會受影響,韓群柱等、王靜雯[10]探討了溫度物理場耦合下壓縮、拉伸力學特征變化,探討了溫度物理場對瀝青混凝土力學水平影響,豐富了該材料在復雜工程環境下設計、應用參考成果。針對保定快速干線工程瀝青混凝土不同溫度下彎曲力學特征,設計開展了高、低溫物理環境耦合下的三點彎曲力學試驗,從試驗結果分析評價瀝青混凝土彎曲力學影響特性。

2 試驗方法

2.1 試驗背景

為快速提升保定主城區交通基礎設施建設水平,計劃沿著環城水系修建快速公路,全長76 km,按照Ⅱ級公路建設,全路面均鋪設瀝青混凝土材料,計劃投入運營后,可縮短保定北部徐水、滿城與南部清苑通行時間,構建起環城保定大交通圈,并與涿州等環京津地區建立起完善的交通協同發展示范,有助于加快京雄保一體化發展。全干線規劃線路有三豐路與北二環的快速公路連接載體,當前正進行的東二環高架樞紐,全路面鋪設瀝青混凝土長度18.5 km,包括有多座立交橋交通樞紐,如東二環與東風路立交樞紐,采用斜拉橋截面體型。而在東二環與三豐路交口處,橫跨府河建設懸索橋,橋面高度為9.5 m,按照間距150 m的方式設置箱涵設施,懸索點總跨度為900 m,設計橋面最大位移量不超過10 mm,同樣采用同類型瀝青混凝土材料鋪設橋面,摻加有抗凍裂劑,含量為2%～3%不等,確保冬季低溫環境下路面或橋面均能滿足交通荷載要求。對全干線工程分析得知,快速干線工程一方面是交通工程,另一方面也是進行城區市政管網再建、維護的重點設施,在路面、路基工程中瀝青混凝土均有較大規模應用,最大抗裂應力可達10 MPa,即使高溫天氣,瀝青混凝土耐熱極限可達100 ℃。鑒于該類型瀝青混凝土材料的壓縮力學特征在高、低溫作用下均有較好表現,特別是在循環荷載下,其割線模量以及損傷比均能夠應用極限工程環境。但不可忽視,該類型瀝青混凝土的油石比配比設計乃是影響力學穩定性的關鍵,特別是油石比設計對瀝青混凝土的抗彎能力影響;同時,該材料在高、低溫物理場作用下,彎曲力學特征的影響變化也是瀝青混凝土材料設計、應用參考的重點。為此,針對該類型瀝青混凝土材料開展高、低溫物理作用下彎曲力學試驗研究。

2.2 試驗介紹

為探討瀝青混凝土在高、低溫物理場作用下力學特征影響變化,采用混凝土力學試驗設備開展加載試驗。該試驗設備具有多模塊、低振頻以及物理場耦合精度高的特點,加載平臺上安裝有物理環境試驗箱,可實現不同溫度工程環境下的力學試驗。該試驗設備采用LVDT傳感器進行位移監測,其量程為-15～15 mm,也可根據實驗需求進行量程更改。另有其他軸、環向監測傳感器安裝至試樣周身,確保試樣力學變形破壞全過程可視化。試驗數據通過八通道傳輸裝置實時傳回數據,采集間隔為1 s,所有數據在試驗設備的中控裝置中完成初步處理,可為調整試驗步驟提供參照,與之同時八通道數據會在電腦程序中互相驗證與監控,若有數據超過實驗誤差,會在試驗數據初步處理前進行刪除處理,確保試驗結果可靠。該試驗設備所耦合工程環境模擬箱可實現高、低溫作用,上、下限值分別為200 ℃、-30 ℃,采用電熱傳導方式進行力學試驗,溫度加載速率為2.5 ℃/min,每次加溫時間控制在4 h左右,且至預定溫度后,保溫時間不少于4 h,確保試樣加荷過程溫度熱作用或凍結作用均勻。

根據對環城快速公路工程瀝青混凝土材料取樣,在室內實驗室測定混凝土中瀝青軟化點為45.5 ℃,密度為0.785 g/cm3,粗骨料粒徑分布為2.8～16 mm,骨料壓碎值為10.5%,細骨料吸水率為0.45%,中值粒徑為0.55 mm,所使用的混凝土初步配合比與C30一致。為研究瀝青混凝土試樣彎曲力學特性,本試驗采用三點彎曲力學試驗方法,試樣長、寬、高尺寸分別為25 cm×12 cm×6 cm,試驗前試樣表面已在室內精加工打磨,平整度滿足試驗規程需求。由于試驗方案中含有油石比影響因素,因而制樣時應考慮對不同油石比組試樣進行分類制備。所有試樣在進入加載平臺前,均需完成24 h的恒溫、恒濕養護,對其初始制樣擾動損傷進行恢復處理。

試驗設備按照加載示意進行設備調試,在試驗平臺上安裝試樣;完成高、低溫物理作用與保溫時效后,以恒定加載速率進行彎曲力學破壞,采用LVDT位移控制方式,速率為0.02 mm/min。試驗設計高溫熱作用溫度分別為25、50、75、100、125、150 ℃,而低溫作用包括有工程所處地區冬季抗凍溫度,分別設定為-30、-25、-20、-10、-5 ℃。配合比參數中以油石比為研究對象,設定油石比分別為1%、3%、5%、7%、9%、11%共六組試樣,試驗參數設計如表1所示。基于上述不同溫度下熱作用與凍結作用,開展油石比配合比設計影響下的瀝青混凝土的三點彎曲力學試驗。

表1 試驗設計表

3 配合比對瀝青混凝土彎曲力學特性影響

基于不同油石比試驗組彎曲力學試驗,獲得如圖1所示試驗結果。依據圖中彎曲應力應變特征可知,當油石比愈大,則混凝土試樣彎曲應力愈低。當彎曲應變為0.5%時,此時試樣處于屈服變形階段,試樣以不可恢復損傷變形為主;油石比1%試樣彎曲應力為3.8 MPa;而油石比3%、7%、11%試樣彎曲應力較之分別減少了9.6%、40.3%、66.8%。進一步具體分析油石比對彎曲應力影響可知,當油石比不超過7%時,彎曲應力受之影響較小,如油石比3%、7%試樣抗彎應力較之油石比1%下分別僅有9.3%、28.3%降幅,其中油石比1%、7%試樣抗彎應力分別達5.74 MPa、4.12 MPa,隨油石比每遞增1%,抗彎應力將隨之降幅10.5%。另一方面,當油石比超過7%后,瀝青混凝土試樣彎曲應力水平下降較快,抗彎應力在油石比9%、11%下分別為3.1 MPa、1.99 MPa,較之油石比7%試樣分別減少了25.8%、51.6%。由此可知,油石比參數對瀝青混凝土彎曲力學特性影響具有“過節點”特征,當油石比超過7%后,試樣抗彎應力受削弱程序大幅增加。分析認為,油石比愈多,當超過一定節點后,預示著瀝青在混凝土內部具有主導性作用,會加劇混凝土內部軟弱層的分布,對控制瀝青混凝土抗彎薄弱面具有促進效應[11,12],從而表現出抗彎應力大幅下降特征。

圖1 不同油石比試驗組彎曲力學特征

在瀝青混凝土殘余應力后期,不論油石比含量為何值,試樣均具有相應殘余彎曲應力。如油石比3%、7%下試樣殘余彎曲應力分別為2.65 MPa、1.7 MPa。由此可知,油石比含量改變,不會導致瀝青混凝土失去抗彎殘余應力,僅會改變其殘余應力量值水平。從應變特征來看,峰值彎曲應變分布在0.85%～0.95%,不同油石比含量試樣間峰值彎曲應變差異較小。當油石比含量遞增,試樣彎曲模量均會減小,模量參數的影響特征與抗彎應力變化一致。

4 高、低溫物理作用對彎曲力學特性影響

4.1 高溫物理作用影響

當環境模擬箱物理場為高溫熱作用環境時,瀝青混凝土典型試樣彎曲應力應變特征如圖2所示。由應力應變趨勢可知,溫度愈高,瀝青混凝土的抗彎應力具有先增后減變化特征,轉折節點溫度為100 ℃。當熱作用溫度低于100 ℃時,溫度與彎曲應力水平具有正相關,在應變0.5%時溫度25 ℃試樣彎曲應力為0.95 MPa,而溫度75 ℃、100 ℃試樣在該變形時彎曲應力較之分別增長了1.1倍、2倍;但溫度超過100 ℃后,試樣彎曲應力水平呈遞減變化,如仍是應變0.5%時,溫度125 ℃、150 ℃下試樣彎曲應力分別為2.45 MPa、2.05 MPa,較之溫度100 ℃下分別減少了16.5%、27.5%,甚至溫度150 ℃下抗彎應力接近溫度75 ℃下。從抗彎應力對比來看,在熱作用溫度不超過100 ℃時,溫度25 ℃、50 ℃下試樣抗彎應力分別為1.76 MPa、2.5 MPa,而隨溫度每遞增25 ℃,抗彎應力分別提高41.3%;與之相反的是,在溫度超過100 ℃后,抗彎應力隨溫度梯次變化為平均降幅10.7%。由試驗結果分析可知,高溫物理作用下,瀝青混凝土的彎曲力學特性具有“雙向”特點,這與瀝青混凝土內部晶體顆粒耐熱膨脹極限有關。當內部晶體顆粒在受熱下膨脹變形時,對試樣內部孔隙填充及密實性有正面作用,但當受熱荷載超過顆粒極限耐熱值時,如瀝青等礦物成分會導致試樣抗彎能力下降[13]。

圖2 不同高溫試驗組彎曲力學特征

分析圖2中應變影響可知,高溫物理環境溫度為125 ℃、150 ℃時,試樣呈應變變化快、彎曲應力變化慢的延塑性變化特征,即溫度愈高,會促發瀝青混凝土試樣由彈脆性變形主要轉變至延塑性變形主導。從工程實際應用考慮,路面瀝青混凝土材料應避免環境溫度較高,當環境溫度過高時,應人為干涉降溫處理。

4.2 低溫物理作用影響

從低溫物理作用下試驗組方案中,獲得圖3所示低溫凍結力作用影響結果。由圖中應力應變影響可知,溫度愈低,試樣彎曲應力水平愈大,但彎曲應力水平隨低溫作用在溫度-20 ℃后增幅放緩;在彎曲應變為0.5%時,低溫-5 ℃、-10 ℃試樣彎曲應力為1.4 MPa、2 MPa,而低溫-20、-25、-30 ℃下試樣彎曲應力較之-5 ℃下分別增大了1.14、1.83、2.45倍。從抗彎應力對比來看,在低溫-5 ℃、-10 ℃兩試樣中分別為2.21 MPa、3.26 MPa,在-5～-20 ℃方案間,隨低溫梯次遞增,其抗彎應力平均增長32.3%,方案間最大增幅達47.6%,而在低溫-25 ℃、-30 ℃方案間抗彎應力最大增幅為6.8%。由此可知,低溫凍結作用對試樣彎曲力學特性影響具有上限,溫度進一步降低,雖能促發瀝青混凝土內部水顆粒膨脹,使試樣孔隙密實,但試樣水顆粒在極限低溫下是有限的,即便凍結力很大,也會在試樣內部殘余一定的孔隙,故而彎曲應力水平的增幅會減弱。

圖3 不同低溫下彎曲應力應變特征

在殘余應力階段,各試樣彎曲殘余應力變化關系與抗彎應力一致,但各低溫條件下不同試樣間殘余應力的差幅較抗彎應力大。隨低溫增長,峰值彎曲應變減小,脆彈性變形特征增強,在低溫-5、-15、-25 ℃下試樣峰值彎曲應變分別為0.98%、0.88%、0.8%。從工程實際應用分析,路面瀝青混凝土應控制低溫不超過-20 ℃,控制在合理低溫范疇更為有利,避免混凝土趨于脆性破壞。

5 結 論

(1)油石比愈大,試樣彎曲應力水平愈低,在油石比不超過7%時,油石比對抗彎應力影響較小,而在超過7%后,抗彎應力下降較顯著,油石比9%、11%下較之7%試樣分別減少了25.8%、51.6%;油石比對峰值彎曲應變影響較小,各油石比試樣均存在殘余彎曲應力。

(2)以高溫100 ℃為影響節點,試樣抗彎應力隨之先增后減,在該節點前、后方案內,隨溫度梯次方案,抗彎應力分別平均增幅41.3%與降幅10.7%;溫度升高,試樣逐步演變至延塑性變形主導。

(3)低溫愈低,試樣彎曲應力水平愈大,但在低溫-20 ℃后彎曲應力的增長減弱,低溫-20～-30 ℃方案間抗彎應力最大增幅為6.8%;殘余彎曲應力隨低溫變化影響幅度高于抗彎應力。

(4)從工程實際考慮,環境溫度不應過高,同時低溫環境下應注意瀝青混凝土的脆性破壞。