探究溫濕度環境差異下瀝青混凝土動態力學性能的影響

關鍵詞：溫濕度環境差異；瀝青混凝土；動態力學性能；影響研究

中圖分類號：TQ177.6+3；TU528 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0080-04

瀝青混凝土在建筑工程中有著廣泛的應用，其動態力學性能受到多種因素的影響。溫濕度環境的差異是影響瀝青混凝土動態力學性能的重要因素之一，如強度和疲勞壽命，都會發生變化，從而影響建筑物的安全性和耐久性[1]。通過研究溫濕度環境差異對瀝青混凝土動態力學性能的影響，可以深入了解瀝青混凝土的動態力學指標變化規律與達到破壞臨界點的內在機理，提高其在建筑工程建設中的應用安全性。另外，本研究可以為建筑材料研究人員和工程師預測與優化瀝青混凝土在復雜環境中的應用性能提供更準確可靠的數據。

1試驗部分

1.1試驗原料及設備

試驗中使用的原材料主要包括瀝青、骨料和礦粉。其中，骨料成分由粗骨料和細骨料構成，填料通常為水泥、石灰等。瀝青選擇中等聚合物瀝青混合料（C-20）；粗骨料取自城市廢棄建筑物的再生骨料；細骨料選擇天然骨料，主要由破碎石灰石和鉀長石構成。經過驗前測試，得到骨料的主要參數，具體如表1所示。

試驗中用到的其他外加劑還包括聚梭酸高性能減水劑（KDSP-1）、石蠟乳液型養護劑以及低堿液體速凝劑[2]。

根據類似工程配合比設計經驗，結合對骨料摻量的計算，選取油石比為2.3%、礦粉含量為10.56%、最大骨料19mm的瀝青混凝土配合比。其中，骨料摻量為6.5%，配合比級數為0.15，減水劑摻量1.0%，養護劑用量3.5%，速凝劑摻量4.2%。則得到的瀝青混凝土材料配合比如表2所示。

本試驗選用的儀器設備包括高速攪拌機、萬能壓力試驗機、恒溫恒濕養護箱、試件試模、高低溫交變濕熱試驗箱以及大型水箱。

1.2試件制備

（1）將原材料按照配合比進行處理，其中，骨料和填料的比例以及水和添加劑的用量根據表2確定；

（2）根據配合比，將原料進行充分攪拌，并在每份試樣中添加1∶2比例的水與外加劑，使用高速攪拌機進行混合攪拌。設置攪拌時間為30min，以確保混合物的均勻性和穩定性。混合物攪拌完成后，將其靜置放置，以便隨后壓實和成型；

（3）放置一段時間后，將混合物放置在混凝土試模中，并使用滾筒壓制。在壓制過程中，控制壓力為1500kN，壓制時間為1.5h，當試樣的致密性和穩定性達到試驗要求時，將試件從試驗模具中取出，并進行修整和清潔[3]；

（4）將得到的試樣放置于恒溫養護箱中養護24h，在該過程中，首先將溫度調高至95℃，持續升溫時間為5min，隨后將溫度降至26℃，持續降溫時間為1h，控制相對濕度為70%，以確保試樣的正常硬化；

（5）養護完成后，取出試樣，并對其進行修整，以獲取標準瀝青混凝土試樣100mm×100mm的圓柱體，用于后續力學性能測試[4]。

1.3試驗方法

試驗采用控制變量的方式研究不同溫濕度變化對瀝青混凝土動態力學性能的影響[5]，即首先選定一個溫度，研究在該溫度下不同濕度條件對混凝土力學性能的影響情況；其次選定一個濕度，研究在該濕度下不同溫度變化對混凝土試件的力學性能的影響；最后根據試驗數據分析溫濕度環境差異與瀝青混凝土動態力學性能的具體關系。

本實驗采用高低溫交替濕熱試驗箱和水箱浸泡法改變試件的溫濕度環境，以達到設計的溫濕度環境條件[6]。測試過程的具體步驟如下。

試樣標準養護25d后，將一組試樣浸入水中，模擬100%濕度的環境；將剩余的試樣依次放置在高低溫交替濕熱試驗箱中，設定溫度和濕度以模擬剩余各組試樣所需的溫度和濕度環境條件。每組標本在不同的溫、濕度條件下靜置20d后，將其從設定的溫、濕度環境中取出并放置在室內2d，然后對其試件進行動態力學性能變化的測試。

2試驗結果與分析

2.1溫濕度環境差異對瀝青混凝土抗壓強度的影響

為了研究不同的溫濕度條件對瀝青混凝土試樣抗壓強度的影響，對于試件的抗壓強度，均采用壓力試驗機進行測定。整個試驗過程嚴格遵從相關標準進行。將3個試件作為一組進行測試，并取3個測試結果的平均值作為試樣的試驗結果。另外，當單個試樣測試值和平均值的差值超過±10%時，剔除該測試值，取剩余2個試樣測試值的平均值作為試驗結果[7]。

首先研究不同環境溫度對瀝青混凝土試樣力學性能的影響。控制環境濕度不變，將提前制備的試樣表面擦拭干凈后并使上下承壓面保持平整且無明顯缺陷[8]，隨后置于試驗機上，并將其放入高低溫試驗箱，此時調節試驗機參數大小，將初始加載速度設置為0.6MPa/s，并使得試驗機保持0.2MPa/s的速度連續加載，直至試件破壞。按照試樣編號記錄每個試件破壞時受到的極限荷載以及當前的破壞形態，進而分析溫度環境差異對瀝青混凝土試件抗壓強度的影響。

在以上試驗基礎上，控制溫度不變，將試樣置于水箱中浸泡，設計了3種環境濕度條件，分別為標準養護、包裹養護和自然養護。這3種工況下的養護齡期均為14d。將所有試樣養護到相應的齡期后進行抗壓強度測試，得出不同濕度環境條件下瀝青混凝土試樣抗壓強度的變化規律。試驗結果如圖1和圖2所示。

由圖1可以看出，基于相同荷載的不同溫度環境下，瀝青混凝土試樣的抗壓強度均出現了先增大后減小的情況。當荷載力為30kN時，試件在10℃左右時達到了最大抗壓強度78.32MPa，當荷載逐漸加大時，試樣的最大抗壓強度值所對應的溫度也較高，說明試樣抗壓強度與溫度之間存在顯著的相關關系[9]。溫度的升高能夠加快水泥的水化反應速率，使得試件的前期抗壓強度的升高幅度變大[10]；但當溫度過高時，混凝土內部的收縮應力與外部荷載力會相互作用，會加速內部的水分蒸發，且導致水泥與集料之間的膨脹差異變大，進而降低了瀝青混凝土的后期抗壓強度。

由圖2可知，當保持環境溫度不變時，瀝青混凝土試樣的抗壓強度隨著濕度的增加呈現出先增大后減小的情況，當以養護條件為變量時，試樣的抗壓強度均在70%時達到了最大值，分別為36.23、32.45和26.12MPa。這說明，當試樣的養護條件一定時，適當提高環境濕度能夠有效提升瀝青混凝土的抗壓強度；然而，當環境濕度較高時，其對瀝青混凝土抗壓強度會起到負面影響，不利于瀝青混凝土抗壓強度的發展[11]。另外，小幅度提高環境濕度值，可以改變混凝土內部的孔隙結構與界面能。在潮濕環境下，混凝土內部的孔隙會收縮，界面能會增加，從而提高了瀝青混凝土的抗壓強度。而當環境濕度持續增大時，再生粗骨料的吸水率會變大，長期吸水導致填料與骨料以及水泥石基體發生形變，對其抗壓強度起到劣化作用。

2.2溫濕度環境差異對瀝青混凝土劈裂抗拉強度的影響

本次試驗中采用了2個100mm×100mm的試樣進行不同溫、濕度條件下的劈裂抗拉強度測試。為了保證每個試樣的干燥程度接近建筑中的混凝土實際情況，本試驗在開始前對試樣進行了12h的烘干，隨后按照試驗設計的分組情況對試樣分別進行低溫與高溫處理，并對20℃的瀝青混凝土試樣進行干燥環境與潮濕環境的劈裂抗拉強度試驗[12]。試驗設備選用萬能試驗機，設置最大試驗力為740kN，并利用下式計算試樣的劈裂抗拉強度值，即：

根據以上試驗步驟，當保持環境濕度不變時，改變環境溫度，對瀝青混凝土試樣的劈裂抗拉強度變化進行測試，結果見圖3。

由圖3可知，基于不同荷載條件下，試樣劈裂抗拉強度隨溫度的升高而增大，當環境溫度變化在-60～20℃時，試樣的劈裂抗拉強度顯著升高，且增幅較大；而當溫度高于20℃后，試樣劈裂抗拉強度的變化差異不明顯。分析原因可知，當溫度升高時，混凝土內部的結構會出現顯著變化，其中對孔隙率的影響最大，從而保證混凝土不易出現因低溫而產生的裂縫與斷裂等情況[13]，同時高溫環境下會加快水化反應，導致混凝土孔隙中的水擴散速率變大，從而對內部孔壁形成保護作用，進而提高了瀝青混凝土的劈裂抗拉強度。

當保持環境溫度不變時，改變環境濕度，并對瀝青混凝土試樣劈裂抗拉強度進行試驗，得到的測試結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著環境濕度的增大，瀝青混凝土試樣的劈裂抗拉強度呈現出先增大后減小的趨勢。在300kN和600kN荷載力時，當濕度為50%時，試樣達到了最大劈裂抗拉強度值，分別為65.23MPa和73.67MPa，當濕度值逐漸升高時，試樣的劈裂抗拉強度降幅較大。由此可以說明，低濕環境和過高濕度的環境均不利于瀝青混凝土劈裂抗拉強度的發展。在潮濕環境下，混凝土能夠保持一定的水分，水分進入混凝土內部并滯留在集料與水泥石之間的連接界面上，導致水膨脹帶的寬度變大，局部膨脹明顯[14]，從而對混凝土產生拉伸作用。而這種作用會對瀝青混凝土水化產物的填充以及混凝土的韌性造成有害影響，降低其劈裂抗拉強度。

3結語

綜上所述，溫濕度環境差異對瀝青混凝土動態力學性能具有較為顯著的影響，主要反映為瀝青混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度指標的變化。基于不同溫度環境下，瀝青混凝土試樣的抗壓強度均呈現先增大后減小的趨勢，適當提高環境溫度能夠增大瀝青混凝土的早期抗壓強度，而當溫度超過20℃時，瀝青混凝土的抗壓強度逐漸降低；當環境濕度為70%時，瀝青混凝土抗壓強度可達到最大值；溫度與瀝青混凝土劈裂抗拉強度呈現明顯的正相關關系，且當環境溫度變化在-60～20℃時，試樣的劈裂抗拉強度顯著升高，溫度持續升高后，其劈裂抗拉強度無明顯差異；環境濕度為50%時最利于瀝青混凝土劈裂抗拉強度的發展。