索 偉

(中鐵十九局集團有限公司國際建設分公司，北京 100000)

0 引言

隨著海外公路工程建設項目越來越多，來自國外施工企業(yè)的競爭也日趨激烈，國外業(yè)主對施工進度及質(zhì)量的要求也更加嚴格。在公路建設如火如荼的同時，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行研究。

近年來，關于高溫作用下瀝青混凝土的力學特性研究成果頗豐。秦杰等[1]通過室內(nèi)試驗對干濕循環(huán)及高溫耦合作用下瀝青混凝土的性質(zhì)進行了研究，分析了兩因素對瀝青混凝土的影響機理。吳玲玲等[2]通過室內(nèi)試驗對3種瀝青混凝土的高溫路用性能進行了研究，對比分析了三種瀝青混凝土的強度、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行了彎曲試驗、車轍試驗，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行了高低溫性能試驗機瀝青混凝土的路用性試驗。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行了路用性試驗分析。馮新軍等[6]對瀝青混凝土進行了溫度疲勞試驗，對不同溫度環(huán)境地區(qū)的瀝青混凝土性質(zhì)進行了分析?？禃愿锏萚7]對低溫地區(qū)瀝青混凝土抗裂性進行了數(shù)值模擬研究，明確了瀝青混凝土低溫病害機理。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行了車轍試驗研究。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進行了研究。陳華梁等[10]針對沿海地區(qū)公路所處的特殊地理環(huán)境，對瀝青混凝土進行了鹽分濃度、溫度及熱循環(huán)次數(shù)下的試驗研究，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力試驗，對纖維瀝青混凝土的低溫力學性質(zhì)進行了研究，并建立了溫度應力的計算模型。

綜上，已有研究成果對高溫作用下瀝青混凝土的力學性質(zhì)進行了較為詳細的研究，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，本文在總結前人研究的基礎上，對煤矸石粗骨料瀝青混凝土在高溫作用下的路用性進行研究，分析溫度與煤矸石摻量對瀝青混凝土的強度、蠕變變形及動穩(wěn)定度的影響規(guī)律，以期為工程實際提供一定理論依據(jù)。

1 試驗介紹

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

本文瀝青混凝土強度性能試驗、蠕變性能試驗所采用的試件尺寸為80 mm×100 mm(直徑×高)的標準圓柱體，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規(guī)程》(JTGE—2011)，其中蠕變性能試驗的軸壓為0.5 MPa，蠕變時間為120 min。動穩(wěn)定性試驗的試件尺寸為300 mm×300 mm×100 mm(長×寬×高)，設置輪壓為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 試驗結果分析

2.1 強度性能

圖2為不同煤矸石粉摻量下，瀝青混凝土單軸抗壓強度分布曲線。

當煤矸石摻量為0時，瀝青混凝土在30、40、50和60 ℃時的單軸抗壓強度分別為2.52，2.47、2.33和2.17 MPa；當煤矸石摻量為10%時，瀝青混凝土在30、40、50和60 ℃時的單軸抗壓強度分別為2.33，2.23、2.15和2.05 MPa；當煤矸石摻量為20%時，瀝青混凝土在30、40、50及60 ℃時的單軸抗壓強度分別為2.10，2.05、1.91和1.81 MPa；當煤矸石摻量為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，進而導致單軸抗壓強度逐漸降低。隨著煤矸石摻量的逐漸增加，瀝青混凝土的單軸抗壓強度同樣會逐漸減小，當煤矸石摻量小于10%時，煤矸石摻量對瀝青混凝土的單軸抗壓強度影響較小，當煤矸石摻量大于10%時，煤矸石摻量對瀝青混凝土單軸抗壓強度影響顯著，此時，單軸抗壓強度與煤矸石摻量近似呈線性遞減關系。當煤矸石摻量為30%時，試樣在30、40、50及60 ℃下的單軸抗壓強度分別較摻量為0時減少了28.57%、29.15%、28.33%和26.27%?？梢?，煤矸石摻量10%為影響瀝青混凝土單軸抗壓強度的臨界點，當煤矸石摻量小于10%時，其在混合料中的承載比重較低，對強度的影響較??；當煤矸石摻量大于10%時，其在混合料中的承載比重升高，對強度的影響顯著。

圖2 單軸抗壓強度分布曲線

2.2 蠕變性能

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

當煤矸石摻量為0時，瀝青混凝土在30、40、50及60 ℃時的塑性應變分別為0.71%、0.93%、1.21%和1.71%；當煤矸石摻量為10%時，瀝青混凝土在30、40、50及60 ℃時的塑性應變分別為0.95%、1.05%、1.25%和1.75%；當煤矸石摻量為20%時，瀝青混凝土在30、40、50及60 ℃時的塑性應變分別為1.28%、1.38%、1.72%和2.32%；當煤矸石摻量為30%時，瀝青混凝土在30、40、50及60 ℃時的塑性應變分別為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，進而導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變也逐漸增大。當煤矸石摻量小于10%時，煤矸石摻量對瀝青混凝土的塑性應變影響較??；當煤矸石摻量超過10%時，煤矸石摻量對瀝青混凝土的塑性應變影響顯著，當煤矸石摻量達到30%時，試樣在30、40、50及60 ℃時的塑性應變較摻量0時分別增大了118.3%、79.57%、71.90%和61.41%?？梢姡喉肥瘬搅繉r青混凝土的塑性應變具有顯著影響，摻量越大，瀝青混凝土的承載力越低，進而大致塑性應變越大。

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曲線見圖4。受車輪荷載的反復作用，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，進而導致下部瀝青同樣受到相同作用，如此循環(huán)往復，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 車轍試驗曲線

取試驗時間75 min和100 min時的瀝青混凝土車轍深度，計算溫度為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，當賦存溫度為30 ℃時，煤矸石摻量0、10%、20%和30%對應的瀝青混凝土動穩(wěn)定度為6 497、6 043、5 799和5 449次/mm；當煤矸石摻量為20%，賦存溫度30、40、50、和60 ℃對應的瀝青混凝土動穩(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軟件對試驗數(shù)據(jù)進行擬合發(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)關系，擬合相關度均在0.95以上。

圖5 動穩(wěn)定度分布曲線

3 結論

(1)隨著瀝青混凝土賦存溫度的逐漸升高，單軸抗壓強度逐漸降低。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，在不影響安全運營的前提下可適當摻加適量煤矸石作為瀝青混凝土粗骨料。