查志英

(揚(yáng)州天達(dá)建設(shè)集團(tuán)有限公司,江蘇 揚(yáng)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(xué)穩(wěn)定性及工程適配性[1,2],探討瀝青混凝土材料力學(xué)特征有助于推動(dòng)該類型材料設(shè)計(jì)、應(yīng)用水平。瀝青混凝土力學(xué)特征包括不同狀態(tài)下壓縮、拉伸及彎曲等力學(xué)水平[3,4],其中彎曲力學(xué)特征是混凝土工程需要關(guān)注的重點(diǎn)。常海波[5]、李富盈[6]為研究瀝青混凝土的壓縮力學(xué)特征,設(shè)計(jì)了室內(nèi)力學(xué)加載試驗(yàn),從室內(nèi)瀝青混凝土試樣的宏觀力學(xué)特征表現(xiàn),探討其壓縮力學(xué)水平受配合比、凍融或干濕物理環(huán)境的影響[7]。王亮等[8]、馬翔等[9]借助離散元仿真計(jì)算方法,分析了瀝青混凝土的基礎(chǔ)力學(xué)特征,從顆粒流模型細(xì)觀破壞特征分析瀝青混凝土提升力學(xué)水平的實(shí)際要點(diǎn)。高、低溫物理場(chǎng)作用下,瀝青混凝土的力學(xué)特征將會(huì)受影響,韓群柱等、王靜雯[10]探討了溫度物理場(chǎng)耦合下壓縮、拉伸力學(xué)特征變化,探討了溫度物理場(chǎng)對(duì)瀝青混凝土力學(xué)水平影響,豐富了該材料在復(fù)雜工程環(huán)境下設(shè)計(jì)、應(yīng)用參考成果。針對(duì)保定快速干線工程瀝青混凝土不同溫度下彎曲力學(xué)特征,設(shè)計(jì)開展了高、低溫物理環(huán)境耦合下的三點(diǎn)彎曲力學(xué)試驗(yàn),從試驗(yàn)結(jié)果分析評(píng)價(jià)瀝青混凝土彎曲力學(xué)影響特性。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)背景

為快速提升保定主城區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平,計(jì)劃沿著環(huán)城水系修建快速公路,全長(zhǎng)76 km,按照Ⅱ級(jí)公路建設(shè),全路面均鋪設(shè)瀝青混凝土材料,計(jì)劃投入運(yùn)營(yíng)后,可縮短保定北部徐水、滿城與南部清苑通行時(shí)間,構(gòu)建起環(huán)城保定大交通圈,并與涿州等環(huán)京津地區(qū)建立起完善的交通協(xié)同發(fā)展示范,有助于加快京雄保一體化發(fā)展。全干線規(guī)劃線路有三豐路與北二環(huán)的快速公路連接載體,當(dāng)前正進(jìn)行的東二環(huán)高架樞紐,全路面鋪設(shè)瀝青混凝土長(zhǎng)度18.5 km,包括有多座立交橋交通樞紐,如東二環(huán)與東風(fēng)路立交樞紐,采用斜拉橋截面體型。而在東二環(huán)與三豐路交口處,橫跨府河建設(shè)懸索橋,橋面高度為9.5 m,按照間距150 m的方式設(shè)置箱涵設(shè)施,懸索點(diǎn)總跨度為900 m,設(shè)計(jì)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(shè)橋面,摻加有抗凍裂劑,含量為2%～3%不等,確保冬季低溫環(huán)境下路面或橋面均能滿足交通荷載要求。對(duì)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(jìn)行城區(qū)市政管網(wǎng)再建、維護(hù)的重點(diǎn)設(shè)施,在路面、路基工程中瀝青混凝土均有較大規(guī)模應(yīng)用,最大抗裂應(yīng)力可達(dá)10 MPa,即使高溫天氣,瀝青混凝土耐熱極限可達(dá)100 ℃。鑒于該類型瀝青混凝土材料的壓縮力學(xué)特征在高、低溫作用下均有較好表現(xiàn),特別是在循環(huán)荷載下,其割線模量以及損傷比均能夠應(yīng)用極限工程環(huán)境。但不可忽視,該類型瀝青混凝土的油石比配比設(shè)計(jì)乃是影響力學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵,特別是油石比設(shè)計(jì)對(duì)瀝青混凝土的抗彎能力影響;同時(shí),該材料在高、低溫物理場(chǎng)作用下,彎曲力學(xué)特征的影響變化也是瀝青混凝土材料設(shè)計(jì)、應(yīng)用參考的重點(diǎn)。為此,針對(duì)該類型瀝青混凝土材料開展高、低溫物理作用下彎曲力學(xué)試驗(yàn)研究。

2.2 試驗(yàn)介紹

為探討瀝青混凝土在高、低溫物理場(chǎng)作用下力學(xué)特征影響變化,采用混凝土力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備開展加載試驗(yàn)。該試驗(yàn)設(shè)備具有多模塊、低振頻以及物理場(chǎng)耦合精度高的特點(diǎn),加載平臺(tái)上安裝有物理環(huán)境試驗(yàn)箱,可實(shí)現(xiàn)不同溫度工程環(huán)境下的力學(xué)試驗(yàn)。該試驗(yàn)設(shè)備采用LVDT傳感器進(jìn)行位移監(jiān)測(cè),其量程為-15～15 mm,也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行量程更改。另有其他軸、環(huán)向監(jiān)測(cè)傳感器安裝至試樣周身,確保試樣力學(xué)變形破壞全過程可視化。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過八通道傳輸裝置實(shí)時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù),采集間隔為1 s,所有數(shù)據(jù)在試驗(yàn)設(shè)備的中控裝置中完成初步處理,可為調(diào)整試驗(yàn)步驟提供參照,與之同時(shí)八通道數(shù)據(jù)會(huì)在電腦程序中互相驗(yàn)證與監(jiān)控,若有數(shù)據(jù)超過實(shí)驗(yàn)誤差,會(huì)在試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步處理前進(jìn)行刪除處理,確保試驗(yàn)結(jié)果可靠。該試驗(yàn)設(shè)備所耦合工程環(huán)境模擬箱可實(shí)現(xiàn)高、低溫作用,上、下限值分別為200 ℃、-30 ℃,采用電熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn),溫度加載速率為2.5 ℃/min,每次加溫時(shí)間控制在4 h左右,且至預(yù)定溫度后,保溫時(shí)間不少于4 h,確保試樣加荷過程溫度熱作用或凍結(jié)作用均勻。

根據(jù)對(duì)環(huán)城快速公路工程瀝青混凝土材料取樣,在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定混凝土中瀝青軟化點(diǎn)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(xì)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(xué)特性,本試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲力學(xué)試驗(yàn)方法,試樣長(zhǎng)、寬、高尺寸分別為25 cm×12 cm×6 cm,試驗(yàn)前試樣表面已在室內(nèi)精加工打磨,平整度滿足試驗(yàn)規(guī)程需求。由于試驗(yàn)方案中含有油石比影響因素,因而制樣時(shí)應(yīng)考慮對(duì)不同油石比組試樣進(jìn)行分類制備。所有試樣在進(jìn)入加載平臺(tái)前,均需完成24 h的恒溫、恒濕養(yǎng)護(hù),對(duì)其初始制樣擾動(dòng)損傷進(jìn)行恢復(fù)處理。

試驗(yàn)設(shè)備按照加載示意進(jìn)行設(shè)備調(diào)試,在試驗(yàn)平臺(tái)上安裝試樣;完成高、低溫物理作用與保溫時(shí)效后,以恒定加載速率進(jìn)行彎曲力學(xué)破壞,采用LVDT位移控制方式,速率為0.02 mm/min。試驗(yàn)設(shè)計(jì)高溫?zé)嶙饔脺囟确謩e為25、50、75、100、125、150 ℃,而低溫作用包括有工程所處地區(qū)冬季抗凍溫度,分別設(shè)定為-30、-25、-20、-10、-5 ℃。配合比參數(shù)中以油石比為研究對(duì)象,設(shè)定油石比分別為1%、3%、5%、7%、9%、11%共六組試樣,試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。基于上述不同溫度下熱作用與凍結(jié)作用,開展油石比配合比設(shè)計(jì)影響下的瀝青混凝土的三點(diǎn)彎曲力學(xué)試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

3 配合比對(duì)瀝青混凝土彎曲力學(xué)特性影響

基于不同油石比試驗(yàn)組彎曲力學(xué)試驗(yàn),獲得如圖1所示試驗(yàn)結(jié)果。依據(jù)圖中彎曲應(yīng)力應(yīng)變特征可知,當(dāng)油石比愈大,則混凝土試樣彎曲應(yīng)力愈低。當(dāng)彎曲應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí),此時(shí)試樣處于屈服變形階段,試樣以不可恢復(fù)損傷變形為主;油石比1%試樣彎曲應(yīng)力為3.8 MPa;而油石比3%、7%、11%試樣彎曲應(yīng)力較之分別減少了9.6%、40.3%、66.8%。進(jìn)一步具體分析油石比對(duì)彎曲應(yīng)力影響可知,當(dāng)油石比不超過7%時(shí),彎曲應(yīng)力受之影響較小,如油石比3%、7%試樣抗彎應(yīng)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(yīng)力分別達(dá)5.74 MPa、4.12 MPa,隨油石比每遞增1%,抗彎應(yīng)力將隨之降幅10.5%。另一方面,當(dāng)油石比超過7%后,瀝青混凝土試樣彎曲應(yīng)力水平下降較快,抗彎應(yīng)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(shù)對(duì)瀝青混凝土彎曲力學(xué)特性影響具有“過節(jié)點(diǎn)”特征,當(dāng)油石比超過7%后,試樣抗彎應(yīng)力受削弱程序大幅增加。分析認(rèn)為,油石比愈多,當(dāng)超過一定節(jié)點(diǎn)后,預(yù)示著瀝青在混凝土內(nèi)部具有主導(dǎo)性作用,會(huì)加劇混凝土內(nèi)部軟弱層的分布,對(duì)控制瀝青混凝土抗彎薄弱面具有促進(jìn)效應(yīng)[11,12],從而表現(xiàn)出抗彎應(yīng)力大幅下降特征。

圖1 不同油石比試驗(yàn)組彎曲力學(xué)特征

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

4 高、低溫物理作用對(duì)彎曲力學(xué)特性影響

4.1 高溫物理作用影響

當(dāng)環(huán)境模擬箱物理場(chǎng)為高溫?zé)嶙饔铆h(huán)境時(shí),瀝青混凝土典型試樣彎曲應(yīng)力應(yīng)變特征如圖2所示。由應(yīng)力應(yīng)變趨勢(shì)可知,溫度愈高,瀝青混凝土的抗彎應(yīng)力具有先增后減變化特征,轉(zhuǎn)折節(jié)點(diǎn)溫度為100 ℃。當(dāng)熱作用溫度低于100 ℃時(shí),溫度與彎曲應(yīng)力水平具有正相關(guān),在應(yīng)變0.5%時(shí)溫度25 ℃試樣彎曲應(yīng)力為0.95 MPa,而溫度75 ℃、100 ℃試樣在該變形時(shí)彎曲應(yīng)力較之分別增長(zhǎng)了1.1倍、2倍;但溫度超過100 ℃后,試樣彎曲應(yīng)力水平呈遞減變化,如仍是應(yīng)變0.5%時(shí),溫度125 ℃、150 ℃下試樣彎曲應(yīng)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(yīng)力接近溫度75 ℃下。從抗彎應(yīng)力對(duì)比來看,在熱作用溫度不超過100 ℃時(shí),溫度25 ℃、50 ℃下試樣抗彎應(yīng)力分別為1.76 MPa、2.5 MPa,而隨溫度每遞增25 ℃,抗彎應(yīng)力分別提高41.3%;與之相反的是,在溫度超過100 ℃后,抗彎應(yīng)力隨溫度梯次變化為平均降幅10.7%。由試驗(yàn)結(jié)果分析可知,高溫物理作用下,瀝青混凝土的彎曲力學(xué)特性具有“雙向”特點(diǎn),這與瀝青混凝土內(nèi)部晶體顆粒耐熱膨脹極限有關(guān)。當(dāng)內(nèi)部晶體顆粒在受熱下膨脹變形時(shí),對(duì)試樣內(nèi)部孔隙填充及密實(shí)性有正面作用,但當(dāng)受熱荷載超過顆粒極限耐熱值時(shí),如瀝青等礦物成分會(huì)導(dǎo)致試樣抗彎能力下降[13]。

圖2 不同高溫試驗(yàn)組彎曲力學(xué)特征

分析圖2中應(yīng)變影響可知,高溫物理環(huán)境溫度為125 ℃、150 ℃時(shí),試樣呈應(yīng)變變化快、彎曲應(yīng)力變化慢的延塑性變化特征,即溫度愈高,會(huì)促發(fā)瀝青混凝土試樣由彈脆性變形主要轉(zhuǎn)變至延塑性變形主導(dǎo)。從工程實(shí)際應(yīng)用考慮,路面瀝青混凝土材料應(yīng)避免環(huán)境溫度較高,當(dāng)環(huán)境溫度過高時(shí),應(yīng)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(yàn)組方案中,獲得圖3所示低溫凍結(jié)力作用影響結(jié)果。由圖中應(yīng)力應(yīng)變影響可知,溫度愈低,試樣彎曲應(yīng)力水平愈大,但彎曲應(yīng)力水平隨低溫作用在溫度-20 ℃后增幅放緩;在彎曲應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí),低溫-5 ℃、-10 ℃試樣彎曲應(yīng)力為1.4 MPa、2 MPa,而低溫-20、-25、-30 ℃下試樣彎曲應(yīng)力較之-5 ℃下分別增大了1.14、1.83、2.45倍。從抗彎應(yīng)力對(duì)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(yīng)力平均增長(zhǎng)32.3%,方案間最大增幅達(dá)47.6%,而在低溫-25 ℃、-30 ℃方案間抗彎應(yīng)力最大增幅為6.8%。由此可知,低溫凍結(jié)作用對(duì)試樣彎曲力學(xué)特性影響具有上限,溫度進(jìn)一步降低,雖能促發(fā)瀝青混凝土內(nèi)部水顆粒膨脹,使試樣孔隙密實(shí),但試樣水顆粒在極限低溫下是有限的,即便凍結(jié)力很大,也會(huì)在試樣內(nèi)部殘余一定的孔隙,故而彎曲應(yīng)力水平的增幅會(huì)減弱。

圖3 不同低溫下彎曲應(yīng)力應(yīng)變特征

在殘余應(yīng)力階段,各試樣彎曲殘余應(yīng)力變化關(guān)系與抗彎應(yīng)力一致,但各低溫條件下不同試樣間殘余應(yīng)力的差幅較抗彎應(yīng)力大。隨低溫增長(zhǎng),峰值彎曲應(yīng)變減小,脆彈性變形特征增強(qiáng),在低溫-5、-15、-25 ℃下試樣峰值彎曲應(yīng)變分別為0.98%、0.88%、0.8%。從工程實(shí)際應(yīng)用分析,路面瀝青混凝土應(yīng)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(jié) 論

(1)油石比愈大,試樣彎曲應(yīng)力水平愈低,在油石比不超過7%時(shí),油石比對(duì)抗彎應(yīng)力影響較小,而在超過7%后,抗彎應(yīng)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(duì)峰值彎曲應(yīng)變影響較小,各油石比試樣均存在殘余彎曲應(yīng)力。

(2)以高溫100 ℃為影響節(jié)點(diǎn),試樣抗彎應(yīng)力隨之先增后減,在該節(jié)點(diǎn)前、后方案內(nèi),隨溫度梯次方案,抗彎應(yīng)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(dǎo)。

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

(4)從工程實(shí)際考慮,環(huán)境溫度不應(yīng)過高,同時(shí)低溫環(huán)境下應(yīng)注意瀝青混凝土的脆性破壞。