俞桂彪

(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

瀝青混凝土材料在各類(lèi)工程中應(yīng)用普遍[1-2],其良好的耐久性、力學(xué)穩(wěn)定性倍受工程師青睞,但不可忽視,其力學(xué)特征受多種因素影響,如配合比參數(shù)、凍融或干濕環(huán)境以及復(fù)雜物理場(chǎng)環(huán)境等[3-4]。因此,開(kāi)展針對(duì)瀝青混凝土材料力學(xué)特征影響研究,有助于豐富工程設(shè)計(jì)參考成果。高勇[5]、馬翔等[6]為研究瀝青混凝土材料的力學(xué)特征,根據(jù)混凝土顆粒形特點(diǎn),借助離散元顆粒流仿真平臺(tái),從模擬力學(xué)加載維度入手,高效率探討瀝青混凝土的顆粒特征、試驗(yàn)環(huán)境等因素對(duì)力學(xué)水平影響,為工程設(shè)計(jì)提供了多個(gè)影響因素參照。為研究公路瀝青混凝土材料力學(xué)特征變化,采用單、三軸試驗(yàn)方法開(kāi)展了抗凍裂劑及高溫?zé)嶙饔糜绊懛治?以期為工程建設(shè)提供應(yīng)用環(huán)境及配合比設(shè)計(jì)參考。

2 試驗(yàn)介紹

2.1 工程概況

作為京津冀地區(qū)協(xié)同發(fā)展重點(diǎn)項(xiàng)目,保定主城區(qū)環(huán)城快速公路計(jì)劃全長(zhǎng)76.2 km,實(shí)現(xiàn)與滄榆高速、京昆高速以及京港澳高速的全線(xiàn)貫通,乃是“十四五”時(shí)期保定基建重點(diǎn)項(xiàng)目,計(jì)劃投入運(yùn)營(yíng)后,可較好地推動(dòng)京雄保一體化發(fā)展。環(huán)城快速公路共有立交樞紐橋梁4座,其他類(lèi)型公路橋梁6座,公路橋梁修建的同時(shí),對(duì)路面以下管網(wǎng)線(xiàn)路進(jìn)行重點(diǎn)修繕,確保道路、橋梁以及市政管網(wǎng)協(xié)同式管理。根據(jù)保定城區(qū)規(guī)劃,在東二環(huán)、東風(fēng)東路交口處設(shè)置有高架橋梁形成多個(gè)維度的交通通行,而在北二環(huán)與東二環(huán)交口處設(shè)置有立交橋樞紐,作為交通分流的控制樞紐,不論是快速路或是立交橋樞紐,均采用瀝青混凝土路面。全干線(xiàn)快速路橋梁主要有懸索橋與斜拉橋,三豐路與東二環(huán)交口處為懸索橋梁立面設(shè)計(jì),橫跨府河河道,全橋面長(zhǎng)為1 200 m,其中懸索橋梁兩端點(diǎn)間距為900 m,按照箱涵橋梁設(shè)計(jì),共有六段式分拉,分別設(shè)置有拉索裝置,確保橋面在風(fēng)荷載下位移量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。不論是懸索橋梁,還是東二環(huán)修建快速路主干道,所使用的瀝青混凝土材料均需滿(mǎn)足抗裂、抗拉等要求?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明,橋梁路面鋪設(shè)瀝青混凝土油石比為0.34,極限抗裂應(yīng)力為10 MPa,摻加一定量的抗凍裂劑,能夠有效滿(mǎn)足北方地區(qū)冬季抗寒、抗凍脹要求,即低溫條件下該類(lèi)型瀝青混凝土仍具有較強(qiáng)承載能力,能夠應(yīng)對(duì)低溫凍結(jié)作用對(duì)混凝土內(nèi)部晶體顆粒的損傷作用。為確保保定環(huán)城快速干線(xiàn)公路投入運(yùn)營(yíng)后的安全使用,在已知路面瀝青混凝土滿(mǎn)足低溫抗凍脹作用的前提下,有必要系統(tǒng)性開(kāi)展高溫?zé)嶙饔脤?duì)瀝青混凝土承載應(yīng)力影響的研究,為工程建設(shè)提供參考。

2.2 試驗(yàn)概況

由于需探討公路瀝青混凝土材料力學(xué)受高溫?zé)嶙饔糜绊懽兓?因而設(shè)計(jì)瀝青混凝土需完成單、三軸兩種不同受荷方式的力學(xué)試驗(yàn)。所采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備可通過(guò)更改加載平臺(tái),適配單、三軸不同試驗(yàn)條件,且可耦合工程環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M箱,實(shí)現(xiàn)TM耦合實(shí)時(shí)環(huán)境。不僅如此,該試驗(yàn)設(shè)備具有精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機(jī)器上限停機(jī)保護(hù)系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)中控裝置,所有數(shù)據(jù)采集均通過(guò)八通道電子數(shù)據(jù)傳輸,各通道數(shù)據(jù)之間互相印證合理性,通過(guò)電腦程序識(shí)別篩選不滿(mǎn)足精度要求的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足試驗(yàn)規(guī)程要求[4-5]。監(jiān)測(cè)通道所連接的采集裝置包括有LVDT位移傳感器、荷載傳感器以及其他軸、環(huán)向變形傳感器等,數(shù)據(jù)分析的重點(diǎn)參考對(duì)象為L(zhǎng)VDT位移,其量程為-20～20 mm,荷載傳感器可根據(jù)單、三軸環(huán)境選擇合適的量程。試驗(yàn)中所有監(jiān)測(cè)傳感器最大振頻不超過(guò)0.01 Hz,數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均以試樣中心點(diǎn)為準(zhǔn);試驗(yàn)前所有裝置均進(jìn)行了誤差標(biāo)定,確保各組試驗(yàn)中的誤差在允許范圍內(nèi),同時(shí)單、三軸試驗(yàn)均為同一類(lèi)型試驗(yàn)裝置,可減少儀器自身誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果干擾的。工程環(huán)境模擬箱可實(shí)現(xiàn)高、低溫不同溫度加載,主要探討高溫環(huán)境下熱作用對(duì)瀝青混凝土影響,因而選擇的高溫?zé)醾鲗?dǎo)模塊,加溫速率為2 ℃/min,每個(gè)試樣在預(yù)定溫度試驗(yàn)環(huán)境下,保溫3 h后方可進(jìn)行后續(xù)力學(xué)試驗(yàn)。

通過(guò)對(duì)環(huán)城快速公路工程瀝青混凝土材料取樣,在室內(nèi)試驗(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。在室內(nèi)進(jìn)行鉆孔取樣,并摻加相應(yīng)劑量的抗凍裂劑,制備成直徑高度分別為50 mm、100 mm的混凝土圓柱體試樣,且在試驗(yàn)前均放置在恒溫恒濕環(huán)境下養(yǎng)護(hù)24 h?；炷猎嚇釉谶M(jìn)行熱力耦合試驗(yàn)前,需完成圍壓損傷恢復(fù),減少初始制樣機(jī)器擾動(dòng)損傷作用。

試驗(yàn)包括單軸與三軸兩部分,且均與高溫?zé)嶙饔眠M(jìn)行耦合研究,試驗(yàn)中根據(jù)工程環(huán)境設(shè)定溫度分別為25、50、75、100、125、150 ℃,而試驗(yàn)圍壓按照5～20 MPa進(jìn)行,單軸試驗(yàn)本質(zhì)上圍壓為0 MPa。同時(shí),該路面瀝青混凝土材料低溫抗凍作用下的抗凍裂劑摻量也是其力學(xué)特征研究對(duì)象,在抗凍裂劑摻量不超過(guò)5%的前提下,設(shè)定抗凍裂劑摻量分別為0%、1%、2%、3%、4%、5%?；诖?探討高溫?zé)嶙饔孟?摻有抗凍裂劑的瀝青混凝土試樣單、三軸力學(xué)特征影響變化。

3 瀝青混凝土力學(xué)特性影響

3.1 抗凍裂劑摻量的影響

基于不同抗凍裂劑摻量方案下的力學(xué)試驗(yàn),獲得試驗(yàn)結(jié)果,如圖1所示。依據(jù)力學(xué)特征可知,抗凍裂劑摻量愈多,則試驗(yàn)應(yīng)力水平愈低,但其降幅在抗凍裂劑摻量達(dá)3%后有所增多;當(dāng)試驗(yàn)組圍壓為0 MPa時(shí),此時(shí)瀝青混凝土處于單軸加荷,在應(yīng)變0.8%時(shí)抗凍裂劑摻量0%試樣加載應(yīng)力為31 MPa,而抗凍裂劑摻量為1%、3%下試樣加載應(yīng)力分別為19.5 MPa、10.6 MPa,而抗凍裂劑摻量為4%、5%時(shí)試樣加載應(yīng)力較之摻量3%下分別減少了11.5%、22.6%,摻量超過(guò)3%后加載應(yīng)力受抗凍裂劑摻量影響幅度顯著增大。在圍壓10 MPa下,無(wú)抗凍裂劑試樣峰值偏應(yīng)力為68.86 MPa,而摻量1%、3%、5%相應(yīng)試樣峰值偏應(yīng)力較之前者分別減少了7.8%、21.3%、49.4%,同樣以摻量3%后峰值偏應(yīng)力的降幅增多。在圍壓10 MPa下,在摻量未超過(guò)3%時(shí),當(dāng)混凝土試樣中抗凍裂劑摻量每遞增1%,其峰值應(yīng)力平均降幅僅為6.6%,而摻量達(dá)3%后,如摻量4%、5%兩試樣的峰值偏應(yīng)力分別為45 MPa、35.1 MPa,較之摻量3%后降幅較大,達(dá)17.2%、35.3%。單軸荷載下峰值應(yīng)力受抗凍裂劑摻量影響亦是如此?？箖隽褎┑拇嬖?主要通過(guò)降低瀝青混凝土內(nèi)部固體水含量,減少低溫作用下冰晶體凍脹對(duì)混凝土顆粒骨架穩(wěn)定性的影響,抗凍裂劑愈多,不僅會(huì)進(jìn)一步限制閉合孔隙內(nèi)部的冰晶體,也會(huì)對(duì)軟弱滑移填充面產(chǎn)生影響,對(duì)瀝青混凝土的承載能力帶來(lái)的損傷效應(yīng)愈顯著[6-7]。

圖1 抗凍裂劑摻量對(duì)應(yīng)力應(yīng)變特征影響

當(dāng)瀝青混凝土處于單軸加荷時(shí),抗凍裂劑摻量愈低,峰值應(yīng)變參量愈小;同時(shí),較大摻量下試樣應(yīng)變具有更強(qiáng)的延塑性變形特征。在圍壓10 MPa下,試樣殘余應(yīng)力下降段相比單軸荷載下更緩,圍壓增大了瀝青混凝土延塑性變形能力,該圍壓下?lián)搅?%、5%的試樣具有更顯著的高應(yīng)變低應(yīng)力變形段。

3.2 溫度熱作用的影響

同理,根據(jù)不同溫度下力學(xué)試驗(yàn)組數(shù)據(jù),獲得了圖2所示試驗(yàn)結(jié)果。分析可知,溫度改變,試樣承載應(yīng)力的變化具有階段性逆轉(zhuǎn)變化特點(diǎn):當(dāng)溫度處于100 ℃以下時(shí),溫度愈高,承載應(yīng)力愈大,如圍壓5 MPa下溫度25 ℃試樣應(yīng)變0.8%處偏應(yīng)力為16.8 MPa,而溫度50 ℃、100 ℃試樣同應(yīng)變下偏應(yīng)力分別為23.6 MPa、46.5 MPa,具有增幅40.4%、177.2%;而在溫度超過(guò)100 ℃后,試樣加載應(yīng)力水平具有降低特征,甚至溫度150 ℃下試樣加載應(yīng)力水平低于溫度50 ℃。從峰值偏應(yīng)力對(duì)比即可看出此種階段性變化現(xiàn)象,在圍壓5 MPa下試樣溫度25 ℃的峰值應(yīng)力為32.7 MPa,而溫度50 ℃、75 ℃下試樣峰值應(yīng)力分別為38.9 MPa、47.9 MPa,在溫度限定于100 ℃內(nèi),瀝青混凝土試樣受熱溫度每遞增25 ℃,則可使之峰值應(yīng)力增高21.5%,而溫度高過(guò)100 ℃后,則試樣峰值應(yīng)力隨溫度梯次25 ℃變化具有平均降幅21.6%。與之類(lèi)似,圍壓20 MPa下分別在低于100 ℃與高于100 ℃范圍內(nèi)分別具有平均增幅12.5%與降幅10.3%。相比之下,圍壓20 MPa下試樣受溫度熱作用影響敏感度低于圍壓5 MPa下,即圍壓增大,不僅對(duì)試樣峰值應(yīng)力提升具有圍壓效應(yīng),對(duì)溫度熱作用亦有“補(bǔ)償”效應(yīng)。綜上分析可知,瀝青混凝土試樣受溫度熱作用影響應(yīng)分為兩類(lèi),分別是熱補(bǔ)償與熱損傷效應(yīng),前者所處溫度低于100 ℃,后者則超過(guò)100 ℃,此種截然相反的變化特征與瀝青混凝土內(nèi)部晶體顆粒受熱極限有關(guān),當(dāng)顆粒受熱膨脹至耐熱極限,不僅不會(huì)填充孔隙,反而會(huì)造成晶體顆粒骨架出現(xiàn)失穩(wěn),由此即產(chǎn)生了上述宏觀力學(xué)現(xiàn)象[8]。

圖2 溫度熱作用對(duì)應(yīng)力應(yīng)變特征影響

不論是圍壓5 MPa還是20 MPa,峰值應(yīng)變隨溫度變化具有無(wú)序性,但總體上峰值應(yīng)變較為接近。圍壓增大,殘余應(yīng)力的變化具有較“緩和”的特征,整體上應(yīng)變值亦高于低圍壓下。

4 瀝青混凝土抗剪特征變化

基于瀝青混凝土三軸試驗(yàn),獲得了兩個(gè)抗剪特征參數(shù)與抗凍裂劑摻量、溫度熱作用影響關(guān)系[8-9],如圖3所示。

圖3 瀝青混凝土抗剪特征變化

由圖3中黏聚力、內(nèi)摩擦角影響變化可知,當(dāng)抗凍裂劑摻量愈多,則試樣抗剪特征參數(shù)均為遞減,特別是內(nèi)摩擦角,在同為溫度25 ℃試驗(yàn)組中,摻量每遞增1%,混凝土試樣黏聚力、內(nèi)摩擦角分別具有平均降幅2.8%、10.2%,特別是在溫度100 ℃后,抗剪參數(shù)的降幅更為顯著。從溫度熱作用對(duì)比來(lái)看,其對(duì)黏聚力影響效應(yīng)強(qiáng)于內(nèi)摩擦角,在抗凍裂劑摻量2%時(shí),溫度75 ℃、150 ℃下黏聚力較之溫度25 ℃分別增長(zhǎng)了25.6%、19.9%,而內(nèi)摩擦角在前者三溫度的對(duì)比下增幅分別為9.5%、11.6%。同時(shí),與承載應(yīng)力一致,溫度熱作用對(duì)兩個(gè)抗剪特征參數(shù)影響均在溫度100 ℃后發(fā)生變化。綜合分析可知,兩個(gè)抗剪特征參數(shù)受抗凍裂劑摻量、溫度熱作用影響具有差異,前者因素對(duì)內(nèi)摩擦角影響更大,而黏聚力受后者因素影響更為敏感。

5 結(jié) 論

(1)抗凍裂劑對(duì)瀝青混凝土的影響在摻量3%后更為顯著,圍壓10 MPa下?lián)搅课闯^(guò)3%時(shí),摻量每遞增1%,則峰值應(yīng)力平均降幅僅為6.6%,而在摻量3%后最大降幅達(dá)35.3%;摻量愈多,試樣延塑性變形能力愈強(qiáng)。

(2)以100 ℃為分界點(diǎn),低于該溫度時(shí),試樣峰值應(yīng)力隨溫度遞增,圍壓5 MPa下平均增幅為21.5%,而超過(guò)該溫度后,峰值應(yīng)力為遞減變化;圍壓對(duì)溫度熱作用有限制效應(yīng),對(duì)峰值應(yīng)力有提高作用;應(yīng)變?cè)跍囟葻嶙饔孟戮哂袩o(wú)序性特征。

(3)抗剪特征參數(shù)受抗凍裂劑摻量與溫度熱作用影響具有差異性,內(nèi)摩擦角與前者摻量關(guān)聯(lián)性更大,而黏聚力受后者影響更大。

(4)結(jié)合工程實(shí)際,該類(lèi)型瀝青混凝土抗凍裂劑摻量應(yīng)控制在3%左右,路面工程環(huán)境超過(guò)100 ℃時(shí)應(yīng)采用合理降溫措施。