陳 曉

（揚州天達建設集團有限公司，江蘇 儀征 211414）

0 引言

瀝青混凝土材料具有良好的耐久、耐磨等特點，同時承載能力能夠滿足工程設計需求，在建筑、交通、市政等工程中應用較廣泛。但不可忽視的是，由于工程環(huán)境差異性，常規(guī)瀝青混凝土材料無法有效滿足工程安全性要求，故需要對瀝青混凝土材料開展改性設計。高勇[1]、常海波[2]采用顆粒流計算方法，從離散元解析角度開展瀝青混凝土材料的力學特征分析，探討不同荷載下離散元模型應力、應變影響特性。劉元德等[3]、王紅梅等[4]采用室內(nèi)試驗方法，開展單軸、三軸等力學加載，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)結果評價瀝青混凝土材料的力學特征變化，豐富了瀝青混凝土材料工程應用參考成果。本文針對揚州市普通國省道路面瀝青混凝土材料特點，對摻有機物的瀝青混凝土材料力學特征進行試驗分析，對實際工程的混凝土材料改性設計與應用具有參考價值。

1 工程概況

2022年入夏以來，由于轄區(qū)持續(xù)出現(xiàn)高溫天氣，道路熱毀病害頻發(fā)，多路段出現(xiàn)車轍病害，危及車輛行駛安全，亟需對車轍路段進行處治。揚州市普通國省道路2022-L1標段作為轄區(qū)內(nèi)主要的物流通道，在公路網(wǎng)中占據(jù)主干地位和起到主導作用，主要干線公路等級為一級公路，雙向四車道，設計車速為80km∕h，全路面均采用瀝青混凝土材料，但該路段交通量大且重載車輛比例增長迅速，同時該地區(qū)夏季溫度較高，在重車荷載和長時間高溫天氣的作用下，瀝青面層出現(xiàn)了嚴重的車轍損壞。為提高公路運營期使用壽命與耐久性，需對老路進行針對性的車轍處治，才能恢復路面使用性能。根據(jù)設計部門調(diào)查得知，在工程現(xiàn)場對原設計方案中的瀝青混凝土材料及力學性能實測對比，發(fā)現(xiàn)該混凝土強度在高溫作用下，力學特性出現(xiàn)顯著劣化現(xiàn)象；單軸加載破壞后的混凝土試樣均出現(xiàn)了明顯宏觀大裂紋；在往復交通荷載測試下，該類型混凝土材料的疲勞壽命次數(shù)穩(wěn)定在2～3×107次?？傮w上分析可知，國省干線公路原方案中的瀝青混凝土材料實質(zhì)上無法較好滿足工程設計需求，因而有必要對其進行改良設計，從而滿足工程設計荷載和使用壽命要求。

2 試驗設計

為確保瀝青混凝土材料承載能力匹配工程實際，在調(diào)研相關工程案例基礎上，提出采用有機物摻合料設計方法，調(diào)節(jié)瀝青混凝土內(nèi)部顆?？紫?、骨架結構狀態(tài)。因此，在出現(xiàn)病害路段處取樣，原始瀝青混凝土材料基質(zhì)瀝青粘度為340mPa·s。經(jīng)室內(nèi)初始物理力學參數(shù)測試，其密度為2.68g∕cm3，并進行試樣重塑，與有機物摻合料混合制樣，所選用的有機物摻合料原材料為橡膠粉，有助于提高交通路面耐久性。圖1為重塑后摻有機物瀝青混凝土試樣，其徑高比均為1∕2，但摻量各有差異，分布為0.5%～3.0%，對所有試樣均進行了平整打磨處理，確保試樣初始物理特征滿足力學試驗要求。

圖1 重塑后有機物瀝青混凝土試樣

另一方面，力學試驗設備是衡量試驗結果可靠性的關鍵因素，本文采用TMC-1000多場耦合混凝土力學平臺進行試驗設計，如圖2所示，該試驗裝備配置有高溫熱環(huán)境模擬箱、荷載測量與加載裝置、位移數(shù)據(jù)測量與回傳裝置以及中控系統(tǒng)等部分，可實現(xiàn)最高溫度300℃試驗環(huán)境模擬，位移傳感器裝置最大量程為-20～20mm，本試驗中所采用LVDT位移量程為-10～10mm，精度可達0.1%，荷載量程最大至1000kN，所有傳感器與測量裝置在試驗前均進行了誤差標定，減少試驗設備對試驗結果干擾性。

圖2 混凝土力學試驗平臺

本試驗中瀝青混凝土承載力影響因素分為有機物摻量與高溫熱環(huán)境，前者摻量因素梯次設定為0（原狀瀝青混凝土）、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%，后者高溫熱環(huán)境主要研究的是瀝青混凝土材料熱力場耦合下力學特征影響變化，溫度分別設定為25℃、75℃、125℃、175℃、225℃、275℃，每個溫度組下加溫、恒溫試驗不少于2h。為便于分析熱力耦合場力學變化，設定三軸力學試驗，圍壓分別為5MPa、10MPa、20MPa，試驗設計參數(shù)如表1所示。

表1 試驗組設計

3 有機物摻量對混凝土力學影響

基于有機物摻量組力學試驗結果，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得了典型圍壓5MPa、20MPa下試樣應力應變特征，如圖3所示。從圖3應變發(fā)展過程不難看出，不同圍壓，峰值應力后應變發(fā)展有所差異：圍壓5MPa下各試樣峰值應力后均具有應力下降并逐步增長至殘余應力段，峰值應力前的應變占試樣總應變較低；而在圍壓20MPa下，當各試樣加載應變超過1.69%后，應變均出現(xiàn)了快速發(fā)展、應力維持穩(wěn)定狀態(tài)的應變硬化特征。上述兩圍壓下不同有機物摻量試樣的應變發(fā)展特點仍保持一致，即有機物摻量對混凝土試樣應變破壞特征影響效應弱于圍壓作用。

圖3 有機物摻量影響下試樣力學特征

對比有機物不同摻量下試樣應變特征，同一圍壓下各試樣峰值應變基本接近，圍壓5MPa下穩(wěn)定在1.05%，且圍壓5MPa下峰值應力前應變占比為38.5%，圍壓20MPa下應力穩(wěn)定段應變增長占總應變的80%以上。由此分析可知，有機物摻量對試樣應變影響較小，同一圍壓下試樣應變值、應變趨勢均保持一致性。

在摻量梯次遞增過程中，試樣應力水平亦增長，但承載應力的增長并不是梯次穩(wěn)定的，而是逐步減弱，特別是在有機物摻量1.5%后，應力水平增幅較小。以圍壓5MPa為例，選取峰值應力為衡量參數(shù)，原狀瀝青混凝土試樣峰值應力為16.1MPa，而摻量0.5%、1.5%、2.5%3個試樣峰值應力較之前者分別提高了38.5%、113.3%、152.7%，而摻量2%、3%下峰值應力分別為37.9MPa、41.7MPa，較之摻量1.5%下分別僅增長了10.2%、21.2%。對比來看，在摻量從0遞增至1.5%，試樣峰值應力平均增長了28.9%，分布于22.4～34.4MPa，而在摻量2.0%～3.0%遞增過程中，峰值應力平均增幅僅為6.7%。綜合力學數(shù)據(jù)對比可知，有機物對瀝青混凝土承載應力促進作用為逐次減弱，控制有機物摻量[5]，更能確保瀝青混凝土具有最佳承載水平。

4 高溫熱環(huán)境對混凝土力學影響

同理，基于高溫熱作用試驗組數(shù)據(jù)處理，獲得溫度參數(shù)與瀝青混凝土試樣力學特征關聯(lián)性，如圖4所示。

圖4 高溫熱作用影響下試樣力學特征

由圖4可看出，同一圍壓下，試樣應力應變具有兩種類型：第一種峰值應力后快速下降，不出現(xiàn)殘余應力段，峰值應力后的應變占比也較少，此種類型以溫度25～125℃下最為典型；第二種為峰值應力后應力緩慢下降、應變逐步增長的特征，峰值應力后應變占總應變的75%～80%，該類型試樣試驗溫度多為175～275℃。由力學曲線對比可知，在試驗溫度較低時，瀝青混凝土試樣具有較強的應變脆性，峰值應力后的破壞過程呈“短、快”特點，而試驗溫度愈高，瀝青混凝土試樣內(nèi)部晶體顆粒耐熱性逐步下降，體積發(fā)生膨脹，擠壓內(nèi)部裂隙空間[6-7]，即使在峰值應力后，也仍能維持一定承載應力水平，應變繼續(xù)擴大。

當同一圍壓下，試驗溫度愈高，瀝青混凝土承載應力愈大，在圍壓5MPa 下，溫度25℃試樣的峰值應力為21.5MPa，而溫度125℃、175℃、275℃下3個試樣峰值應力較之前者分別提高了42.1%、64.3%、119.6%，試樣峰值應力增長較穩(wěn)定，該圍壓下，溫度每遞增50℃，則試樣峰值應力平均可增長17.1%；而在圍壓10MPa下，試驗溫度25～275℃各試樣峰值應力分布于23.1～90.2MPa，較之圍壓5MPa下增長了7.4%～91.3%，隨溫度每梯次遞增50℃，該圍壓下峰值應力平均增幅為36.9%。由此表明，圍壓增大，不僅整體上峰值應力水平得到提高，且峰值應力受試驗溫度影響敏感性也增強。由此可知，瀝青混凝土試樣在高溫作用下，會疊加圍壓效應，耦合形成正向促進承載應力水平的現(xiàn)象。

5 結束語

（1）同一圍壓下，不同有機物摻量試樣應變發(fā)展特征類似，圍壓作用對應變破壞特征影響高于有機物摻量；摻量遞增，試樣承載應力增長，但在摻量1.5%后，增幅減弱，圍壓5MPa下，摻量從0遞增至1.5%，峰值應力平均增長了28.9%，而摻量2.0%～3.0%遞增時，峰值應力平均增幅僅為6.7%。

（2）溫度25～125℃下，試樣峰值應力后出現(xiàn)快速應力下降、應變占比也較少，而溫度175～275℃時，峰值應力后應力緩慢下降、應變逐步增長；試驗溫度愈高，試樣承載應力愈大，圍壓5MPa、10MPa下，溫度每遞增50℃，則試樣峰值應力分別平均可增長17.1%、36.9%。