沥青混凝土中粗集料影响实验研究＊

叶 永 陈洪凯

（重庆交通大学土木建筑学院1） 重庆 400074） （三峡大学水利与环境学院2） 宜昌 443002）

0 引 言

沥青混凝土是高等级公路路面主要材料，其性质决定了沥青路面的使用性能．胶浆理论认为［1－2］：沥青混凝土是由基质相和分散相组成的结构体系，其中填料（粒径小于0．075mm）、细集料（粒径在2．36～0．075mm）、粗集料（粒径大于2．36mm）可看成3种分散相，而纯沥青看做基质相．这样沥青混凝土可以认为由集料分散相、沥青基质相和空隙组成的三相复合体系［3］．三相成分不同、性质各异、相互作用机理复杂．

混凝土中集料有粗细之分，且体积含量大，颗粒个数多，分布特征广［4］，在力学分析中不可能全部考虑，为了简便，常常采用两步法［5－6］：根据粒径将骨料划分为粗骨料和细骨料两类，并且数量庞大的细骨料和沥青基质放到一起，组成一种被认为力学性质均匀的沥青砂材料，作为基质相，而粗骨料则作为增强相（分散相），把沥青混凝土看作是由沥青砂和粗骨料2种材料组成的两相复合体．在前期，笔者对沥青砂力学特性进行了研究，得出了一些有益结论［7－10］，在此基础上，进一步研究粗集料的影响，为沥青混凝土结构组成分析及力学性能研究奠定基础．

1 粗细集料尺寸界定

要研究粗集料影响，粗细集料的正确划分成为问题关键．目前存在3种划分：（1）Zhu，Nodes将粗、细集料断面尺寸分界定义为1．18mm（通过16＃筛孔），认为沥青混凝土中每个粗集料颗粒外裹了一层沥青结合料，而沥青结合料由细集料和沥青基质组成；（2）Bandyopadhyaya等在利用数值模型预测沥青混凝土力学行为时，由于小于或等于2．36mm集料在断面图像观察中没有区别，即把2．36mm及以下作为细集料处理，这样，沥青基质、空隙和细集料一起当作一种均匀的粘弹性材料，即沥青砂来处理；（3）第三种划分是基于粗集料考虑更少，以粒径4．75mm为分界线来区分粗细集料．本文在此基础上，进行压缩实验和蠕变实验，与标准级配AC－13C混凝土的力学特性进行比较，分析不同粒径划分的差别，提出粗、细集料的尺寸界定依据．

2 实验设计

为研究粗集料组成对沥青混凝土力学性能影响，依据下列原则进行级配设计：（1）按照AC－13C沥青混凝土的标准级配以及规范规定的级配上、下限进行设计，粗集料与细集料总的质量含量保持不变．即粗、细集料含量比为，标准级配时63．4%∶36．6%，上限级配时76%∶24%，下限级配时50%∶50%；（2）粗集料粒径及配比与对应的AC－13C混凝土相同，但进行改变；（3）细集料组成及配比保持不变；（4）沥青含量保持不变．

根据规范规定的AC－13C混凝土的级配曲线的上限、下限以及实验得到的标准级配分三组，每组又将粗集料分别设计为单一粒径种（9．5～4．75 mm）、2种粒径（13．2～9．5和9．5～4．75mm）、3种粒径（13．2～9．5，9．5～4．75和4．75～2．36 mm）以及4种粒径（16．0～13．2，13．2～9．5，9．5～4．75和4．75～2．36mm），总共设计了12组不同类型级配的沥青混凝土试样．试样尺寸为圆柱体直径100mm×高100mm．具体组成及配比见表1．

表1 沥青混凝土试样设计

进行了压缩实验和蠕变回复实验．压缩实验取加载速率为2mm／min，实验采用2种温度：15℃（低温）和60℃（高温）．实验方案见表2．

表2 实验方案设计

3 结果与分析

为定量描述级配对沥青混凝土压缩变形和蠕变变形的影响，引入2个指标：（1）抗压强度．是指最大的抗压应力值；（2）蠕变率．指随时间而变化的应变，通过下式计算

式中：εt为t时刻对应的蠕变应变，ε0为初始蠕变应变．

表3给出了标准级配下4种类型混凝土抗压强度值．结果反映，4种类型混凝土抗压强度的大小次序：MB4＞MB3＞MB1＞MB2，即粗集料为标准级配的MB4混凝土抗压强度最大，设计为两种粗集料（MB2）时对应抗压强度最小．具体而言，在15℃，相对于标准级配MB4，其他3种级配混凝土MB1，MB2和MB3的抗压强度分别下降0．68，1．29和0．58MPa，相对变化率依次为10．7%，20．2%和10．1%，相互之间差距在10%左右；在60℃，相对标准级配MB4，3种级配MB1，MB2和MB3混凝土抗压强度分别下降0．93，1．18和0．42MPa，相对变化率依次为25．8%，32．7%和11．6%，相互之间最大差距超过20%．这些数据反映，就压缩性能而言，将粗集料设计成3种粒径的混凝土类型带来的影响最小，其次是为单一粒径，而设计成2种粒径的影响最大，且温度越高，级配影响越明显．

表3 试样抗压强度值（标准级配）

图1、图2分别给出了标准级配下4种类型混凝土的蠕变实验曲线，采用上述蠕变指标，表4，5给出了计算结果．可以看到，在加载阶段，标准级配混凝土（MB4）具有最好的抵抗变形的能力，粗集料设计成两种粒径的混凝土（MB2）抵抗变形能力最差．在15℃，相对标准级配MB4，3种设计级配的混凝土MB1，MB2和MB3蠕变率值分别提高2、3．66和1．66（10－6／s），约为 MB4混凝土的2．2，3．2和2倍；在60℃，相对混凝土MB4，3种设计级配混凝土的蠕变率值也分别提高了1．33，4和2（10－6／s），约为 MB4的1．2，1．67和1．33倍．数据反映，相对标准级配MB4，不同级配混凝土对应的蠕变率值的变化最大达到了其3．2倍（15℃）和1．67倍（60℃）之多，且相互之间的差别也较大．

图1 标准限级配蠕变实验结果 （15℃）

图2 标准限级配蠕变实验结果 （60℃）

表4 指标计算结果（15℃）

表5 指标计算结果（60℃）

为进一步研究其他级配混凝土中粗集料配比变化造成的影响，表6给出了AC－13C上限级配（对应的粗集料含量多）对应的4种混凝土抗压强度值，图3，4给出了它们的蠕变应变随时间的变化曲线．4种混凝土的抗压强度从大到小：MS3＞MS1＞MS4＞MS2，且最大值超过最小值20%；抵抗蠕变变形能力大小：MS3＞MS1＞MS4＞MS2，对应的蠕变率最大值超过最小值22%，可见，对上限级配，粗集料组成仍然存在较大影响．需说明的是，上限级配的混凝土MS4（含4种粒径的粗集料）并不具备最好的抗变形能力，可能由于在上限级配中采用了标准级配时的沥青含量．相对标准级配，混凝土中粗集料较多，对应集料总表面积减少，导致沥青含量相对过多，这样4．75～2．36mm粒径集料含量较多的混凝土MS3具有更好抗变形能力，产生的蠕变变形最小，而不含4．75～2．36mm粒径集料的混凝土MS2正好相反．可以看出，2．36mm粒径筛孔作用明显．

表6 试样抗压强度值（上限级配）

图3 上限级配蠕变实验结果（15℃）

图4 上限级配蠕变实验结果（60℃）

表7给出了AC－13C型下限级配（粗集料含量少）对应的4种级配类型的混凝土试样的抗压强度值．图5，6给出了它们的蠕变应变随时间的变化曲线，4种级配类型混凝土抗压强度：MX2＞MX4＞MX1＞MX3，且最大值超过最小值50%；抵抗蠕变变形能力：MX2＞MX4＞MX1＞MX3，蠕变率最大值超过最小值42%．因此，和上限级配比较，对于下限级配，粗集料组成和配比对混凝土力学性能有更大影响．下限级配MS4混凝土（含4种不同粒径的粗集料）并不具备最好力学性能，这主要由于在下限级配中采用了标准级配沥青含量，粗集料含量较少造成沥青含量相对较少，这样13．2～9．5mm粒径粗集料含量较多的混凝土MS2具有更好的力学性能，其产生的蠕变变形最小，而混凝土MS3正好相反．

表7 试样抗压强度值（下限级配）

图5 下限级配蠕变实验结果（15℃）

图6 下限级配蠕变实验结果（60℃）

4 结 论

1）通过压缩和蠕变实验，在保证细集料含量不变下，相对级配组成的标准限、上限和下限，改变粗集料组成对沥青混凝土抗压强度和蠕变性能影响较大．说明混凝土性能强烈依赖粗集料组成及配比．

2）4．75～2．36mm的集料含量很大程度决定混凝土中沥青盈余，而4．75mm以上粒径对混凝土中沥青盈余影响并不大．提出以2．36mm来划分粗细集料具有一定的合理性．

3）在进行沥青混凝土结构组成的数值模拟时，对粗集料简化不应轻易进行，简化结果要通过实验加以修正．

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