不同温度环境下路面沥青混凝土弯曲力学特性试验研究

查志英

(扬州天达建设集团有限公司,江苏 扬州 211400)

1 引 言

沥青混凝土作为一种混凝土衍生类工程材料,具有良好耐久性、力学稳定性及工程适配性[1,2],探讨沥青混凝土材料力学特征有助于推动该类型材料设计、应用水平。沥青混凝土力学特征包括不同状态下压缩、拉伸及弯曲等力学水平[3,4],其中弯曲力学特征是混凝土工程需要关注的重点。常海波[5]、李富盈[6]为研究沥青混凝土的压缩力学特征,设计了室内力学加载试验,从室内沥青混凝土试样的宏观力学特征表现,探讨其压缩力学水平受配合比、冻融或干湿物理环境的影响[7]。王亮等[8]、马翔等[9]借助离散元仿真计算方法,分析了沥青混凝土的基础力学特征,从颗粒流模型细观破坏特征分析沥青混凝土提升力学水平的实际要点。高、低温物理场作用下,沥青混凝土的力学特征将会受影响,韩群柱等、王静雯[10]探讨了温度物理场耦合下压缩、拉伸力学特征变化,探讨了温度物理场对沥青混凝土力学水平影响,丰富了该材料在复杂工程环境下设计、应用参考成果。针对保定快速干线工程沥青混凝土不同温度下弯曲力学特征,设计开展了高、低温物理环境耦合下的三点弯曲力学试验,从试验结果分析评价沥青混凝土弯曲力学影响特性。

2 试验方法

2.1 试验背景

为快速提升保定主城区交通基础设施建设水平,计划沿着环城水系修建快速公路,全长76 km,按照Ⅱ级公路建设,全路面均铺设沥青混凝土材料,计划投入运营后,可缩短保定北部徐水、满城与南部清苑通行时间,构建起环城保定大交通圈,并与涿州等环京津地区建立起完善的交通协同发展示范,有助于加快京雄保一体化发展。全干线规划线路有三丰路与北二环的快速公路连接载体,当前正进行的东二环高架枢纽,全路面铺设沥青混凝土长度18.5 km,包括有多座立交桥交通枢纽,如东二环与东风路立交枢纽,采用斜拉桥截面体型。而在东二环与三丰路交口处,横跨府河建设悬索桥,桥面高度为9.5 m,按照间距150 m的方式设置箱涵设施,悬索点总跨度为900 m,设计桥面最大位移量不超过10 mm,同样采用同类型沥青混凝土材料铺设桥面,掺加有抗冻裂剂,含量为2%～3%不等,确保冬季低温环境下路面或桥面均能满足交通荷载要求。对全干线工程分析得知,快速干线工程一方面是交通工程,另一方面也是进行城区市政管网再建、维护的重点设施,在路面、路基工程中沥青混凝土均有较大规模应用,最大抗裂应力可达10 MPa,即使高温天气,沥青混凝土耐热极限可达100 ℃。鉴于该类型沥青混凝土材料的压缩力学特征在高、低温作用下均有较好表现,特别是在循环荷载下,其割线模量以及损伤比均能够应用极限工程环境。但不可忽视,该类型沥青混凝土的油石比配比设计乃是影响力学稳定性的关键,特别是油石比设计对沥青混凝土的抗弯能力影响;同时,该材料在高、低温物理场作用下,弯曲力学特征的影响变化也是沥青混凝土材料设计、应用参考的重点。为此,针对该类型沥青混凝土材料开展高、低温物理作用下弯曲力学试验研究。

2.2 试验介绍

为探讨沥青混凝土在高、低温物理场作用下力学特征影响变化,采用混凝土力学试验设备开展加载试验。该试验设备具有多模块、低振频以及物理场耦合精度高的特点,加载平台上安装有物理环境试验箱,可实现不同温度工程环境下的力学试验。该试验设备采用LVDT传感器进行位移监测,其量程为-15～15 mm,也可根据实验需求进行量程更改。另有其他轴、环向监测传感器安装至试样周身,确保试样力学变形破坏全过程可视化。试验数据通过八通道传输装置实时传回数据,采集间隔为1 s,所有数据在试验设备的中控装置中完成初步处理,可为调整试验步骤提供参照,与之同时八通道数据会在电脑程序中互相验证与监控,若有数据超过实验误差,会在试验数据初步处理前进行删除处理,确保试验结果可靠。该试验设备所耦合工程环境模拟箱可实现高、低温作用,上、下限值分别为200 ℃、-30 ℃,采用电热传导方式进行力学试验,温度加载速率为2.5 ℃/min,每次加温时间控制在4 h左右,且至预定温度后,保温时间不少于4 h,确保试样加荷过程温度热作用或冻结作用均匀。

根据对环城快速公路工程沥青混凝土材料取样,在室内实验室测定混凝土中沥青软化点为45.5 ℃,密度为0.785 g/cm3,粗骨料粒径分布为2.8～16 mm,骨料压碎值为10.5%,细骨料吸水率为0.45%,中值粒径为0.55 mm,所使用的混凝土初步配合比与C30一致。为研究沥青混凝土试样弯曲力学特性,本试验采用三点弯曲力学试验方法,试样长、宽、高尺寸分别为25 cm×12 cm×6 cm,试验前试样表面已在室内精加工打磨,平整度满足试验规程需求。由于试验方案中含有油石比影响因素,因而制样时应考虑对不同油石比组试样进行分类制备。所有试样在进入加载平台前,均需完成24 h的恒温、恒湿养护,对其初始制样扰动损伤进行恢复处理。

试验设备按照加载示意进行设备调试,在试验平台上安装试样;完成高、低温物理作用与保温时效后,以恒定加载速率进行弯曲力学破坏,采用LVDT位移控制方式,速率为0.02 mm/min。试验设计高温热作用温度分别为25、50、75、100、125、150 ℃,而低温作用包括有工程所处地区冬季抗冻温度,分别设定为-30、-25、-20、-10、-5 ℃。配合比参数中以油石比为研究对象,设定油石比分别为1%、3%、5%、7%、9%、11%共六组试样,试验参数设计如表1所示。基于上述不同温度下热作用与冻结作用,开展油石比配合比设计影响下的沥青混凝土的三点弯曲力学试验。

表1 试验设计表

3 配合比对沥青混凝土弯曲力学特性影响

基于不同油石比试验组弯曲力学试验,获得如图1所示试验结果。依据图中弯曲应力应变特征可知,当油石比愈大,则混凝土试样弯曲应力愈低。当弯曲应变为0.5%时,此时试样处于屈服变形阶段,试样以不可恢复损伤变形为主;油石比1%试样弯曲应力为3.8 MPa;而油石比3%、7%、11%试样弯曲应力较之分别减少了9.6%、40.3%、66.8%。进一步具体分析油石比对弯曲应力影响可知,当油石比不超过7%时,弯曲应力受之影响较小,如油石比3%、7%试样抗弯应力较之油石比1%下分别仅有9.3%、28.3%降幅,其中油石比1%、7%试样抗弯应力分别达5.74 MPa、4.12 MPa,随油石比每递增1%,抗弯应力将随之降幅10.5%。另一方面,当油石比超过7%后,沥青混凝土试样弯曲应力水平下降较快,抗弯应力在油石比9%、11%下分别为3.1 MPa、1.99 MPa,较之油石比7%试样分别减少了25.8%、51.6%。由此可知,油石比参数对沥青混凝土弯曲力学特性影响具有“过节点”特征,当油石比超过7%后,试样抗弯应力受削弱程序大幅增加。分析认为,油石比愈多,当超过一定节点后,预示着沥青在混凝土内部具有主导性作用,会加剧混凝土内部软弱层的分布,对控制沥青混凝土抗弯薄弱面具有促进效应[11,12],从而表现出抗弯应力大幅下降特征。

图1 不同油石比试验组弯曲力学特征

在沥青混凝土残余应力后期,不论油石比含量为何值,试样均具有相应残余弯曲应力。如油石比3%、7%下试样残余弯曲应力分别为2.65 MPa、1.7 MPa。由此可知,油石比含量改变,不会导致沥青混凝土失去抗弯残余应力,仅会改变其残余应力量值水平。从应变特征来看,峰值弯曲应变分布在0.85%～0.95%,不同油石比含量试样间峰值弯曲应变差异较小。当油石比含量递增,试样弯曲模量均会减小,模量参数的影响特征与抗弯应力变化一致。

4 高、低温物理作用对弯曲力学特性影响

4.1 高温物理作用影响

当环境模拟箱物理场为高温热作用环境时,沥青混凝土典型试样弯曲应力应变特征如图2所示。由应力应变趋势可知,温度愈高,沥青混凝土的抗弯应力具有先增后减变化特征,转折节点温度为100 ℃。当热作用温度低于100 ℃时,温度与弯曲应力水平具有正相关,在应变0.5%时温度25 ℃试样弯曲应力为0.95 MPa,而温度75 ℃、100 ℃试样在该变形时弯曲应力较之分别增长了1.1倍、2倍;但温度超过100 ℃后,试样弯曲应力水平呈递减变化,如仍是应变0.5%时,温度125 ℃、150 ℃下试样弯曲应力分别为2.45 MPa、2.05 MPa,较之温度100 ℃下分别减少了16.5%、27.5%,甚至温度150 ℃下抗弯应力接近温度75 ℃下。从抗弯应力对比来看,在热作用温度不超过100 ℃时,温度25 ℃、50 ℃下试样抗弯应力分别为1.76 MPa、2.5 MPa,而随温度每递增25 ℃,抗弯应力分别提高41.3%;与之相反的是,在温度超过100 ℃后,抗弯应力随温度梯次变化为平均降幅10.7%。由试验结果分析可知,高温物理作用下,沥青混凝土的弯曲力学特性具有“双向”特点,这与沥青混凝土内部晶体颗粒耐热膨胀极限有关。当内部晶体颗粒在受热下膨胀变形时,对试样内部孔隙填充及密实性有正面作用,但当受热荷载超过颗粒极限耐热值时,如沥青等矿物成分会导致试样抗弯能力下降[13]。

图2 不同高温试验组弯曲力学特征

分析图2中应变影响可知,高温物理环境温度为125 ℃、150 ℃时,试样呈应变变化快、弯曲应力变化慢的延塑性变化特征,即温度愈高,会促发沥青混凝土试样由弹脆性变形主要转变至延塑性变形主导。从工程实际应用考虑,路面沥青混凝土材料应避免环境温度较高,当环境温度过高时,应人为干涉降温处理。

4.2 低温物理作用影响

从低温物理作用下试验组方案中,获得图3所示低温冻结力作用影响结果。由图中应力应变影响可知,温度愈低,试样弯曲应力水平愈大,但弯曲应力水平随低温作用在温度-20 ℃后增幅放缓;在弯曲应变为0.5%时,低温-5 ℃、-10 ℃试样弯曲应力为1.4 MPa、2 MPa,而低温-20、-25、-30 ℃下试样弯曲应力较之-5 ℃下分别增大了1.14、1.83、2.45倍。从抗弯应力对比来看,在低温-5 ℃、-10 ℃两试样中分别为2.21 MPa、3.26 MPa,在-5～-20 ℃方案间,随低温梯次递增,其抗弯应力平均增长32.3%,方案间最大增幅达47.6%,而在低温-25 ℃、-30 ℃方案间抗弯应力最大增幅为6.8%。由此可知,低温冻结作用对试样弯曲力学特性影响具有上限,温度进一步降低,虽能促发沥青混凝土内部水颗粒膨胀,使试样孔隙密实,但试样水颗粒在极限低温下是有限的,即便冻结力很大,也会在试样内部残余一定的孔隙,故而弯曲应力水平的增幅会减弱。

图3 不同低温下弯曲应力应变特征

在残余应力阶段,各试样弯曲残余应力变化关系与抗弯应力一致,但各低温条件下不同试样间残余应力的差幅较抗弯应力大。随低温增长,峰值弯曲应变减小,脆弹性变形特征增强,在低温-5、-15、-25 ℃下试样峰值弯曲应变分别为0.98%、0.88%、0.8%。从工程实际应用分析,路面沥青混凝土应控制低温不超过-20 ℃,控制在合理低温范畴更为有利,避免混凝土趋于脆性破坏。

5 结 论

(1)油石比愈大,试样弯曲应力水平愈低,在油石比不超过7%时,油石比对抗弯应力影响较小,而在超过7%后,抗弯应力下降较显著,油石比9%、11%下较之7%试样分别减少了25.8%、51.6%;油石比对峰值弯曲应变影响较小,各油石比试样均存在残余弯曲应力。

(2)以高温100 ℃为影响节点,试样抗弯应力随之先增后减,在该节点前、后方案内,随温度梯次方案,抗弯应力分别平均增幅41.3%与降幅10.7%;温度升高,试样逐步演变至延塑性变形主导。

(3)低温愈低,试样弯曲应力水平愈大,但在低温-20 ℃后弯曲应力的增长减弱,低温-20～-30 ℃方案间抗弯应力最大增幅为6.8%;残余弯曲应力随低温变化影响幅度高于抗弯应力。

(4)从工程实际考虑,环境温度不应过高,同时低温环境下应注意沥青混凝土的脆性破坏。