公路沥青混凝土材料加载力学破坏试验

俞桂彪

(扬州天达建设集团有限公司,江苏 扬州 211400)

1 引 言

沥青混凝土材料在各类工程中应用普遍[1-2],其良好的耐久性、力学稳定性倍受工程师青睐,但不可忽视,其力学特征受多种因素影响,如配合比参数、冻融或干湿环境以及复杂物理场环境等[3-4]。因此,开展针对沥青混凝土材料力学特征影响研究,有助于丰富工程设计参考成果。高勇[5]、马翔等[6]为研究沥青混凝土材料的力学特征,根据混凝土颗粒形特点,借助离散元颗粒流仿真平台,从模拟力学加载维度入手,高效率探讨沥青混凝土的颗粒特征、试验环境等因素对力学水平影响,为工程设计提供了多个影响因素参照。为研究公路沥青混凝土材料力学特征变化,采用单、三轴试验方法开展了抗冻裂剂及高温热作用影响分析,以期为工程建设提供应用环境及配合比设计参考。

2 试验介绍

2.1 工程概况

作为京津冀地区协同发展重点项目,保定主城区环城快速公路计划全长76.2 km,实现与沧榆高速、京昆高速以及京港澳高速的全线贯通,乃是“十四五”时期保定基建重点项目,计划投入运营后,可较好地推动京雄保一体化发展。环城快速公路共有立交枢纽桥梁4座,其他类型公路桥梁6座,公路桥梁修建的同时,对路面以下管网线路进行重点修缮,确保道路、桥梁以及市政管网协同式管理。根据保定城区规划,在东二环、东风东路交口处设置有高架桥梁形成多个维度的交通通行,而在北二环与东二环交口处设置有立交桥枢纽,作为交通分流的控制枢纽,不论是快速路或是立交桥枢纽,均采用沥青混凝土路面。全干线快速路桥梁主要有悬索桥与斜拉桥,三丰路与东二环交口处为悬索桥梁立面设计,横跨府河河道,全桥面长为1 200 m,其中悬索桥梁两端点间距为900 m,按照箱涵桥梁设计,共有六段式分拉,分别设置有拉索装置,确保桥面在风荷载下位移量满足设计要求。不论是悬索桥梁,还是东二环修建快速路主干道,所使用的沥青混凝土材料均需满足抗裂、抗拉等要求。现场实测表明,桥梁路面铺设沥青混凝土油石比为0.34,极限抗裂应力为10 MPa,掺加一定量的抗冻裂剂,能够有效满足北方地区冬季抗寒、抗冻胀要求,即低温条件下该类型沥青混凝土仍具有较强承载能力,能够应对低温冻结作用对混凝土内部晶体颗粒的损伤作用。为确保保定环城快速干线公路投入运营后的安全使用,在已知路面沥青混凝土满足低温抗冻胀作用的前提下,有必要系统性开展高温热作用对沥青混凝土承载应力影响的研究,为工程建设提供参考。

2.2 试验概况

由于需探讨公路沥青混凝土材料力学受高温热作用影响变化,因而设计沥青混凝土需完成单、三轴两种不同受荷方式的力学试验。所采用的实验设备可通过更改加载平台,适配单、三轴不同试验条件,且可耦合工程环境试验模拟箱,实现TM耦合实时环境。不仅如此,该试验设备具有精密数据采集系统、机器上限停机保护系统以及实时中控装置,所有数据采集均通过八通道电子数据传输,各通道数据之间互相印证合理性,通过电脑程序识别筛选不满足精度要求的监测数据,确保试验数据满足试验规程要求[4-5]。监测通道所连接的采集装置包括有LVDT位移传感器、荷载传感器以及其他轴、环向变形传感器等,数据分析的重点参考对象为LVDT位移,其量程为-20～20 mm,荷载传感器可根据单、三轴环境选择合适的量程。试验中所有监测传感器最大振频不超过0.01 Hz,数据监测点均以试样中心点为准;试验前所有装置均进行了误差标定,确保各组试验中的误差在允许范围内,同时单、三轴试验均为同一类型试验装置,可减少仪器自身误差对试验结果干扰的。工程环境模拟箱可实现高、低温不同温度加载,主要探讨高温环境下热作用对沥青混凝土影响,因而选择的高温热传导模块,加温速率为2 ℃/min,每个试样在预定温度试验环境下,保温3 h后方可进行后续力学试验。

通过对环城快速公路工程沥青混凝土材料取样,在室内试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。在室内进行钻孔取样,并掺加相应剂量的抗冻裂剂,制备成直径高度分别为50 mm、100 mm的混凝土圆柱体试样,且在试验前均放置在恒温恒湿环境下养护24 h。混凝土试样在进行热力耦合试验前,需完成围压损伤恢复,减少初始制样机器扰动损伤作用。

试验包括单轴与三轴两部分,且均与高温热作用进行耦合研究,试验中根据工程环境设定温度分别为25、50、75、100、125、150 ℃,而试验围压按照5～20 MPa进行,单轴试验本质上围压为0 MPa。同时,该路面沥青混凝土材料低温抗冻作用下的抗冻裂剂掺量也是其力学特征研究对象,在抗冻裂剂掺量不超过5%的前提下,设定抗冻裂剂掺量分别为0%、1%、2%、3%、4%、5%。基于此,探讨高温热作用下,掺有抗冻裂剂的沥青混凝土试样单、三轴力学特征影响变化。

3 沥青混凝土力学特性影响

3.1 抗冻裂剂掺量的影响

基于不同抗冻裂剂掺量方案下的力学试验,获得试验结果,如图1所示。依据力学特征可知,抗冻裂剂掺量愈多,则试验应力水平愈低,但其降幅在抗冻裂剂掺量达3%后有所增多;当试验组围压为0 MPa时,此时沥青混凝土处于单轴加荷,在应变0.8%时抗冻裂剂掺量0%试样加载应力为31 MPa,而抗冻裂剂掺量为1%、3%下试样加载应力分别为19.5 MPa、10.6 MPa,而抗冻裂剂掺量为4%、5%时试样加载应力较之掺量3%下分别减少了11.5%、22.6%,掺量超过3%后加载应力受抗冻裂剂掺量影响幅度显著增大。在围压10 MPa下,无抗冻裂剂试样峰值偏应力为68.86 MPa,而掺量1%、3%、5%相应试样峰值偏应力较之前者分别减少了7.8%、21.3%、49.4%,同样以掺量3%后峰值偏应力的降幅增多。在围压10 MPa下,在掺量未超过3%时,当混凝土试样中抗冻裂剂掺量每递增1%,其峰值应力平均降幅仅为6.6%,而掺量达3%后,如掺量4%、5%两试样的峰值偏应力分别为45 MPa、35.1 MPa,较之掺量3%后降幅较大,达17.2%、35.3%。单轴荷载下峰值应力受抗冻裂剂掺量影响亦是如此。抗冻裂剂的存在,主要通过降低沥青混凝土内部固体水含量,减少低温作用下冰晶体冻胀对混凝土颗粒骨架稳定性的影响,抗冻裂剂愈多,不仅会进一步限制闭合孔隙内部的冰晶体,也会对软弱滑移填充面产生影响,对沥青混凝土的承载能力带来的损伤效应愈显著[6-7]。

图1 抗冻裂剂掺量对应力应变特征影响

当沥青混凝土处于单轴加荷时,抗冻裂剂掺量愈低,峰值应变参量愈小;同时,较大掺量下试样应变具有更强的延塑性变形特征。在围压10 MPa下,试样残余应力下降段相比单轴荷载下更缓,围压增大了沥青混凝土延塑性变形能力,该围压下掺量4%、5%的试样具有更显著的高应变低应力变形段。

3.2 温度热作用的影响

同理,根据不同温度下力学试验组数据,获得了图2所示试验结果。分析可知,温度改变,试样承载应力的变化具有阶段性逆转变化特点:当温度处于100 ℃以下时,温度愈高,承载应力愈大,如围压5 MPa下温度25 ℃试样应变0.8%处偏应力为16.8 MPa,而温度50 ℃、100 ℃试样同应变下偏应力分别为23.6 MPa、46.5 MPa,具有增幅40.4%、177.2%;而在温度超过100 ℃后,试样加载应力水平具有降低特征,甚至温度150 ℃下试样加载应力水平低于温度50 ℃。从峰值偏应力对比即可看出此种阶段性变化现象,在围压5 MPa下试样温度25 ℃的峰值应力为32.7 MPa,而温度50 ℃、75 ℃下试样峰值应力分别为38.9 MPa、47.9 MPa,在温度限定于100 ℃内,沥青混凝土试样受热温度每递增25 ℃,则可使之峰值应力增高21.5%,而温度高过100 ℃后,则试样峰值应力随温度梯次25 ℃变化具有平均降幅21.6%。与之类似,围压20 MPa下分别在低于100 ℃与高于100 ℃范围内分别具有平均增幅12.5%与降幅10.3%。相比之下,围压20 MPa下试样受温度热作用影响敏感度低于围压5 MPa下,即围压增大,不仅对试样峰值应力提升具有围压效应,对温度热作用亦有“补偿”效应。综上分析可知,沥青混凝土试样受温度热作用影响应分为两类,分别是热补偿与热损伤效应,前者所处温度低于100 ℃,后者则超过100 ℃,此种截然相反的变化特征与沥青混凝土内部晶体颗粒受热极限有关,当颗粒受热膨胀至耐热极限,不仅不会填充孔隙,反而会造成晶体颗粒骨架出现失稳,由此即产生了上述宏观力学现象[8]。

图2 温度热作用对应力应变特征影响

不论是围压5 MPa还是20 MPa,峰值应变随温度变化具有无序性,但总体上峰值应变较为接近。围压增大,残余应力的变化具有较“缓和”的特征,整体上应变值亦高于低围压下。

4 沥青混凝土抗剪特征变化

基于沥青混凝土三轴试验,获得了两个抗剪特征参数与抗冻裂剂掺量、温度热作用影响关系[8-9],如图3所示。

图3 沥青混凝土抗剪特征变化

由图3中黏聚力、内摩擦角影响变化可知,当抗冻裂剂掺量愈多,则试样抗剪特征参数均为递减,特别是内摩擦角,在同为温度25 ℃试验组中,掺量每递增1%,混凝土试样黏聚力、内摩擦角分别具有平均降幅2.8%、10.2%,特别是在温度100 ℃后,抗剪参数的降幅更为显著。从温度热作用对比来看,其对黏聚力影响效应强于内摩擦角,在抗冻裂剂掺量2%时,温度75 ℃、150 ℃下黏聚力较之温度25 ℃分别增长了25.6%、19.9%,而内摩擦角在前者三温度的对比下增幅分别为9.5%、11.6%。同时,与承载应力一致,温度热作用对两个抗剪特征参数影响均在温度100 ℃后发生变化。综合分析可知,两个抗剪特征参数受抗冻裂剂掺量、温度热作用影响具有差异,前者因素对内摩擦角影响更大,而黏聚力受后者因素影响更为敏感。

5 结 论

(1)抗冻裂剂对沥青混凝土的影响在掺量3%后更为显著,围压10 MPa下掺量未超过3%时,掺量每递增1%,则峰值应力平均降幅仅为6.6%,而在掺量3%后最大降幅达35.3%;掺量愈多,试样延塑性变形能力愈强。

(2)以100 ℃为分界点,低于该温度时,试样峰值应力随温度递增,围压5 MPa下平均增幅为21.5%,而超过该温度后,峰值应力为递减变化;围压对温度热作用有限制效应,对峰值应力有提高作用;应变在温度热作用下具有无序性特征。

(3)抗剪特征参数受抗冻裂剂掺量与温度热作用影响具有差异性,内摩擦角与前者掺量关联性更大,而黏聚力受后者影响更大。

(4)结合工程实际,该类型沥青混凝土抗冻裂剂掺量应控制在3%左右,路面工程环境超过100 ℃时应采用合理降温措施。