水工瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)的研究

單海超，郝巨濤，劉增宏

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038）

1 研究背景

水工瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)是瀝青混凝土防滲結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析中的重要參數(shù)。以往的溫度應(yīng)力分析中，無(wú)論是水利工程還是道路工程，都將瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)作為常數(shù)［1-3］。我國(guó)的《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程（DL/T5362-2006）》［4］也將瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù)在初始溫度Ti（一般為0℃）和低溫值T（一般為-30℃）之間作為常數(shù)考慮。國(guó)外對(duì)瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù)曾進(jìn)行研究，Jones等［5］曾根據(jù)瀝青混凝土各種組分的體積關(guān)系提出了一個(gè)估算瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù)的公式，該公式也被廣泛采用［2，6］。已有研究表明，瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)并非常數(shù)，而是溫度的函數(shù)。文獻(xiàn)［7］研究認(rèn)為，在10℃～-30℃的溫度區(qū)間內(nèi)，瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù)隨溫度降低而先增加后減小，在0℃附近有最大值，收縮系數(shù)約為35×10-6/℃～20×10-6/℃，并得到了瀝青混凝土、瀝青砂石和瀝青碎石不同降溫速率下的低溫收縮系數(shù)-溫度曲線。文獻(xiàn)［8］的研究也表明，瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)是關(guān)于溫度的非線性函數(shù)。相對(duì)于道路瀝青混凝土，水工瀝青混凝土的瀝青含量較高。文獻(xiàn)［9］研究了不同瀝青品種、瀝青含量及溫度對(duì)水工瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)的影響，結(jié)果表明，瀝青品種對(duì)低溫收縮系數(shù)影響較大，瀝青含量及升溫降溫過(guò)程的影響較小，同一瀝青混凝土不同溫度段其低溫收縮系數(shù)不同，并實(shí)測(cè)出某一級(jí)配的瀝青混凝土在5℃～-14.9℃時(shí)其收縮系數(shù)值為40.8×10-6/℃，在-14.9℃～-35.1℃時(shí)其收縮系數(shù)值為25.4×10-6/℃，但該文獻(xiàn)并沒(méi)有對(duì)瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)與溫度的具體關(guān)系進(jìn)行深入研究。本文對(duì)水工瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期取得了一些有意義的結(jié)果。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程（DL/T5362-2006）》［4］中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法。瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)由高低溫箱、精密數(shù)字位移傳感器、位移傳感器夾具、銦鋼棒、石英基準(zhǔn)棒和采集系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖1。

高低溫箱：工作室尺寸1000mm×1000mm×1000mm，工作溫度范圍：+100℃～-70℃，溫度不均勻度不大于±0.5℃，降溫速度可控制在0～50℃/h范圍內(nèi)。采用的瀝青混凝土試件尺寸為200mm×40mm×40mm，試件兩側(cè)安裝位移傳感器，配合采用銦鋼棒量測(cè)試件的溫度收縮位移。精密數(shù)字位移傳感器量程為30mm，線性度不小于95%，額定輸出信號(hào)0～2V，分辨率0.01mm/字，工作溫度-55℃～70℃，且在該溫度范圍內(nèi)的增益溫度系數(shù)能滿足高穩(wěn)定度和高分辨率的測(cè)量要求。銦鋼棒尺寸為?8mm×120mm，收縮系數(shù)約為1.0×10-6/℃［10］。

瀝青混凝土低溫收縮試驗(yàn)的關(guān)鍵是在降溫過(guò)程中，保證采集到的數(shù)據(jù)僅為試件的位移量。由于銦鋼棒、位移傳感器及傳感器夾具材料都有一定的溫度收縮系數(shù)，位移量測(cè)系統(tǒng)的變形隨溫度的變化也不可忽略。因此試驗(yàn)之前對(duì)量測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定。標(biāo)定采用石英玻璃棒作為基準(zhǔn)器，其尺寸為200mm×25mm×25mm，石英玻璃的溫度收縮系數(shù)約為0.54×10-6/℃［11］。將銦鋼棒、位移傳感器及夾具安裝在石英玻璃基準(zhǔn)器上，如圖1所示。在降溫過(guò)程中，量測(cè)出位移傳感器和夾具隨溫度變化的位移曲線，并進(jìn)行曲線回歸，將回歸關(guān)系作為修正曲線S量輸入計(jì)算機(jī)。由于石英玻璃的低溫收縮系數(shù)為瀝青混凝土的1/（15～40），標(biāo)定中忽略了石英玻璃的變形。標(biāo)定前，首先在常溫下對(duì)使用的兩個(gè)位移傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，結(jié)果表明傳感器的輸出電壓值和輸入位移值存在線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均為1.0。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，S量與環(huán)境溫度T有關(guān)，其溫度變化率與溫度呈線性關(guān)系，ΔS量/ΔT＝［0.0372T（℃）+6.84］×10-4mm/℃。

進(jìn)行低溫收縮試驗(yàn)時(shí)，位移傳感器給出的變形總量S總由兩部分組成，一部分是試件的變形量S試，另一部分是量測(cè)系統(tǒng)的變形量S量。將變形總量S總減去量測(cè)系統(tǒng)的變形量S量，即可得到試件的變形量S試=S總-S量。

在溫度量測(cè)方面，試驗(yàn)中采用了兩個(gè)溫度傳感器。除將一個(gè)溫度傳感器置于試驗(yàn)試件表面，以量測(cè)試件表面的環(huán)境溫度，同時(shí)在高低溫箱中另放置一個(gè)試件作為伴隨試件，將另一個(gè)溫度傳感器插入伴隨試件內(nèi)部，以了解試件內(nèi)部的溫度。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，在初始溫度T0下恒溫至少1h，待兩個(gè)溫度傳感器的讀數(shù)相差不到1℃時(shí)方可進(jìn)行降溫試驗(yàn)。試驗(yàn)中降溫速率為10℃/h，達(dá)到要求溫度值時(shí)需恒溫不小于35min，方可記錄兩個(gè)位移傳感器的位移讀數(shù)，并以兩個(gè)位移傳感器讀數(shù)的平均值為試件位移值。試件的溫度收縮系數(shù)α按下式計(jì)算

式中：α為溫度收縮系數(shù)，1/℃；ΔS試為試件在溫度變化范圍內(nèi)的位移變化，mm；L為位移傳感器夾具間的標(biāo)距，mm；ΔT為溫度變化值，℃。

表1 瀝青性能指標(biāo)

為進(jìn)一步了解試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，以瀝青為試驗(yàn)對(duì)象，分別采用本試驗(yàn)系統(tǒng)和DIL 402C熱膨脹系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行試驗(yàn)，并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。DIL 402C熱膨脹系數(shù)測(cè)定儀的溫度范圍為-150℃～500℃，溫度變化速率0～20K/min，位移量測(cè)范圍為500～5000μm，讀數(shù)分辨值為0.125～1.250nm/digit。試驗(yàn)中將瀝青制成?6mm×20mm的小圓棒進(jìn)行試驗(yàn)。采用前述標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法時(shí)［4］，將瀝青制成200mm×40mm×40mm的棱柱體，按照前述方法測(cè)試溫度收縮系數(shù)。試驗(yàn)中瀝青采用克拉瑪依水工瀝青，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

兩種方法的溫度收縮系數(shù)結(jié)果見(jiàn)圖2，從中可見(jiàn)，在-17℃～-47.5℃范圍內(nèi)，二者基本是吻合的；同時(shí)在0℃～-50℃范圍內(nèi)，瀝青的溫度收縮系數(shù)在290×10-6/℃～85×10-6/℃之間變化。

3 瀝青混凝土試驗(yàn)結(jié)果

本文試驗(yàn)礦料采用某工程的石灰石骨料，瀝青混凝土配合比見(jiàn)表2。

按照前述的方法，得到瀝青混凝土低溫試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表3，表中溫度收縮系數(shù)α值根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果按三次多項(xiàng)式分段計(jì)算。由于在T=-47℃附近試件應(yīng)變變動(dòng)較大，為避免α異常，該處的α值按式（1）線性差值計(jì)算。三次試驗(yàn)結(jié)果的平均值見(jiàn)表4和圖3。從中可以看出，瀝青混凝土的溫度收縮系數(shù)在0℃～-47℃范圍內(nèi)呈非線性變化，在-17℃～-37℃范圍內(nèi)近似呈線性變化。

表2 瀝青混凝土配合比

表3 瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)

表4 瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

Jones提出的瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)公式見(jiàn)下式［5］

式中：α為瀝青混凝土的溫度收縮系數(shù)，1/℃；αAC為瀝青的溫度收縮系數(shù)，1/℃；αAGG為礦料的溫度收縮系數(shù)，1/℃；VMA為礦料間隙率，礦料間隙率=孔隙率+瀝青體積百分比-被礦料吸收的瀝青體積百分比，%；VAGG為礦料體積百分比，%；V為瀝青混凝土總體積百分比，為100%。

本研究中瀝青的溫度收縮系數(shù)見(jiàn)圖2，石灰石礦料的溫度收縮系數(shù)采用DIL 402C熱膨脹系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表5，其值基本不隨溫度變化。

表5 石灰石礦料低溫收縮系數(shù)

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，表2瀝青混凝土的孔隙率VV=0.93%。根據(jù)表2可以計(jì)算出瀝青的體積百分率VA=18.64%，骨料體積百分率VAGG=81.2%。如忽略被礦料吸收的瀝青體積，則可以得出瀝青混凝土的礦料間隙率VMA=VA+VV=0.196。將這些參數(shù)及圖2、表5的溫度收縮系數(shù)代入式（2），可計(jì)算出瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖4。從中看出公式法與實(shí)測(cè)結(jié)果相差很大，不能反映實(shí)際。當(dāng)溫度低至-47℃時(shí)，瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù)已降至10.1×10-6/K，與石灰石礦料的低溫收縮系數(shù)已十分接近。

類(lèi)似的現(xiàn)象也可見(jiàn)于圖5的瀝青瑪蹄脂的對(duì)比，實(shí)測(cè)的低溫收縮系數(shù)和公式計(jì)算的低溫收縮系數(shù)相差也很大。這些結(jié)果表明，在低溫溫變過(guò)程中，瀝青與各種礦料的相互作用很強(qiáng)烈，不能簡(jiǎn)單地用Jones公式進(jìn)行計(jì)算。

5 結(jié)語(yǔ)

本文進(jìn)行了瀝青混凝土、瀝青瑪蹄脂的低溫收縮系數(shù)試驗(yàn)研究，其結(jié)果均隨溫度的降低而降低。在-15℃～-35℃，瀝青混凝土的溫度收縮系數(shù)隨溫度的降低近似呈線性變化，在-35℃以下，溫度收縮系數(shù)隨溫度的降低趨勢(shì)逐漸減緩，并逐漸接近礦料的低溫收縮系數(shù)。同時(shí)，由試驗(yàn)方法和Jones公式法［5］得到的瀝青混凝土和瀝青瑪蹄脂的溫度收縮系數(shù)差別較大，低溫時(shí)不能采用Jones方法估算這類(lèi)瀝青混凝土的溫度收縮系數(shù)。

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