水工瀝青混凝土高溫性能評(píng)價(jià)與改善措施

王應(yīng)章

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)公司，湖北 宜昌443002)

天然瀝青早在五千多年前就已被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)并用作建筑材料，如今瀝青混凝土作為一種人工合成的建筑材料，被廣泛應(yīng)用于道路、房屋建筑、機(jī)場(chǎng)跑道、城市垃圾填埋、渠道及水工結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。由于瀝青的性能較其他建筑材料復(fù)雜，并且瀝青混凝土是一種有機(jī)材料與無(wú)機(jī)材料混合而成的復(fù)合材料，性能就更加復(fù)雜，特別是針對(duì)瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性能我們還需要更加深入的研究。文章擬采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)以及瀝青混凝土流值等進(jìn)行瀝青混凝土高溫性能的評(píng)價(jià)，并探索其改善的措施。

1 瀝青混凝土熱穩(wěn)定系數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 瀝青混凝土熱穩(wěn)定系數(shù)

瀝青混凝土的高溫性能一般應(yīng)用它的熱穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，熱穩(wěn)定系數(shù)KT是瀝青混凝土20 ℃抗壓強(qiáng)度與50 ℃抗壓強(qiáng)度的比值:

式中:KT與這兩種溫度下的抗壓強(qiáng)度變化成正比，也就是說(shuō)KT的值越小，這兩種溫度下的抗壓強(qiáng)度變化就越小，代表他的穩(wěn)定性越好。所以說(shuō)，溫度敏感性小的瀝青不僅有好的低溫性能，又有好的熱穩(wěn)定性。

1.2 馬歇爾穩(wěn)定度

馬歇爾穩(wěn)定度是指在60 ℃的條件下，將配置的混凝土試件保溫45 min左右，然后將試件放在馬歇爾穩(wěn)定度儀上，以50 ±5 mm/min的形變速度加荷，直至試件破壞時(shí)的最大荷載稱(chēng)為馬歇爾穩(wěn)定度(簡(jiǎn)稱(chēng)MS)，可以測(cè)量和反映瀝青混凝土的穩(wěn)定度和流值等指標(biāo)。

1.3 瀝青混凝土斜坡流淌值(流值)

瀝青材料是一種溫度敏感性較高的材料，它在高溫時(shí)呈液態(tài)，在常溫(20 ～30 ℃)和低溫狀態(tài)顯固態(tài)。瀝青混凝土的性能在很大程度上取決于瀝青材料的性質(zhì)。瀝青混凝土在剛攤鋪完成和陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間照射下，溫度一般可以達(dá)到70 ℃以上，在高溫下易產(chǎn)生流動(dòng)變形使骨料與瀝青分離(離析)，孔隙率與滲透性都增大，降低瀝青混凝土面板的強(qiáng)度和耐久性，使大面積的面板在斜坡上變形而失去穩(wěn)定，進(jìn)而影響大壩的使用功能，這種變形就是斜坡流淌值(流值)。

2 瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)介及實(shí)驗(yàn)物理變形分析

斜坡流淌變形和熱穩(wěn)定性能的實(shí)驗(yàn)分析，主要是模擬面板實(shí)際工作情況，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)測(cè)定變形量。在此試驗(yàn)中試件會(huì)在受拉、受壓以及受彎的作用下發(fā)生明顯的變形。物理變形的不同在一定程度上能反映瀝青混凝土的性能好壞，受力條件的好壞也影響最后的試驗(yàn)成果。另外，瀝青混凝土有一定的黏性，在試驗(yàn)過(guò)程中容易和試驗(yàn)平臺(tái)黏在一起，增強(qiáng)了試件的約束條件，這就容易改變?cè)嚰氖芰顟B(tài)，影響試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定性試驗(yàn)壓縮變形分析

在馬歇爾穩(wěn)定試驗(yàn)中試件在圓環(huán)形壓力作用下受力示意圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 馬歇爾穩(wěn)定試驗(yàn)受力示意圖

圖2 馬歇爾穩(wěn)定試驗(yàn)受力分區(qū)示意圖

將試件的受力情況分為四個(gè)區(qū)域。如圖2，受外力作用較強(qiáng)的區(qū)域1、2，可看成三向受力狀態(tài)。而區(qū)域3、4 由于受擠壓力，約束相對(duì)較弱，考慮到試件是黏彈性材料制成以及內(nèi)部壓力作用，發(fā)生變形。

瀝青混凝土高溫性能主要包括離析變形(表面現(xiàn)象)和性能發(fā)生變化(內(nèi)部現(xiàn)象)，本次主要對(duì)高溫性能的試驗(yàn)方法進(jìn)行分析，用斜坡流淌和熱穩(wěn)定系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混凝土的高溫性能，通過(guò)試驗(yàn)并認(rèn)真分析篩選出的數(shù)據(jù)，能夠找到瀝青混凝土高溫性能的影響因素［1］。

2.3 瀝青含量、密度、空隙率混合料與熱穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系

1)同瀝青含量、混合料密度、空隙率條件下的瀝青混凝土熱穩(wěn)定系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。關(guān)系曲線如圖3 和圖4 所示。

圖3 瀝青含量與熱穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系曲線

圖4 混合料空隙率與熱穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系曲線

從圖3 可以看出，在瀝青混凝土中瀝青含量越大，瀝青混合料的熱穩(wěn)定系數(shù)就越大，當(dāng)含量超過(guò)4%時(shí)，其熱穩(wěn)定增加系數(shù)減緩。另外從圖3 中還可以看出，混合料熱穩(wěn)定系數(shù)隨著試件密度的增加而減小。見(jiàn)圖4 混合料空隙率與熱穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系曲線，它反映混合料的空隙率與試件的熱穩(wěn)定系數(shù)成反比的關(guān)系。從綜合瀝青用量、密度和空隙率來(lái)考慮，混合料熱穩(wěn)定系數(shù)都在4 左右曲線發(fā)生突變。因此，全面分析可知瀝青含量、混合料密度和空隙率三者本身存在著聯(lián)系，共同影響瀝青混凝土的熱穩(wěn)定性能。

表1 瀝青混凝土熱穩(wěn)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2)瀝青混凝土碾壓溫度與熱穩(wěn)定關(guān)系試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 瀝青混凝土熱穩(wěn)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

瀝青混合料一般是由骨料、填充料以及其他用料用瀝青黏結(jié)起來(lái)的，從表2 中可以看出，碾壓溫度對(duì)于瀝青混合料面板的施工有很大的影響。

3 瀝青混凝土高溫性能評(píng)價(jià)

瀝青混凝土面板的斜坡流淌值是測(cè)量高溫瀝青混合料發(fā)生的離析變形，試驗(yàn)時(shí)我們主要是針對(duì)復(fù)合式結(jié)構(gòu)面板的防滲層，所以在試驗(yàn)時(shí)瀝青含量取7%左右，并將纖維含量的因素也考慮進(jìn)來(lái)了。通過(guò)比較分析得出:

1)瀝青含量7.5%、纖維含量0.3%對(duì)于有防滲要求的混合料而言是較有利有控制變形的。

2)對(duì)于瀝青含量在7%左右的瀝青混合料，一般密度取2.32 ～2.35 g/cm3，空隙率一般在1.3% ～2.3%，在這些范圍內(nèi)變化可以保證混合料流值不會(huì)出現(xiàn)大的變動(dòng)，有利于控制質(zhì)量。

3)當(dāng)瀝青混合料的瀝青含量為7.5%，纖維含量在0.2% ～0.3%變化對(duì)瀝青混合料流值影響較大，但是隨著纖維含量繼續(xù)增加，這個(gè)影響變小，說(shuō)明纖維過(guò)多破壞了瀝青混合料的結(jié)構(gòu)組成，這要引起我們的特別注意。

4 瀝青混凝土高溫性能改善措施

根據(jù)瀝青混凝土的性能，在瀝青混合料中可摻加植物纖維摻料，纖維與纖維間搭接成三維立體結(jié)構(gòu)，從而提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)瀝青混凝土起到改善的作用以提高瀝青混合料的性能。不同的瀝青含量和纖維含量的條件下測(cè)得的流值見(jiàn)表3，在不同的瀝青含量、混合料密度、空隙率的條件下測(cè)得的流值的最后結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 瀝青混凝土流值試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 瀝青混凝土流值試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)水工瀝青混凝土高溫性能的評(píng)價(jià)可知，在最佳瀝青用量下，不同的纖維含量對(duì)混凝土的高溫性能的改善有不同的作用。所以說(shuō)，纖維摻入提高瀝青混凝土的抗高溫變形能力不是隨便加入的，它有一個(gè)最佳值，如果超過(guò)這個(gè)最佳值，或者比這個(gè)最佳值低，混凝土的抗高溫變形能力都不能得到很好的提高，甚至?xí)羞m得其反的作用。

5 結(jié) 語(yǔ)

高溫變形是瀝青混凝土最常見(jiàn)的現(xiàn)象之一，需要我們采用一定的方法避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，可以采用纖維混入法來(lái)改善混凝土的性能，從而提高它的高溫抗變形能力。

［1］栗東海. 不同纖維瀝青混凝土高低溫性能試驗(yàn)研究［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2012(14):62－64.