瀝青混凝土低溫力學(xué)特性研究

魯艷蕊

瀝青混凝土低溫力學(xué)特性研究

魯艷蕊

河南財政金融學(xué)院, 河南 鄭州 451464

我國北方冬季時間長氣溫低，嚴重影響了瀝青混凝土的鋪設(shè)和使用?；诖耍苽淞藶r青混凝土樣品，測試了不同低溫影響下樣品的抗拉強度和抗彎強度，分析了低溫影響下瀝青混凝土抗拉強度和抗彎強度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：隨著溫度的降低，瀝青混凝土的劈裂抗拉強度出現(xiàn)了先升高后減小，破壞應(yīng)變逐漸減小，破壞勁度模量逐漸增大；瀝青混凝土的彎拉破壞強度在10~-10 ℃隨溫度的降低而增大，在-10~-30 ℃隨溫度的降低而減小。

瀝青; 混凝土; 低溫力學(xué)

目前已通車的高速公路中，瀝青路面占比超過80%[1]。我國北方受西伯利亞寒流影響，冬季持續(xù)時間長，溫度低[2]。溫度是瀝青混凝土鋪設(shè)和使用的重要影響因素，低溫會引起瀝青混凝土的抗壓強度和抗拉強度不同程度上的改變，進而降低瀝青混凝土路面的使用壽命[3]。因此，研究低溫影響瀝青混凝土的物理力學(xué)特性具有十分重要的意義[4]。其中，喬英娟[5]、吳金榮[6]、陳國彥[7]等學(xué)者分別研究了低溫瀝青混凝土抗拉強度、抗壓強度和抗彎強度等力學(xué)特性。在上述研究的基礎(chǔ)上，本文針對我國北方的特殊氣候特征，制備了瀝青混凝土樣品，分別測試10~-30 ℃條件下的抗拉強度和抗彎強度等力學(xué)特性，分析聚酯纖維摻量對瀝青混凝土力學(xué)特性的影響規(guī)律。本文的研究成果可為我國北方冬季瀝青路面施工提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料由粗集料、礦粉和瀝青組成。粗集料采用石灰?guī)r碎石，其基本參數(shù)如表1所示；礦粉采用石灰?guī)r礦粉；瀝青的基本參數(shù)如表2所示。

表 1 粗集料的基本參數(shù)

表 2 瀝青的基本參數(shù)

1.2 試驗方法

式中，f為劈裂抗拉強度；為破壞荷載；為試件高度；x為水平變形；y為鉛垂變形；為泊松比；?為劈裂破壞應(yīng)變；S為勁度模量。

軸心抗拉強度測試采用文獻[10]中的試驗方法改進試驗儀器，抗拉強度的表達形式為：

式中，f為軸心抗拉強度；為試件截面積。

式中，R為彎拉強度；P為破壞荷載；為試件跨中斷面寬度；為試件破壞時的跨中撓度；為跨距?為彎拉破壞應(yīng)變；S為勁度模量。

2 瀝青混凝土的低溫力學(xué)特性

2.1 劈裂試驗

不同溫度下瀝青混凝土的劈裂試驗結(jié)果如表3和圖1所示。可以看出：

（1）隨著溫度的降低，瀝青混凝土的劈裂強度出現(xiàn)了先升高后減小的變化規(guī)律。即，瀝青混凝土存在一個脆化轉(zhuǎn)變點溫度-10 ℃，當外界溫度高于-10 ℃時，隨著溫度的提高，瀝青混凝土的劈裂強度迅速下降；當外界溫度低于-10℃時，隨著溫度的降低，瀝青混凝土的劈裂強度緩慢下降。分析原因在于，瀝青混凝土的劈裂強度主要由混凝土集料的嵌擠力、內(nèi)摩阻力、抗剪強度等決定；當溫度降低時，瀝青的黏度升高，瀝青與集料間的粘聚力逐漸增大，瀝青混凝土的劈裂強度升高；但另一方面，溫度降低會使得瀝青的力學(xué)性能逐漸由黏性向黏彈性、彈性、脆性轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致溫度低至脆化點溫度時，瀝青混凝土在劈裂荷載作用下發(fā)生脆性斷裂破壞，其劈裂強度又逐漸降低。

（2）隨著溫度的降低，瀝青混凝土的破壞應(yīng)變逐漸減小，并且其與溫度大致呈線性衰減關(guān)系。原因在于，瀝青的黏聚力會隨著溫度的降低而逐漸升高，導(dǎo)致瀝青混凝土在劈裂過程中產(chǎn)生的豎向和水平變形都要相對較小，因而其破壞應(yīng)變自然就小。

（3）隨著溫度的降低，瀝青混凝土的破壞勁度模量逐漸增大，其中，溫度高于脆化點溫度時，瀝青混凝土破壞勁度模量隨溫度降低增長快速；而當溫度低于脆化點溫度，瀝青混凝土破壞勁度模量則隨溫度降低增長平緩。原因是，瀝青混凝土的破壞勁度模量與劈裂破壞荷載呈正相關(guān)，而與破壞應(yīng)變反相關(guān)；當溫度高于脆化點時，瀝青混凝土劈裂荷載增大而破壞應(yīng)變卻減小，因此其破壞勁度模量增長迅速；而當溫度低于脆化點時，瀝青混凝土劈裂荷載減小的速率要小于破壞應(yīng)變的減小速率，因此其破壞勁度模量增長平緩。

由上可知，采用脆化點來衡量瀝青混凝土的低溫抗裂性能要比用破壞應(yīng)變和破壞勁度模量更為合理，建議推廣使用。

表 3 不同溫度下瀝青混凝土的劈裂試驗結(jié)果

圖 1 瀝青混凝土劈裂抗拉強度和破壞勁度模量隨溫度的變化曲線

圖 2 瀝青混凝土的軸心抗拉強度和軸向應(yīng)變隨溫度的變化曲線

2.2 軸心抗拉試驗

直接拉伸作用下瀝青混凝土的軸心抗拉強度和軸向應(yīng)變隨溫度的變化曲線如圖2所示。由圖可知，瀝青混凝土的軸心抗拉強度隨溫度的變化規(guī)律與其劈裂抗拉強度隨溫度的變化規(guī)律保持一致；即，隨著溫度的降低，瀝青混凝土軸心抗拉強度會在溫度大于-10 ℃時表現(xiàn)為逐漸增大，而在溫度小于-10 ℃時表現(xiàn)為逐漸減小。主要原因在于：一方面瀝青與混凝土集料間的黏聚力會隨著溫度的降低逐漸變強；但另一方面，瀝青與集料因線膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)致瀝青與集料間的溫度應(yīng)力會隨著溫度的降低而逐漸升高。當溫度大于-10 ℃時，隨著溫度的降低，瀝青與集料間粘聚力的增長速度要強于溫度應(yīng)力，此時，試件在拉伸后的斷口破裂形態(tài)表現(xiàn)為較多的骨料被拉斷；當溫度小于-10 ℃，隨著溫度的降低，雖然瀝青與集料間的黏聚力也在逐漸增強，但瀝青與集料間產(chǎn)生的溫度應(yīng)力要更大，導(dǎo)致瀝青與集料界面間產(chǎn)生微小的裂紋，其軸心抗拉強度降低，此時，試件在拉伸后的斷口破裂形態(tài)表現(xiàn)為骨料與瀝青界面的分離。對比瀝青混凝土在不同溫度下的軸心抗拉強度f和劈裂抗拉強度f，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，f和f在不同溫度下表現(xiàn)出良好的線相關(guān)性：f=0.1+1.95f，即，瀝青混凝土的劈裂抗拉強度約是其軸心抗拉強度的1.95倍。

2.3 彎曲試驗

不同溫度下瀝青混凝土的彎曲試驗結(jié)果如表4和圖4所示?？梢钥闯觯?/p>

（1）由于瀝青的力學(xué)性能在溫度從10 ℃降低至-30 ℃的過程中會從黏彈性向塑性轉(zhuǎn)變。因此，當溫度高于-10 ℃時，瀝青混凝土將發(fā)生彎曲塑性破壞，其荷載-撓度曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線會出現(xiàn)明顯的下降段，溫度越低，處于黏彈性階段的瀝青混凝土的強度越高，其破壞荷載和抗彎拉強度值就越高；當溫度低于-10 ℃時，瀝青混凝土將發(fā)生彎曲脆性破壞，其荷載-撓度與應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的下降段，溫度越低，瀝青的脆性特征越明顯，相應(yīng)地瀝青混凝土的破壞荷載和抗彎拉強度就越小?？梢?，-10 ℃是瀝青混凝土發(fā)生脆性或黏彈性破壞的分界點溫度。

（2）由于瀝青混凝土在溫度高于-10 ℃時表現(xiàn)為黏彈性，在溫度低于-10 ℃表現(xiàn)為脆性，因此，隨著溫度降低，瀝青混凝土在溫度高于-10 ℃，其彎曲破壞撓度減小幅度較大，在低于-10 ℃，其彎矩破壞撓度減小幅度較小。從整體上看，瀝青混凝土的彎曲破壞撓度與降低溫度呈指數(shù)衰減關(guān)系。

（3）根據(jù)瀝青混凝土彎曲勁度模量的計算公式可知，其值大小與破壞荷載和破壞應(yīng)變直接相關(guān)，因此，當溫度高于-10℃時，瀝青混凝土的彎曲勁度模量隨溫度降低，其增大幅度較大；而當?shù)陀?10℃，瀝青混凝土的彎曲勁度模量隨溫度降低，其增大幅度減小。對比瀝青混凝土的劈裂勁度模量和彎曲勁度模量可知，瀝青混凝土通過彎曲試驗得出的勁度模量值要大于劈裂試驗，兩者相差約0.3~1倍。

表 4 不同溫度下瀝青混凝土的彎曲試驗結(jié)果

圖 3 瀝青混凝土劈裂抗拉強度與軸心抗拉強度的關(guān)系

圖 4 瀝青混凝土抗彎拉強度與彎曲勁度模量隨溫度的變化曲線

3 結(jié)論

（1）隨著溫度的降低，瀝青混凝土的劈裂抗拉強度出現(xiàn)了先升高后減小，破壞應(yīng)變逐漸減小，且與溫度大致呈線性衰減關(guān)系，破壞勁度模量逐漸增大。

（2）瀝青混凝土的軸心抗拉強度隨溫度的減低先升高后減小，破壞應(yīng)變隨溫度減低逐漸減??；軸心抗拉強度與劈裂抗拉強度存在良好的正線性關(guān)系。

（3）瀝青混凝土的彎拉破壞強度在10~-10 ℃隨溫度的降低而增大，在-10~-30 ℃隨溫度的降低而減??；彎曲進度模量隨溫度的減小而增大，在10~-10 ℃增幅較快，在-10~-30 ℃增幅較慢。

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Study on Cryogenic Mechanical Properties of Asphalt Concrete

LU Yan-rui

451464,

The long time and low temperature in winter in north China seriously affect the laying and use of asphalt concrete. Based on this, asphalt concrete samples were prepared. The tensile strength and bending strength of samples were tested under the influence of different low temperatures. The influence law of low temperatures on the tensile strength and bending strength of asphalt concrete was analyzed. The results show that: With the decrease of temperature, the splitting tensile strength of asphalt concrete increases first and then decreases, the failure strain gradually decreases, and the failure stiffness modulus gradually increases. Flexural fracture strength of asphalt concrete in 10 ~ -10℃ increases with the decreasing of temperature, in -10 ~ 30 ℃ decreased with the decreasing of temperature.

Asphalt; concrete; cryogenic mechanics

TU528.01

A

1000-2324(2019)02-0277-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.023

2018-04-02

2018-05-25

魯艷蕊(1983-),女,碩士,講師,主要研究方向為建筑節(jié)能技術(shù)，建筑材料研究. E-mail:zsbq@163.com