基體瀝青混合料空隙率對(duì)復(fù)合混凝土黏彈特性的影響

王東升，陳振鴻，王亞彬，張 瑞

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引 言

隨著社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，道路建設(shè)技術(shù)也日新月異。縱觀現(xiàn)有的路面鋪筑類型，其主要?jiǎng)澐譃闉r青路面和水泥混凝土路面兩大類。然而這兩種路面類型由于本身建筑材料的特點(diǎn)，溫度的影響均會(huì)造成一定的路面破壞形態(tài)。如瀝青路面雖具有良好的行車舒適性，但由于瀝青混合料本身固有的黏彈力學(xué)特性，在高溫條件下易出現(xiàn)車轍病害。而水泥混凝土路面，雖然具有很高的強(qiáng)度和剛度，但由于變形能力不足而需要設(shè)置接縫，不但直接影響行車舒適性等使用品質(zhì)，而且在重載的振動(dòng)或沖擊作用下，基層或路基不均勻路段、收費(fèi)場(chǎng)站、服務(wù)區(qū)等部位的混凝土面層頻發(fā)斷板或角隅斷裂，進(jìn)而引發(fā)路面抗凍耐久性和穩(wěn)定性不足的嚴(yán)重破壞。因此，尋求一種黏彈性性質(zhì)適應(yīng)路面溫度變化范圍的路面材料意義重大。該材料在高溫條件下應(yīng)具有較好的彈性特征而使路面不致出現(xiàn)車轍，同時(shí)在低溫條件下又有一定的應(yīng)力松弛能力而使路面不致出現(xiàn)低溫縮裂現(xiàn)象，即克服剛性路面和柔性路面兩者的缺點(diǎn)。綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合混凝土材料即為滿足這一性能要求的新型路面材料。

復(fù)合混凝土是一種在大空隙基體瀝青混合料中灌入特種水泥漿料所形成的新型路面材料，通過水泥漿料對(duì)瀝青混合料大空隙的填充，可實(shí)現(xiàn)剛?cè)岵?jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。其材料強(qiáng)度則通過骨料之間的相互嵌擠和灌注的水泥漿料所提供[1-2]。

復(fù)合混凝土技術(shù)自20世紀(jì)50年代產(chǎn)生以來，各國(guó)相繼對(duì)其施工工藝、力學(xué)性能特點(diǎn)及其路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法等進(jìn)行了大量的研究，均證明該材料具有較好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及其他一些路用性能[3-6]，且滿足剛?cè)岵?jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，特別適用于道路交叉口、收費(fèi)站、公交站點(diǎn)及公路上坡路段等車輛重載或慢行位置。然而現(xiàn)有的研究成果僅在一定的級(jí)配條件下從獨(dú)立的高溫穩(wěn)定性[7]、低溫抗裂性[8]等路用性能的表征試驗(yàn)證明復(fù)合混凝土的路用性能均較好，如高溫車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)等。由復(fù)合混凝土的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)可知其性能更偏向于瀝青混合料。因此采用試驗(yàn)黏彈力學(xué)的方法系統(tǒng)深入研究其路面性能的變化更具有實(shí)際意義。

為了更加全面的認(rèn)識(shí)該種材料的優(yōu)良高低溫路用性能，筆者開展了基體混合料空隙率對(duì)復(fù)合混凝土黏彈性能影響的研究，分別選擇22%、25%、28%共3種空隙率研究其黏彈性能隨基體瀝青混合料空隙率的變化規(guī)律。選擇動(dòng)態(tài)模量、彎曲蠕變及靜載壓縮蠕變?cè)囼?yàn)。先由動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)得到各空隙率下的動(dòng)態(tài)模量主曲線，表征復(fù)合混凝土在一個(gè)寬溫度域的動(dòng)態(tài)黏彈性能，其后通過彎曲蠕變?cè)囼?yàn)、單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)分別具體表征低溫抗裂性能和高溫穩(wěn)定性能隨空隙率的變化，對(duì)主曲線得到的規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

1 基體瀝青混合料配合比及試件成型工藝

研究所使用石料為石灰?guī)r，基體結(jié)合料為SBS改性瀝青，灌漿料采用特殊高流動(dòng)度水泥。參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》開展瀝青針入度試驗(yàn)、延度試驗(yàn)和軟化點(diǎn)試驗(yàn)，參照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》測(cè)試集料密度和含水率。原材料性能測(cè)試結(jié)果如表1～表3，測(cè)試結(jié)果表明原材料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求?；w瀝青混合料在3種目標(biāo)空隙率下的配合比如表4。

表1 SBS改性瀝青3大技術(shù)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果Table 1 Testing results of three technical indicators of SBS modified asphalt

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indicators of coarse aggregate

表3 細(xì)集料、礦粉表觀密度Table 3 Apparent density of fine aggregate and mineral powder

表4 3種目標(biāo)空隙率下的基體混合料配合比Table 4 Matrix mix ratio under three target void ratios

參考日本復(fù)合混凝土規(guī)范《アスファルト鋪裝工事共通仕様書解說》中關(guān)于水泥漿料的規(guī)定，水泥漿料需滿足表5的技術(shù)要求。試驗(yàn)采用水灰比為0.34的水泥凈漿，其指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表5，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

表5 復(fù)合混凝土路面用水泥漿體性能要求及測(cè)試結(jié)果Table 5 Performance requirements and test results of cement paste for composite concrete pavement

動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)采用直徑為100 mm、高度為150 mm的圓柱體試件；彎曲蠕變?cè)囼?yàn)則采用尺寸為250 mm×30 mm×25 mm的棱柱體小梁；單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)試件則由直接成型的直徑為100 mm、高度為150 mm的圓柱體試件得到。在基體瀝青混合料成型完成后，采用灌注水泥漿料的方法成型最終復(fù)合混凝土試件，試件灌漿工藝如下：

1)灌漿前處理：用透明塑料袋將試件均勻包裹，塑料袋重疊適量，保證灌漿過程的觀察，然后用膠帶將塑料袋四周包裝密實(shí)。

2)拌制水泥凈漿。

3)灌漿：將拌好的凈漿倒在試件表面，開啟振動(dòng)臺(tái)，一邊振動(dòng)一邊用工具輕刮試件表面。振動(dòng)30 s后取下試件，靜置2 min，再次進(jìn)行振動(dòng)灌漿，保證水泥凈漿充滿基體瀝青混合料試件的空隙。

4)灌漿后處理：灌漿結(jié)束后，將試件置于室內(nèi)，待膠漿快凝固時(shí)用工具刮去試件表面多余的水泥漿。

復(fù)合混凝土的材料設(shè)計(jì)方法是保證基體瀝青混合料形成目標(biāo)空隙率下的連通孔，并被水泥漿料完全灌滿，故材料的理論剩余空隙為0%。根據(jù)實(shí)際成型試件的測(cè)量，其剩余空隙率均小于1%。

2 復(fù)合混凝土基本參數(shù)測(cè)定

測(cè)定成型的復(fù)合混凝土試件的基本參數(shù)，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。測(cè)定復(fù)合混凝土的空隙率、密度和劈裂強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)，如表6、表7。

表6 復(fù)合混凝土物理力學(xué)參數(shù)Table 6 Physical and mechanical parameters of composite concrete

表7 復(fù)合混凝土7 d單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 7 7-day uniaxial compression test results of composite concrete

3 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)用于研究黏彈性材料在動(dòng)荷載作用下的材料力學(xué)響應(yīng)。在實(shí)際的道路使用中，車輛荷載大多數(shù)為動(dòng)荷載形式，因此采用動(dòng)態(tài)模量方法研究復(fù)合混凝土的黏彈性力學(xué)響應(yīng)更加符合實(shí)際。同時(shí)通過動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)可得到材料在不同加載頻率、溫度下的動(dòng)態(tài)模量值和相位角，以此反映材料在不同條件下的黏彈力學(xué)性能特點(diǎn)，用于指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)。

對(duì)成型的22%、25%、28%共3種空隙率下的復(fù)合混凝土進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為-10、5、20、35、50 ℃，加載頻率分別為0.1、0.5、1、5、10、25 Hz。3種空隙率復(fù)合混凝土在不同溫度、加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量、相位角測(cè)定結(jié)果如圖1、圖2。

圖1 不同條件下復(fù)合混凝土動(dòng)態(tài)模量隨空隙率的變化Fig. 1 Dynamic modulus of composite concrete changing with different void ratios under different conditions

圖2 不同條件下復(fù)合混凝土相位角隨空隙率的變化Fig. 2 Phase angle of composite concrete changing with different void ratios under different conditions

根據(jù)不同條件下復(fù)合混凝土動(dòng)態(tài)模量值隨基體瀝青混合料空隙率的變化(圖1)可知：

1)在一般的溫度范圍內(nèi)，復(fù)合混凝土符合黏彈性材料的一般特性，即材料力學(xué)響應(yīng)具有顯著的時(shí)溫依賴性，故在評(píng)價(jià)復(fù)合混凝土的路用性能時(shí)采用偏向于瀝青混合料的黏彈性試驗(yàn)方法是正確的。

2)在低溫條件下，VV=25%的復(fù)合混凝土的動(dòng)態(tài)模量值最??；隨著溫度的升高，3種空隙率復(fù)合混凝土的動(dòng)態(tài)模量值逐漸接近；到高溫條件下，復(fù)合混凝土的動(dòng)態(tài)模量隨空隙率的增大而增大。根據(jù)動(dòng)態(tài)模量值的上述變化，可知25%空隙率復(fù)合混凝土的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性均較好。

由不同條件下復(fù)合混凝土相位角隨基體瀝青混合料空隙率的變化(圖2)可知：

1)當(dāng)溫度低于20 ℃時(shí)，相位角隨加載頻率的增大而減小；當(dāng)溫度為35 ℃時(shí)，相位角隨加載頻率的增大先增大后減小；當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)，相位角隨加載頻率的增大而增大。其相位角的變化規(guī)律與普通瀝青混合料的變化規(guī)律相同。

2)VV=25%的復(fù)合混凝土在低溫條件下具有較大的相位角，而在高溫條件下具有相對(duì)中等的相位角，表明其在低溫環(huán)境下具有較好的黏性特性同時(shí)在高溫環(huán)境下具有一定的剛度，故從相位角角度證明其低溫抗裂性及高溫穩(wěn)定性均較好。28%空隙率復(fù)合混凝土在各個(gè)溫度下均具有較小的相位角，因而其具有較好的高溫穩(wěn)定性能，其低溫抗裂性相對(duì)較差。22%空隙率復(fù)合混凝土由于瀝青含量最高，其在-10 ℃溫度下具有中等的相位角，而其他溫度下均具有較大的相位角，因而相對(duì)其他兩種空隙率復(fù)合混凝土，其高低溫性能最差。普通瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線可以用Sigmoidal數(shù)學(xué)模型[9]表示，如式 (1) ：

(1)

式中：a、b、c、d為模型參數(shù)；G*為材料的復(fù)數(shù)模量；f為修正模量，Hz；lgf=lgf0+lgαT，f0為對(duì)應(yīng)每種溫度下的試驗(yàn)頻率，Hz；αT為移位因子。

采用式(1)進(jìn)行復(fù)合混凝土動(dòng)態(tài)模量主曲線的合成。其中相應(yīng)各空隙率下的移位因子如圖3。

圖3 復(fù)合混凝土3種空隙率下的移位因子Fig. 3 Shift factor of composite concrete with three kinds of void ratios

通過移位因子求得復(fù)合混凝土3種空隙率下的主曲線、動(dòng)態(tài)模量主曲線如圖4、圖5。

圖4 不同空隙率復(fù)合混凝土主曲線Fig. 4 Main curve of composite concrete with different void ratios

圖5 3種空隙率復(fù)合混凝土的動(dòng)態(tài)模量主曲線Fig. 5 Dynamic modulus main curve of composite concrete with three kinds of void ratios

相應(yīng)3種空隙率下復(fù)合混凝土主曲線的模型參數(shù)如表8。

表8 復(fù)合混凝土主曲線模型參數(shù)Table 8 The main curve model parameters of composite concrete

由圖4～圖5可知，當(dāng)加載頻率大于10 000 Hz時(shí)，25%和28%空隙率復(fù)合混凝土動(dòng)態(tài)模量逐漸趨于定值，而22%空隙率復(fù)合混凝土動(dòng)態(tài)模量仍保持線性增長(zhǎng)趨勢(shì)?？梢姡?2%空隙率下的復(fù)合混凝土其黏彈性變化要顯著于25%、28%空隙率下的復(fù)合混凝土。

4 彎曲蠕變?cè)囼?yàn)

彎曲蠕變?cè)囼?yàn)用于測(cè)定復(fù)合混凝土試件在規(guī)定溫度和加載應(yīng)力水平條件下彎曲蠕變的應(yīng)變速率，通過蠕變速率這一黏彈性參數(shù)表征復(fù)合混凝土的低溫抗裂性能?，F(xiàn)有的關(guān)于復(fù)合混凝土低溫性能的研究成果各不相同，為了明確復(fù)合混凝土的低溫性能變化規(guī)律，根據(jù)我國(guó)路面的溫度范圍，選擇彎曲蠕變?cè)囼?yàn)溫度為0 ℃和10 ℃。

4.1 彎曲試驗(yàn)

由于復(fù)合混凝土組成成分包括呈彈性的水泥漿料，為了更深入的體現(xiàn)復(fù)合混凝土的性能，在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，選擇加載速率為2 mm/min而非規(guī)范規(guī)定的50 mm/min，原因在于在50 mm/min的加載速率下試件的破壞過于迅速并難以控制其數(shù)值的準(zhǔn)確性，最終通過試驗(yàn)測(cè)試選擇加載速率為2 mm/min。通過彎曲試驗(yàn)測(cè)得3種空隙率復(fù)合混凝土在0 ℃及10 ℃條件下的抗彎拉強(qiáng)度如表9。

表9 3種空隙率復(fù)合混凝土在0 ℃和10 ℃下的抗彎拉強(qiáng)度Table 9 Flexural tensile strength of composite concrete with three kinds of void ratios at 0 ℃ and 10 ℃

4.2 彎曲蠕變?cè)囼?yàn)

對(duì)成型的3種空隙率下的復(fù)合混凝土棱柱體試件按應(yīng)力比為0.1進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，蠕變時(shí)間為1 h，測(cè)定0 ℃和10 ℃條件下彎曲蠕變速率隨空隙率的變化。試驗(yàn)結(jié)果如圖6。

圖6 復(fù)合混凝土彎曲蠕變速率隨空隙率及溫度的變化Fig. 6 Variation of bending creep rate of composite concrete changing with void ratio and temperature

由圖6可知：

1)在0 ℃及10 ℃條件下，復(fù)合混凝土的彎曲蠕變速率隨著空隙率的增大而減小。當(dāng)空隙率從22%增加到28%時(shí)，在0 ℃時(shí)其蠕變速率下降45%，在10 ℃時(shí)其蠕變速率下降66%。結(jié)合相位角的測(cè)定結(jié)果(圖2)可知，在0～20 ℃的溫度范圍內(nèi)，復(fù)合混凝土的彈性特征隨著空隙率的增大而增大，而黏性特征隨空隙率的增大而減小，故其蠕變速率隨空隙率增大而減少。

2)隨著溫度的升高，各空隙率下復(fù)合混凝土的蠕變速率均增加。當(dāng)溫度升高10 ℃，空隙率22%時(shí)增長(zhǎng)約2倍，空隙率25%時(shí)增長(zhǎng)約1.4倍，空隙率28%時(shí)增長(zhǎng)約1.2倍。由此也可證明，隨著空隙率的增大，復(fù)合混凝土的彈性性能逐漸增強(qiáng)，黏性性能逐漸減弱。

5 高溫單軸壓縮靜載蠕變?cè)囼?yàn)

單軸壓縮靜載蠕變?cè)囼?yàn)用于測(cè)定復(fù)合混凝土在高溫條件下的壓縮蠕變性能，以此反映復(fù)合混凝土的高溫黏彈性能。

在進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)之前先測(cè)定試件的在設(shè)定溫度條件下的抗壓強(qiáng)度，再按應(yīng)力比為0.1進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)[10]。選擇試驗(yàn)溫度為50 ℃，3種空隙率復(fù)合混凝土在50 ℃下的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表10。

表10 復(fù)合混凝土50 ℃抗壓強(qiáng)度隨空隙率的變化Table 10 Compressive strength of composite concrete changing with different void ratios at 50 ℃

根據(jù)強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果按應(yīng)力比為0.1進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，蠕變時(shí)間設(shè)定為1 h。壓縮蠕變速率隨空隙率的變化情況如圖7。

圖7 復(fù)合混凝土高溫蠕變速率隨空隙率的變化tFig. 7 Creep rate of composite concrete at high temperature changing with different void ratios

由圖7可看出，在高溫條件下，復(fù)合混凝土的壓縮蠕變速率隨空隙率的增加大致呈線性減少趨勢(shì)?？梢姡瑥?fù)合混凝土的高溫穩(wěn)定性與基體混合料的空隙率變化呈負(fù)相關(guān)，同時(shí)驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)得到的結(jié)果。

6 結(jié) 論

1)驗(yàn)證了復(fù)合混凝土符合黏彈性材料的一般特點(diǎn)，可采用偏向于瀝青混合料的黏彈性方法研究其性能特點(diǎn)。

2)復(fù)合混凝土的黏彈性能與基體瀝青混合料的空隙率密切相關(guān)。在低溫條件下，空隙率為25%時(shí)的黏性最大，22%空隙率次之，28%空隙率最低；在高溫條件下，22%空隙率時(shí)的黏性最大，25%空隙率次之，28%最低；而在中溫條件下，22%空隙率的黏性最大，28%次之，25%最低。綜上，25%空隙率復(fù)合混凝土具有較好的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。

3)在0、10 ℃時(shí)，復(fù)合混凝土的彎曲蠕變速率均隨空隙率的增大而減小，溫度越高，其減小速度越快。從黏彈性能方面表征了復(fù)合混凝土低溫抗裂性能的變化規(guī)律。

4)在50 ℃時(shí)，復(fù)合混凝土的單軸壓縮蠕變速率隨空隙率的增加呈線性減小趨勢(shì)。從黏彈性能方面表征了復(fù)合混凝土高溫穩(wěn)定性能的變化規(guī)律。

5)筆者僅從基體瀝青混合料的影響方面研究復(fù)合混凝土的黏彈性能特點(diǎn)。后續(xù)研究可更深入研究其他材料組分、結(jié)構(gòu)組成等對(duì)其黏彈性能的影響。