高溫域?yàn)r青混合料單軸壓縮試驗(yàn)及破壞模式研究

張洪剛 黃慧 陳杰

摘要：瀝青混合料是一種溫度敏感性較強(qiáng)的粘彈塑性材料，其強(qiáng)度與溫度密切相關(guān)。文章采用單軸壓縮試驗(yàn)研究了不同類型瀝青混合料在35 ℃、50 ℃高溫域下的抗壓強(qiáng)度及破壞模式，分析了溫度、級配組成、瀝青膠結(jié)料類型等因素對瀝青混合料的抗高溫強(qiáng)度及抗變形能力。試驗(yàn)結(jié)果表明：高溫域下，抗壓強(qiáng)度能較好反映瀝青混合料的抗荷載變形特性，與車轍試驗(yàn)具有一致性;采用骨架嵌擠且密實(shí)型的級配能獲得更高的抗高溫強(qiáng)度;采用橡膠改性瀝青的混合料的高溫強(qiáng)度及抗變形能力得到大幅提升。文章可為分析夏季炎熱區(qū)瀝青路面破壞模式及指導(dǎo)路面設(shè)計(jì)提供重要參考，對深入研究高溫域下瀝青混合料的其他力學(xué)強(qiáng)度具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料;高溫域;單軸壓縮;抗壓強(qiáng)度;破壞模式

0 引言

瀝青混合料是一種粘彈塑性材料，其物理力學(xué)性能與溫度和荷載作用時間密切相關(guān)[1-2]。瀝青路面使用狀況已表明，瀝青路面車轍主要發(fā)生在夏季高溫季節(jié)，即氣溫>30 ℃、路表溫度>50 ℃條件下極易發(fā)生。據(jù)實(shí)測，在南方夏炎熱區(qū)瀝青路面路表溫度可達(dá)60 ℃以上。對于瀝青混合料來講，研究其強(qiáng)度、穩(wěn)定性、破壞模式等，都必須充分考慮瀝青混合料的破壞環(huán)境，在不同的溫度域，瀝青混合料的強(qiáng)度和破壞模式會有很大的不同。然而，在現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)及瀝青強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，為便于全國范圍的使用標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，同時主要考慮常溫溫度域的瀝青路面的疲勞破壞，一般在瀝青路面力學(xué)分析中，采用的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)對應(yīng)的溫度為15 ℃或25 ℃，而對高溫域?yàn)r青混合料力學(xué)強(qiáng)度研究較少。因此，為掌握高溫域下瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度特性，本文以單軸壓縮試驗(yàn)為研究對象[3]，分析了瀝青混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及影響因素，可為后續(xù)深入研究高溫域下瀝青混合料的其他力學(xué)強(qiáng)度提供重要參考。

1 原材料

本文試驗(yàn)使用廣西地區(qū)常用石材，粗、細(xì)集料采用石灰?guī)r，填料采用礦粉，瀝青分別采用70#-A級道路石油瀝青、橡膠改性瀝青。瀝青及石灰?guī)r集料的原材料檢測指標(biāo)如下頁表1、表2所示。

2 級配設(shè)計(jì)及性能檢驗(yàn)

本文以路表瀝青混合料為研究對象，采用了三組不同的AC13型級配組成設(shè)計(jì)，其中級配③為橡膠改性瀝青混合料級配。主要區(qū)別在于級配①比級配②粗集料含量少約7%，級配①為懸浮密實(shí)型（典型AC類級配），級配②為骨架半密實(shí)型（粗型AC類級配，空隙率偏大），級配③為類間斷級配（橡膠瀝青適用級配）。具體如表3所示。

同時，為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩種混合料高溫穩(wěn)定性，進(jìn)行了60 ℃車轍試驗(yàn)。車轍試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明：（1）使用相同普通瀝青的兩種混合料均具有良好的抗車轍性能，尤其是懸浮密實(shí)型級配①比懸浮半密實(shí)型級配②抗車轍性能更優(yōu)，表明在材料及骨架組成相差不大的情況下，保證壓實(shí)度是提高瀝青混合料的重要措施;（2）采用橡膠改性瀝青的混合料性能明顯優(yōu)于使用普通瀝青的混合料，采用橡膠改性瀝青后，瀝青混合料的高溫抗車轍性能提高約2.5～3倍，這表明采用改性瀝青是抵抗高溫變形的主要措施[4-5]。

3 單軸壓縮試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度在一定程度上可以反映瀝青混合料的抗力特性，尤其是在高溫狀態(tài)下的瀝青混合料的抗力特性[6-7]，本文采用單軸壓縮試驗(yàn)研究了瀝青混合料的35 ℃和50 ℃下的靜壓強(qiáng)度。

抗壓強(qiáng)度試件采用靜壓成型，尺寸為100 mm×100 mm的圓柱體試件。為充分模擬南方濕熱環(huán)境影響，本文試驗(yàn)采用水浴方式對試件進(jìn)行恒溫養(yǎng)護(hù)5 h。單軸壓縮采用MTS-810試驗(yàn)系統(tǒng)加載，試驗(yàn)溫度分別為35 ℃、50 ℃，加載速率為1 mm/min。試驗(yàn)及數(shù)據(jù)結(jié)果如圖1、表5、表6所示。

由表5、表6可知：

（1）相同溫度、相同瀝青類型條件下，瀝青混合料的級配組成對抗壓強(qiáng)度具有一定影響，骨架密實(shí)型級配①的抗壓強(qiáng)度比骨架半密實(shí)型級配②高，且相差幅度隨溫度的升高而變大。35 ℃下，級配①的抗壓強(qiáng)度比級配②高約13%;50 ℃下，級配①的抗壓強(qiáng)度比級配②高約35%。

（2）溫度對瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度影響非常大，尤其是高溫影響。溫度由35 ℃升高至50 ℃時，同一類型瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度衰減幅度達(dá)50%。

（3）瀝青膠結(jié)料對混合料抗壓強(qiáng)度影響顯著，在相同溫度下，采用橡膠改性瀝青的混合料抗壓強(qiáng)度和可承受的最大破壞（位移）均最大，約是普通瀝青的1.5～2倍，與抗車轍試驗(yàn)具有良好的一致性。

（4）由荷載-位移圖中不同瀝青混合料在直線穩(wěn)定狀態(tài)下的荷載與位移斜率關(guān)系可知，相同溫度下，使用普通瀝青的級配①和級配②的荷載-位移圖斜率均明顯大于使用橡膠改性瀝青的級配③，普通瀝青混合料對變形更為敏感，表現(xiàn)為混合料較脆弱，而橡膠改性瀝青混合料則更為柔韌。

4 破壞模式

單軸壓縮試驗(yàn)加載過程中，由于圍壓為0（無側(cè)限）的瀝青混合料首先發(fā)生集料的遷移與壓密，隨著壓密完成繼續(xù)加載，混合料向外擠脹從而發(fā)生開裂破壞，如圖2所示。

通過觀測經(jīng)單軸壓縮后瀝青混合料的破壞狀態(tài)可知：（1）破壞總體過程中，隨著加載的進(jìn)行，試件首先在中部開裂，然后向上下兩端延伸擴(kuò)展，試件的實(shí)際破壞狀態(tài)與理論分析破壞狀態(tài)一致;（2）不同類型瀝青混合料試件的破壞形態(tài)明顯不同，其中級配①和級配②混合料試件均出現(xiàn)明顯的裂紋，而橡膠改性瀝青級配③混合料未見清晰的裂縫，說明橡膠改性瀝青混合料的抗裂韌性較好。

5 結(jié)語

本文通過對不同類型瀝青混合料進(jìn)行35 ℃和50 ℃高溫域的單軸壓縮試驗(yàn)，獲得了高溫域下幾種不同瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度及典型破壞模式，主要結(jié)論如下：

（1）抗壓強(qiáng)度能較好地反映瀝青混合料在高溫域下的抵抗荷載和變形的能力，抗壓強(qiáng)度與車轍試驗(yàn)具有一致性。

（2）級配組成對瀝青混合料的強(qiáng)度及抗變形能力影響較大，骨架型且較密實(shí)的瀝青混合料的強(qiáng)度及抗變形能力較大。

（3）采用橡膠瀝青等改性瀝青膠結(jié)料能明顯提高瀝青混合料的高溫強(qiáng)度及抗變形能力，建議在夏炎熱區(qū)采用橡膠瀝青等改性瀝青。

參考文獻(xiàn)：

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