瀝青混凝土孔隙率與劈裂特性影響因素研究

白巨龍，張國輝，楊振東，曾 毅，趙勝利

(1.中信建設(shè)有限責(zé)任公司，北京 100027； 2.昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

1 研究背景

瀝青混凝土是由骨料、瀝青及摻合料等組成的新的人工合成材料，因其擁有較好的抗?jié)B性和適應(yīng)變形特性等性能，同時(shí)還因其具有結(jié)構(gòu)簡單、施工便利、經(jīng)濟(jì)優(yōu)越等特點(diǎn)，近幾十年來，在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[1]。孔隙率作為影響瀝青混凝土防滲性的重要指標(biāo)，已有學(xué)者[2-5]從擊實(shí)次數(shù)、溫度、攤鋪機(jī)激振頻率和導(dǎo)向工藝等對(duì)孔隙率的影響進(jìn)行了研究。前期，實(shí)際工程中常用穩(wěn)定度與流值作為瀝青混凝土配合比選擇的力學(xué)指標(biāo)，故大批學(xué)者對(duì)瀝青混凝土穩(wěn)定度和流值進(jìn)行了研究。楊耀輝等[6]研究發(fā)現(xiàn)填料濃度對(duì)心墻瀝青混凝土的性能影響較大，在級(jí)配相同時(shí)，隨著填料濃度的增加，馬歇爾穩(wěn)定度增大，流值減?。粡垈サ萚7]研究表明在填料摻量與骨料級(jí)配不變的情況下,瀝青混凝土的穩(wěn)定度隨瀝青含量的增大而減小,流值隨瀝青含量的增大而增大，而劈裂強(qiáng)度比馬歇爾穩(wěn)定度和流值更合理[8]。劈裂特性作為瀝青混凝土配合比選擇的重要力學(xué)指標(biāo)，同時(shí)也是深入研究心墻瀝青混凝土力學(xué)特性和變形性能的基礎(chǔ)，還能在一定程度上反映瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度特性。因此，結(jié)合學(xué)術(shù)研究與實(shí)際工程，對(duì)瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度(間接拉伸強(qiáng)度)、劈裂位移等的研究得到了進(jìn)一步發(fā)展。吳金榮等[9]對(duì)透水瀝青混凝土進(jìn)行了SHPB沖擊劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)透水瀝青混凝土的沖擊劈裂強(qiáng)度隨著沖擊氣壓的增大而提高；王學(xué)軍等[10]通過對(duì)AC-13半圓在凍融循環(huán)作用下進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)AC-13的劈裂強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低。水工瀝青混凝土對(duì)溫度十分敏感，其劈裂特性也受溫度影響較大。魯艷蕊[11]研究表明隨著溫度的降低，瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度出現(xiàn)了先升高后減小的變化規(guī)律；張苛等[12]通過不同鹽溶液的持續(xù)浸泡、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)等方式模擬瀝青混凝土的環(huán)境腐蝕，然后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著作用次數(shù)的增加，其強(qiáng)度逐漸減小；郭海鵬等[13]研究了WG-I溫拌劑不同摻量對(duì)瀝青混凝土性能、劈裂試驗(yàn)的影響，研究表明隨著溫拌摻量的增加，間接拉伸強(qiáng)度先減小后趨于平穩(wěn)。劉曼曼等[14]研究表明隨著玄武巖粗集料針片狀顆粒含量的增加，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度減小。張揚(yáng)[15]基于瀝青混凝土劈裂特性的正交試驗(yàn)，采用極差與方差分析法探究級(jí)配指數(shù)、填料用量及瀝青含量對(duì)劈裂強(qiáng)度及劈裂位移影響程度，并得到配合比參數(shù)最優(yōu)組合。而針對(duì)碾壓式心墻瀝青混凝土孔隙率和劈裂特性影響規(guī)律研究較少。

因此，本研究將針對(duì)碾壓式心墻瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)過程中，在擊實(shí)次數(shù)相同情況下，基于控制變量法，即通過固定瀝青含量、填料含量、級(jí)配指數(shù)三者中的任意兩個(gè)因素，調(diào)節(jié)另一個(gè)因素的方法來進(jìn)行試驗(yàn)，通過制備標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，測定其密度，通過密度計(jì)算其孔隙率，然后經(jīng)水浴養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)?；谠囼?yàn)結(jié)果，系統(tǒng)分析上述相關(guān)因素對(duì)瀝青混凝土孔隙率和劈裂特性的影響規(guī)律，從而為實(shí)際施工過程中對(duì)瀝青混凝土配合比的選擇及對(duì)其防滲性、強(qiáng)度和變形性的把控提供參考。

2 方法和材料

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)控制因素為級(jí)配指數(shù)、填料含量、瀝青含量，根據(jù)規(guī)范《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》[16](SL 501—2010)，碾壓式心墻瀝青混凝土級(jí)配指數(shù)選取范圍為0.35～0.44，填料含量選取范圍為10%～14%，瀝青含量選取范圍為6.0%～7.5%。基于規(guī)范推薦的級(jí)配指數(shù)、填料含量、瀝青含量范圍，各設(shè)置4種不同級(jí)配指數(shù)、填料含量、瀝青含量的試驗(yàn)組，每組制備3個(gè)試件，總計(jì)36塊試件，其設(shè)置如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

選取年平均氣溫11.3℃作為試驗(yàn)溫度，試件尺寸為標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，尺寸為63.5 mm±1.3 mm，當(dāng)超過該尺寸或試件上下面不平行或有裂紋缺角等缺陷時(shí)，則舍棄，重新制備。按照預(yù)設(shè)配合比制備瀝青混合料，將攪拌好的瀝青混合料倒入預(yù)熱好的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試模，試件鋼模直徑為 101.6 mm±0.2 mm、高為76.2 mm，試件制備采用擊實(shí)成型法，利用馬歇爾擊實(shí)儀，兩面各擊35次，在室溫中放置24 h后脫模進(jìn)行密度測試，后經(jīng)水浴養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，劈裂時(shí)采用50 mm/min速率加載，并在荷載-變形曲線中取峰值時(shí)的最大荷載及最大變形[17]，其最大變形即為本文中的劈裂位移。

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用石灰?guī)r料和人工砂細(xì)骨料，經(jīng)篩分為 19.00 mm～16.00 mm、16.00 mm～13.20 mm、13.20 mm～9.50 mm、9.50 mm～4.75 mm、4.75 mm～2.36 mm和<2.36 mm粒徑6級(jí)礦料以及礦粉。瀝青采用克拉瑪依(A級(jí))瀝青，其針入度PI(25℃，0.1 mm)為74、延度(10℃，5 cm/min)大于100 cm、軟化點(diǎn)為49.0℃；粗骨料為堿性的石灰?guī)r骨料，其密度為2.771 g/cm3、吸水率為0.77%、與瀝青黏附力為5級(jí)、堅(jiān)固性為0.95%、壓碎值為9.46%；細(xì)骨料質(zhì)地新鮮、堅(jiān)硬，經(jīng)加熱后其性質(zhì)無變化，其密度為2.709 g/cm3、水穩(wěn)定等級(jí)為9級(jí)、碳酸鈉5次循環(huán)重量損失為1.18%、吸水率為0.99%；填料為經(jīng)研磨機(jī)研磨得到的石灰?guī)r粉末，其表觀密度2.729 g/cm3、吸水率0.1%，親水系數(shù)為0.76、細(xì)度要求0.6 mm篩孔總通過率為100%，0.15 mm 篩孔總通過率為99.9%，0.075 mm篩孔總通過率為98.1%。且經(jīng)鑒定，上述試驗(yàn)所用材料均符合規(guī)范[16]要求。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

測定瀝青混凝土的孔隙率則需要測定瀝青混凝土的密度，通過瀝青混凝土的實(shí)際密度與最大理論密度進(jìn)而計(jì)算出瀝青混凝土的孔隙率。本試驗(yàn)測定實(shí)際密度的方法采取排水置換法，即通過分別測量試件在空氣中與水中的質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算出試件的密度，而最大理論密度則依據(jù)規(guī)范[17]測定。其密度計(jì)算公式如(1)所示，精確至0.01 g/cm3，孔隙率計(jì)算公式如(2)所示：

(1)

式中：ρ為試件的密度，g/cm3；m為試件的質(zhì)量，g；m1為試件在蒸餾水中的質(zhì)量，g；ρw為水的密度，g/cm3。

(2)

式中：P為瀝青混凝土孔隙率，%；ρa(bǔ)為瀝青混凝土試件在實(shí)驗(yàn)室測量的實(shí)際密度，g/cm3；ρ為瀝青混凝土試件理論最大密度，g/cm3。

劈裂試驗(yàn)(也稱間接拉伸試驗(yàn))主要測定瀝青混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和劈裂位移，其劈裂強(qiáng)度計(jì)算公式如(3)所示：

(3)

式中：RT為劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；PT為試驗(yàn)最大荷載，N；h為試件高度，mm。

為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，取一組3個(gè)試件的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)3個(gè)試件測值中最大值或最小值之一與中間值之差超過中間值的15%時(shí)，取中間值；當(dāng)3個(gè)試件測值中最大值和最小值與中間值之差都超過中間值的15%時(shí)，則舍棄，重新進(jìn)行試驗(yàn)[17]。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同配合比下的孔隙率、劈裂強(qiáng)度、劈裂位移試驗(yàn)結(jié)果表

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 級(jí)配指數(shù)對(duì)瀝青混凝土孔隙率及劈裂特性影響

控制填料含量為12%，瀝青含量為6.5%，測量級(jí)配指數(shù)為0.38、0.40、0.42、0.44下的瀝青混凝土孔隙率、劈裂強(qiáng)度、劈裂位移，如圖1所示。

從圖1中可以看出，隨著級(jí)配指數(shù)的增加，孔隙率和劈裂位移逐漸減小，劈裂強(qiáng)度則逐漸增高。且在填料含量為12%和瀝青含量6.5%的情況下，級(jí)配指數(shù)從0.38增加到0.44的過程中，級(jí)配指數(shù)增加15.79%，孔隙率與劈裂位移分別下降了29.33%和39.13%，劈裂強(qiáng)度則增高了23.98%。由于壓實(shí)成型的瀝青混凝土是由礦質(zhì)骨架和瀝青結(jié)合料所構(gòu)成的、具有空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一種多相分散體系，其力學(xué)強(qiáng)度主要是以瀝青與礦料之間的黏聚力為主，礦料顆粒間的嵌擠力、內(nèi)摩阻力為輔[1]。因此，級(jí)配指數(shù)增大,級(jí)配曲線下移,礦料中細(xì)粒數(shù)量相對(duì)減少[18]，礦料骨架強(qiáng)度增加，此時(shí)骨料間具有較大嵌擠力與內(nèi)摩阻力，使得其劈裂強(qiáng)度增高；且級(jí)配指數(shù)的增加，礦料連續(xù)性相對(duì)降低，空隙有所增加，使得由填料與瀝青組成的瀝青膠漿更加容易進(jìn)入到礦料空隙中，從而使得壓實(shí)成型的瀝青混合料的密度增加，孔隙率減小；而級(jí)配指數(shù)的增加，也使得瀝青混凝土中的自由瀝青減少，其變形性能降低，進(jìn)而劈裂位移減小。

圖1 級(jí)配指數(shù)與孔隙率、劈裂特性的關(guān)系曲線圖

3.2.2 填料含量對(duì)瀝青混凝土孔隙率及劈裂特性影響

控制級(jí)配指數(shù)為0.40、瀝青含量為6.5%，測量填料含量為11%、12%、13%、14%下的孔隙率、劈裂強(qiáng)度、劈裂位移，如圖2所示。

圖2 填料含量與孔隙率、劈裂特性的關(guān)系曲線圖

從圖2中可以看出，隨著填料含量的增加，孔隙率與劈裂位移均先減小后增加，劈裂強(qiáng)度則逐漸降低。在級(jí)配指數(shù)為0.40，瀝青含量為6.5%的情況下，當(dāng)填料含量為12%，孔隙率與劈裂位移最小，且在填料含量從11%增加到12%時(shí)，孔隙率和劈裂位移分別下降了7.55%和10.22%；在填料含量從12%增加到14%時(shí)，孔隙率和劈裂位移分別增加了22.37%和29.84%；而填料含量從11%增加到14%時(shí)，劈裂強(qiáng)度降低了11.59%。填料的主要作用是吸收瀝青膠，起到黏結(jié)骨料和填充顆粒間空隙的作用[19]。在瀝青用量一定時(shí)，當(dāng)填料含量由11%增加到12%時(shí)，填料含量的增加，使得顆粒間的空隙填充得更充分，孔隙率降低，而其主要存在著結(jié)構(gòu)瀝青，自由瀝青較少，故劈裂位移有所降低；當(dāng)填料含量從12%增加到14%時(shí)，填料用量增多，使得瀝青混合料出現(xiàn)干澀，影響瀝青與礦料的裹覆和黏附，進(jìn)而影響了瀝青混凝土的性能[1]，此時(shí)，瀝青與礦料黏附性降低，從而使得瀝青混合料的孔隙率升高，而劈裂強(qiáng)度降低。

3.2.3 瀝青含量對(duì)瀝青混凝土孔隙率及劈裂特性影響

控制級(jí)配指數(shù)為0.40、填料含量為12%，測量瀝青含量為6.0%、6.5%、6.8%、7.2%下的孔隙率、劈裂強(qiáng)度、劈裂位移，如圖3所示。

圖3 瀝青含量與孔隙率、劈裂特性的關(guān)系曲線圖

從圖3中可以看出，隨著瀝青含量的增加，孔隙率和劈裂位移均先增加后減小，劈裂強(qiáng)度則逐漸降低。在級(jí)配指數(shù)為0.40和填料含量為12%的情況下，瀝青含量為6.8%時(shí)的孔隙率與劈裂位移最大，當(dāng)瀝青含量從6.0%增加到6.8%時(shí)，孔隙率與劈裂位移分別增加了29.18%和12.51%；而當(dāng)瀝青含量從6.8%繼續(xù)增加到7.2%時(shí)，孔隙率與劈裂位移分別減小了9.10%和20.10%。而瀝青含量從6.0%增加到7.2%時(shí)，劈裂強(qiáng)度降低了22.32%。瀝青混凝土中的瀝青包括結(jié)構(gòu)瀝青與自由瀝青[20]，結(jié)構(gòu)瀝青的作用主要是與礦料黏結(jié)，是構(gòu)成瀝青混凝土的主要組成部分，而自由瀝青在瀝青混凝土形成過程中具有一定的流動(dòng)性，不但會(huì)影響瀝青混凝土的黏附力，也能夠更好的填補(bǔ)瀝青混凝土中的孔隙。當(dāng)級(jí)配指數(shù)和填料含量一定的情況下，瀝青混凝土存在著最佳瀝青含量，圖中可以看出瀝青含量為6.0%時(shí)，瀝青混凝土具有最小的孔隙率及較大的劈裂強(qiáng)度和位移。隨著瀝青含量的增多，使得瀝青混凝土中自由瀝青增多，骨料顆粒表面的瀝青膜增厚、黏聚力減低，從而使其劈裂強(qiáng)度有所降低，可塑變形性增強(qiáng)。但當(dāng)瀝青含量過高，瀝青混凝土的整體性能均會(huì)有所降低。

3.2.4 級(jí)配指數(shù)、填料含量和瀝青含量對(duì)瀝青混凝土孔隙率及劈裂特性優(yōu)勢分析

基于灰色理論優(yōu)勢分析能較好的對(duì)“小樣本”相關(guān)因素做出優(yōu)勢分析，對(duì)不同系統(tǒng)特征做出優(yōu)劣性分析評(píng)價(jià)。其具體計(jì)算過程如下：

(1) 確定相關(guān)因素序列和系統(tǒng)特征行序列：

(2) 求解灰色關(guān)聯(lián)矩陣(絕對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣、相對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣、綜合關(guān)聯(lián)矩陣)：

絕對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣:

yi(p)-y1(1)

xj(p)-x1(1)

相對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣:

綜合關(guān)聯(lián)矩陣:

其中:i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,s;p=1,2,3,…,n。取θ=0.5，則ρij=(θεij+(1-θ)γij)。

(3) 結(jié)果分析

本研究中將級(jí)配指數(shù)X1、填料含量X2和瀝青含量X3作為瀝青混凝土劈裂特性的相關(guān)因素，將孔隙率Y1、劈裂強(qiáng)度Y2和劈裂位移Y3作為系統(tǒng)特征，進(jìn)行優(yōu)勢分析，則：

① 相關(guān)因素序列和系統(tǒng)特征行序列為：

X1=(0.38，0.40，0.42，0.44，0.40，0.40，0.40，

0.40，0.40，0.40，0.40，0.40)

X2=(12，12，12，12，11，12，13，14，12，12，12，12)

X3=(6.5，6.5，6.5，6.5，6.5，6.5，6.5，6.5，6.0，

6.5，6.8，7.2)

Y1=(1.858，1.739，1.475，1.441，1.881，1.739，

2.064，2.128，1.466，1.739，2.070，1.882)

Y2=(1.789，1.843，2.081，2.213，1.907，1.843，

1.798，1.686，2.146，1.843，1.710，1.667)

Y3=(3.069，2.979，2.128，1.868，3.318，2.979，

3.624，3.981，2.909，2.979，3.273，2.615)

②③ 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)矩陣為:

絕對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣ε:

相對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣γ:

綜合關(guān)聯(lián)矩陣ρ:

4 結(jié) 論

(1) 級(jí)配指數(shù)、填料含量和瀝青含量三者對(duì)瀝青混凝土防滲性與劈裂特性影響顯著。在填料含量與瀝青含量一定的情況下，隨著級(jí)配指數(shù)的增加，孔隙率和劈裂位移逐漸減小，劈裂強(qiáng)度則逐漸增高，其中，孔隙率與劈裂位移分別減小了29.33%、39.13%，而劈裂強(qiáng)度則增高了23.98%；在級(jí)配指數(shù)與瀝青含量一定的情況下，隨著填料含量的增加，孔隙率與劈裂位移均先減小后增加，在填料含量為12%時(shí)取得最低，劈裂強(qiáng)度則逐漸降低；在級(jí)配指數(shù)與填料含量一定的情況下，隨著瀝青含量的增加，孔隙率和劈裂位移均先增加后減小，在瀝青含量為6.8%時(shí)取得最大，劈裂強(qiáng)度則逐漸降低。

(2) 基于灰色系統(tǒng)中的優(yōu)勢分析，級(jí)配指數(shù)、填料含量、瀝青含量對(duì)瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度影響最大，孔隙率次之，最后是劈裂位移。對(duì)瀝青混凝土劈裂特性影響最大為填料含量，其次是瀝青含量，最后是級(jí)配指數(shù)。填料含量對(duì)孔隙率的影響最大。在實(shí)際工程施工中，基于以上研究結(jié)論，可結(jié)合瀝青混凝土防滲性及劈裂特性需求，對(duì)級(jí)配指數(shù)、填料含量及瀝青含量進(jìn)行選取優(yōu)化配置。