探究溫濕度環(huán)境差異下瀝青混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

關(guān)鍵詞：溫濕度環(huán)境差異；瀝青混凝土；動(dòng)態(tài)力學(xué)性能；影響研究

中圖分類號(hào)：TQ177.6+3；TU528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0080-04

瀝青混凝土在建筑工程中有著廣泛的應(yīng)用，其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能受到多種因素的影響。溫濕度環(huán)境的差異是影響瀝青混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的重要因素之一，如強(qiáng)度和疲勞壽命，都會(huì)發(fā)生變化，從而影響建筑物的安全性和耐久性[1]。通過研究溫濕度環(huán)境差異對(duì)瀝青混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，可以深入了解瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律與達(dá)到破壞臨界點(diǎn)的內(nèi)在機(jī)理，提高其在建筑工程建設(shè)中的應(yīng)用安全性。另外，本研究可以為建筑材料研究人員和工程師預(yù)測(cè)與優(yōu)化瀝青混凝土在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用性能提供更準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。

1試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)原料及設(shè)備

試驗(yàn)中使用的原材料主要包括瀝青、骨料和礦粉。其中，骨料成分由粗骨料和細(xì)骨料構(gòu)成，填料通常為水泥、石灰等。瀝青選擇中等聚合物瀝青混合料（C-20）；粗骨料取自城市廢棄建筑物的再生骨料；細(xì)骨料選擇天然骨料，主要由破碎石灰石和鉀長(zhǎng)石構(gòu)成。經(jīng)過驗(yàn)前測(cè)試，得到骨料的主要參數(shù)，具體如表1所示。

試驗(yàn)中用到的其他外加劑還包括聚梭酸高性能減水劑（KDSP-1）、石蠟乳液型養(yǎng)護(hù)劑以及低堿液體速凝劑[2]。

根據(jù)類似工程配合比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合對(duì)骨料摻量的計(jì)算，選取油石比為2.3%、礦粉含量為10.56%、最大骨料19mm的瀝青混凝土配合比。其中，骨料摻量為6.5%，配合比級(jí)數(shù)為0.15，減水劑摻量1.0%，養(yǎng)護(hù)劑用量3.5%，速凝劑摻量4.2%。則得到的瀝青混凝土材料配合比如表2所示。

本試驗(yàn)選用的儀器設(shè)備包括高速攪拌機(jī)、萬能壓力試驗(yàn)機(jī)、恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱、試件試模、高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱以及大型水箱。

1.2試件制備

（1）將原材料按照配合比進(jìn)行處理，其中，骨料和填料的比例以及水和添加劑的用量根據(jù)表2確定；

（2）根據(jù)配合比，將原料進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，并在每份試樣中添?∶2比例的水與外加劑，使用高速攪拌機(jī)進(jìn)行混合攪拌。設(shè)置攪拌時(shí)間為30min，以確?；旌衔锏木鶆蛐院头€(wěn)定性。混合物攪拌完成后，將其靜置放置，以便隨后壓實(shí)和成型；

（3）放置一段時(shí)間后，將混合物放置在混凝土試模中，并使用滾筒壓制。在壓制過程中，控制壓力為1500kN，壓制時(shí)間為1.5h，當(dāng)試樣的致密性和穩(wěn)定性達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí)，將試件從試驗(yàn)?zāi)＞咧腥〕?，并進(jìn)行修整和清潔[3]；

（4）將得到的試樣放置于恒溫養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24h，在該過程中，首先將溫度調(diào)高至95℃，持續(xù)升溫時(shí)間為5min，隨后將溫度降至26℃，持續(xù)降溫時(shí)間為1h，控制相對(duì)濕度為70%，以確保試樣的正常硬化；

（5）養(yǎng)護(hù)完成后，取出試樣，并對(duì)其進(jìn)行修整，以獲取標(biāo)準(zhǔn)瀝青混凝土試樣100mm×100mm的圓柱體，用于后續(xù)力學(xué)性能測(cè)試[4]。

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用控制變量的方式研究不同溫濕度變化對(duì)瀝青混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響[5]，即首先選定一個(gè)溫度，研究在該溫度下不同濕度條件對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響情況；其次選定一個(gè)濕度，研究在該濕度下不同溫度變化對(duì)混凝土試件的力學(xué)性能的影響；最后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析溫濕度環(huán)境差異與瀝青混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的具體關(guān)系。

本實(shí)驗(yàn)采用高低溫交替濕熱試驗(yàn)箱和水箱浸泡法改變?cè)嚰臏貪穸拳h(huán)境，以達(dá)到設(shè)計(jì)的溫濕度環(huán)境條件[6]。測(cè)試過程的具體步驟如下。

試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)25d后，將一組試樣浸入水中，模擬100%濕度的環(huán)境；將剩余的試樣依次放置在高低溫交替濕熱試驗(yàn)箱中，設(shè)定溫度和濕度以模擬剩余各組試樣所需的溫度和濕度環(huán)境條件。每組標(biāo)本在不同的溫、濕度條件下靜置20d后，將其從設(shè)定的溫、濕度環(huán)境中取出并放置在室內(nèi)2d，然后對(duì)其試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能變化的測(cè)試。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1溫濕度環(huán)境差異對(duì)瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

為了研究不同的溫濕度條件對(duì)瀝青混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)于試件的抗壓強(qiáng)度，均采用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定。整個(gè)試驗(yàn)過程嚴(yán)格遵從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。將3個(gè)試件作為一組進(jìn)行測(cè)試，并取3個(gè)測(cè)試結(jié)果的平均值作為試樣的試驗(yàn)結(jié)果。另外，當(dāng)單個(gè)試樣測(cè)試值和平均值的差值超過±10%時(shí)，剔除該測(cè)試值，取剩余2個(gè)試樣測(cè)試值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果[7]。

首先研究不同環(huán)境溫度對(duì)瀝青混凝土試樣力學(xué)性能的影響?？刂骗h(huán)境濕度不變，將提前制備的試樣表面擦拭干凈后并使上下承壓面保持平整且無明顯缺陷[8]，隨后置于試驗(yàn)機(jī)上，并將其放入高低溫試驗(yàn)箱，此時(shí)調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)參數(shù)大小，將初始加載速度設(shè)置為0.6MPa/s，并使得試驗(yàn)機(jī)保持0.2MPa/s的速度連續(xù)加載，直至試件破壞。按照試樣編號(hào)記錄每個(gè)試件破壞時(shí)受到的極限荷載以及當(dāng)前的破壞形態(tài)，進(jìn)而分析溫度環(huán)境差異對(duì)瀝青混凝土試件抗壓強(qiáng)度的影響。

在以上試驗(yàn)基礎(chǔ)上，控制溫度不變，將試樣置于水箱中浸泡，設(shè)計(jì)了3種環(huán)境濕度條件，分別為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、包裹養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)。這3種工況下的養(yǎng)護(hù)齡期均為14d。將所有試樣養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)的齡期后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，得出不同濕度環(huán)境條件下瀝青混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

由圖1可以看出，基于相同荷載的不同溫度環(huán)境下，瀝青混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了先增大后減小的情況。當(dāng)荷載力為30kN時(shí)，試件在10℃左右時(shí)達(dá)到了最大抗壓強(qiáng)度78.32MPa，當(dāng)荷載逐漸加大時(shí)，試樣的最大抗壓強(qiáng)度值所對(duì)應(yīng)的溫度也較高，說明試樣抗壓強(qiáng)度與溫度之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系[9]。溫度的升高能夠加快水泥的水化反應(yīng)速率，使得試件的前期抗壓強(qiáng)度的升高幅度變大[10]；但當(dāng)溫度過高時(shí)，混凝土內(nèi)部的收縮應(yīng)力與外部荷載力會(huì)相互作用，會(huì)加速內(nèi)部的水分蒸發(fā)，且導(dǎo)致水泥與集料之間的膨脹差異變大，進(jìn)而降低了瀝青混凝土的后期抗壓強(qiáng)度。

由圖2可知，當(dāng)保持環(huán)境溫度不變時(shí)，瀝青混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度隨著濕度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的情況，當(dāng)以養(yǎng)護(hù)條件為變量時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度均在70%時(shí)達(dá)到了最大值，分別為36.23、32.45和26.12MPa。這說明，當(dāng)試樣的養(yǎng)護(hù)條件一定時(shí)，適當(dāng)提高環(huán)境濕度能夠有效提升瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度；然而，當(dāng)環(huán)境濕度較高時(shí)，其對(duì)瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)起到負(fù)面影響，不利于瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展[11]。另外，小幅度提高環(huán)境濕度值，可以改變混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)與界面能。在潮濕環(huán)境下，混凝土內(nèi)部的孔隙會(huì)收縮，界面能會(huì)增加，從而提高了瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度。而當(dāng)環(huán)境濕度持續(xù)增大時(shí)，再生粗骨料的吸水率會(huì)變大，長(zhǎng)期吸水導(dǎo)致填料與骨料以及水泥石基體發(fā)生形變，對(duì)其抗壓強(qiáng)度起到劣化作用。

2.2溫濕度環(huán)境差異對(duì)瀝青混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

本次試驗(yàn)中采用了2個(gè)100mm×100mm的試樣進(jìn)行不同溫、濕度條件下的劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試。為了保證每個(gè)試樣的干燥程度接近建筑中的混凝土實(shí)際情況，本試驗(yàn)在開始前對(duì)試樣進(jìn)行了12h的烘干，隨后按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的分組情況對(duì)試樣分別進(jìn)行低溫與高溫處理，并對(duì)20℃的瀝青混凝土試樣進(jìn)行干燥環(huán)境與潮濕環(huán)境的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)[12]。試驗(yàn)設(shè)備選用萬能試驗(yàn)機(jī)，設(shè)置最大試驗(yàn)力為740kN，并利用下式計(jì)算試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度值，即：

根據(jù)以上試驗(yàn)步驟，當(dāng)保持環(huán)境濕度不變時(shí)，改變環(huán)境溫度，對(duì)瀝青混凝土試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度變化進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，基于不同荷載條件下，試樣劈裂抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而增大，當(dāng)環(huán)境溫度變化在-60～20℃時(shí)，試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度顯著升高，且增幅較大；而當(dāng)溫度高于20℃后，試樣劈裂抗拉強(qiáng)度的變化差異不明顯。分析原因可知，當(dāng)溫度升高時(shí)，混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)顯著變化，其中對(duì)孔隙率的影響最大，從而保證混凝土不易出現(xiàn)因低溫而產(chǎn)生的裂縫與斷裂等情況[13]，同時(shí)高溫環(huán)境下會(huì)加快水化反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土孔隙中的水?dāng)U散速率變大，從而對(duì)內(nèi)部孔壁形成保護(hù)作用，進(jìn)而提高了瀝青混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

當(dāng)保持環(huán)境溫度不變時(shí)，改變環(huán)境濕度，并對(duì)瀝青混凝土試樣劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，得到的測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著環(huán)境濕度的增大，瀝青混凝土試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。在300kN和600kN荷載力時(shí)，當(dāng)濕度為50%時(shí)，試樣達(dá)到了最大劈裂抗拉強(qiáng)度值，分別為65.23MPa和73.67MPa，當(dāng)濕度值逐漸升高時(shí)，試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度降幅較大。由此可以說明，低濕環(huán)境和過高濕度的環(huán)境均不利于瀝青混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的發(fā)展。在潮濕環(huán)境下，混凝土能夠保持一定的水分，水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部并滯留在集料與水泥石之間的連接界面上，導(dǎo)致水膨脹帶的寬度變大，局部膨脹明顯[14]，從而對(duì)混凝土產(chǎn)生拉伸作用。而這種作用會(huì)對(duì)瀝青混凝土水化產(chǎn)物的填充以及混凝土的韌性造成有害影響，降低其劈裂抗拉強(qiáng)度。

3結(jié)語

綜上所述，溫濕度環(huán)境差異對(duì)瀝青混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能具有較為顯著的影響，主要反映為瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度指標(biāo)的變化。基于不同溫度環(huán)境下，瀝青混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，適當(dāng)提高環(huán)境溫度能夠增大瀝青混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，而當(dāng)溫度超過20℃時(shí)，瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低；當(dāng)環(huán)境濕度為70%時(shí)，瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)到最大值；溫度與瀝青混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，且當(dāng)環(huán)境溫度變化在-60～20℃時(shí)，試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度顯著升高，溫度持續(xù)升高后，其劈裂抗拉強(qiáng)度無明顯差異；環(huán)境濕度為50%時(shí)最利于瀝青混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的發(fā)展。