瀝青混凝土中粗集料影響實(shí)驗(yàn)研究＊

葉 永 陳洪凱

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院1） 重慶 400074） （三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院2） 宜昌 443002）

0 引 言

瀝青混凝土是高等級(jí)公路路面主要材料，其性質(zhì)決定了瀝青路面的使用性能．膠漿理論認(rèn)為［1－2］：瀝青混凝土是由基質(zhì)相和分散相組成的結(jié)構(gòu)體系，其中填料（粒徑小于0．075mm）、細(xì)集料（粒徑在2．36～0．075mm）、粗集料（粒徑大于2．36mm）可看成3種分散相，而純?yōu)r青看做基質(zhì)相．這樣瀝青混凝土可以認(rèn)為由集料分散相、瀝青基質(zhì)相和空隙組成的三相復(fù)合體系［3］．三相成分不同、性質(zhì)各異、相互作用機(jī)理復(fù)雜．

混凝土中集料有粗細(xì)之分，且體積含量大，顆粒個(gè)數(shù)多，分布特征廣［4］，在力學(xué)分析中不可能全部考慮，為了簡(jiǎn)便，常常采用兩步法［5－6］：根據(jù)粒徑將骨料劃分為粗骨料和細(xì)骨料兩類，并且數(shù)量龐大的細(xì)骨料和瀝青基質(zhì)放到一起，組成一種被認(rèn)為力學(xué)性質(zhì)均勻的瀝青砂材料，作為基質(zhì)相，而粗骨料則作為增強(qiáng)相（分散相），把瀝青混凝土看作是由瀝青砂和粗骨料2種材料組成的兩相復(fù)合體．在前期，筆者對(duì)瀝青砂力學(xué)特性進(jìn)行了研究，得出了一些有益結(jié)論［7－10］，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究粗集料的影響，為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)組成分析及力學(xué)性能研究奠定基礎(chǔ)．

1 粗細(xì)集料尺寸界定

要研究粗集料影響，粗細(xì)集料的正確劃分成為問題關(guān)鍵．目前存在3種劃分：（1）Zhu，Nodes將粗、細(xì)集料斷面尺寸分界定義為1．18mm（通過(guò)16＃篩孔），認(rèn)為瀝青混凝土中每個(gè)粗集料顆粒外裹了一層瀝青結(jié)合料，而瀝青結(jié)合料由細(xì)集料和瀝青基質(zhì)組成；（2）Bandyopadhyaya等在利用數(shù)值模型預(yù)測(cè)瀝青混凝土力學(xué)行為時(shí)，由于小于或等于2．36mm集料在斷面圖像觀察中沒有區(qū)別，即把2．36mm及以下作為細(xì)集料處理，這樣，瀝青基質(zhì)、空隙和細(xì)集料一起當(dāng)作一種均勻的粘彈性材料，即瀝青砂來(lái)處理；（3）第三種劃分是基于粗集料考慮更少，以粒徑4．75mm為分界線來(lái)區(qū)分粗細(xì)集料．本文在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)和蠕變實(shí)驗(yàn)，與標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配AC－13C混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行比較，分析不同粒徑劃分的差別，提出粗、細(xì)集料的尺寸界定依據(jù)．

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究粗集料組成對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性能影響，依據(jù)下列原則進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)：（1）按照AC－13C瀝青混凝土的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配以及規(guī)范規(guī)定的級(jí)配上、下限進(jìn)行設(shè)計(jì)，粗集料與細(xì)集料總的質(zhì)量含量保持不變．即粗、細(xì)集料含量比為，標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配時(shí)63．4%∶36．6%，上限級(jí)配時(shí)76%∶24%，下限級(jí)配時(shí)50%∶50%；（2）粗集料粒徑及配比與對(duì)應(yīng)的AC－13C混凝土相同，但進(jìn)行改變；（3）細(xì)集料組成及配比保持不變；（4）瀝青含量保持不變．

根據(jù)規(guī)范規(guī)定的AC－13C混凝土的級(jí)配曲線的上限、下限以及實(shí)驗(yàn)得到的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配分三組，每組又將粗集料分別設(shè)計(jì)為單一粒徑種（9．5～4．75 mm）、2種粒徑（13．2～9．5和9．5～4．75mm）、3種粒徑（13．2～9．5，9．5～4．75和4．75～2．36 mm）以及4種粒徑（16．0～13．2，13．2～9．5，9．5～4．75和4．75～2．36mm），總共設(shè)計(jì)了12組不同類型級(jí)配的瀝青混凝土試樣．試樣尺寸為圓柱體直徑100mm×高100mm．具體組成及配比見表1．

表1 瀝青混凝土試樣設(shè)計(jì)

進(jìn)行了壓縮實(shí)驗(yàn)和蠕變回復(fù)實(shí)驗(yàn)．壓縮實(shí)驗(yàn)取加載速率為2mm／min，實(shí)驗(yàn)采用2種溫度：15℃（低溫）和60℃（高溫）．實(shí)驗(yàn)方案見表2．

表2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與分析

為定量描述級(jí)配對(duì)瀝青混凝土壓縮變形和蠕變變形的影響，引入2個(gè)指標(biāo)：（1）抗壓強(qiáng)度．是指最大的抗壓應(yīng)力值；（2）蠕變率．指隨時(shí)間而變化的應(yīng)變，通過(guò)下式計(jì)算

式中：εt為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的蠕變應(yīng)變，ε0為初始蠕變應(yīng)變．

表3給出了標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配下4種類型混凝土抗壓強(qiáng)度值．結(jié)果反映，4種類型混凝土抗壓強(qiáng)度的大小次序：MB4＞MB3＞MB1＞MB2，即粗集料為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配的MB4混凝土抗壓強(qiáng)度最大，設(shè)計(jì)為兩種粗集料（MB2）時(shí)對(duì)應(yīng)抗壓強(qiáng)度最小．具體而言，在15℃，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配MB4，其他3種級(jí)配混凝土MB1，MB2和MB3的抗壓強(qiáng)度分別下降0．68，1．29和0．58MPa，相對(duì)變化率依次為10．7%，20．2%和10．1%，相互之間差距在10%左右；在60℃，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配MB4，3種級(jí)配MB1，MB2和MB3混凝土抗壓強(qiáng)度分別下降0．93，1．18和0．42MPa，相對(duì)變化率依次為25．8%，32．7%和11．6%，相互之間最大差距超過(guò)20%．這些數(shù)據(jù)反映，就壓縮性能而言，將粗集料設(shè)計(jì)成3種粒徑的混凝土類型帶來(lái)的影響最小，其次是為單一粒徑，而設(shè)計(jì)成2種粒徑的影響最大，且溫度越高，級(jí)配影響越明顯．

表3 試樣抗壓強(qiáng)度值（標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配）

圖1、圖2分別給出了標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配下4種類型混凝土的蠕變實(shí)驗(yàn)曲線，采用上述蠕變指標(biāo)，表4，5給出了計(jì)算結(jié)果．可以看到，在加載階段，標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配混凝土（MB4）具有最好的抵抗變形的能力，粗集料設(shè)計(jì)成兩種粒徑的混凝土（MB2）抵抗變形能力最差．在15℃，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配MB4，3種設(shè)計(jì)級(jí)配的混凝土MB1，MB2和MB3蠕變率值分別提高2、3．66和1．66（10－6／s），約為 MB4混凝土的2．2，3．2和2倍；在60℃，相對(duì)混凝土MB4，3種設(shè)計(jì)級(jí)配混凝土的蠕變率值也分別提高了1．33，4和2（10－6／s），約為 MB4的1．2，1．67和1．33倍．?dāng)?shù)據(jù)反映，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配MB4，不同級(jí)配混凝土對(duì)應(yīng)的蠕變率值的變化最大達(dá)到了其3．2倍（15℃）和1．67倍（60℃）之多，且相互之間的差別也較大．

圖1 標(biāo)準(zhǔn)限級(jí)配蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （15℃）

圖2 標(biāo)準(zhǔn)限級(jí)配蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （60℃）

表4 指標(biāo)計(jì)算結(jié)果（15℃）

表5 指標(biāo)計(jì)算結(jié)果（60℃）

為進(jìn)一步研究其他級(jí)配混凝土中粗集料配比變化造成的影響，表6給出了AC－13C上限級(jí)配（對(duì)應(yīng)的粗集料含量多）對(duì)應(yīng)的4種混凝土抗壓強(qiáng)度值，圖3，4給出了它們的蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線．4種混凝土的抗壓強(qiáng)度從大到小：MS3＞MS1＞MS4＞MS2，且最大值超過(guò)最小值20%；抵抗蠕變變形能力大小：MS3＞MS1＞MS4＞MS2，對(duì)應(yīng)的蠕變率最大值超過(guò)最小值22%，可見，對(duì)上限級(jí)配，粗集料組成仍然存在較大影響．需說(shuō)明的是，上限級(jí)配的混凝土MS4（含4種粒徑的粗集料）并不具備最好的抗變形能力，可能由于在上限級(jí)配中采用了標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配時(shí)的瀝青含量．相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配，混凝土中粗集料較多，對(duì)應(yīng)集料總表面積減少，導(dǎo)致瀝青含量相對(duì)過(guò)多，這樣4．75～2．36mm粒徑集料含量較多的混凝土MS3具有更好抗變形能力，產(chǎn)生的蠕變變形最小，而不含4．75～2．36mm粒徑集料的混凝土MS2正好相反．可以看出，2．36mm粒徑篩孔作用明顯．

表6 試樣抗壓強(qiáng)度值（上限級(jí)配）

圖3 上限級(jí)配蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果（15℃）

圖4 上限級(jí)配蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果（60℃）

表7給出了AC－13C型下限級(jí)配（粗集料含量少）對(duì)應(yīng)的4種級(jí)配類型的混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度值．圖5，6給出了它們的蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線，4種級(jí)配類型混凝土抗壓強(qiáng)度：MX2＞MX4＞MX1＞MX3，且最大值超過(guò)最小值50%；抵抗蠕變變形能力：MX2＞MX4＞MX1＞MX3，蠕變率最大值超過(guò)最小值42%．因此，和上限級(jí)配比較，對(duì)于下限級(jí)配，粗集料組成和配比對(duì)混凝土力學(xué)性能有更大影響．下限級(jí)配MS4混凝土（含4種不同粒徑的粗集料）并不具備最好力學(xué)性能，這主要由于在下限級(jí)配中采用了標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配瀝青含量，粗集料含量較少造成瀝青含量相對(duì)較少，這樣13．2～9．5mm粒徑粗集料含量較多的混凝土MS2具有更好的力學(xué)性能，其產(chǎn)生的蠕變變形最小，而混凝土MS3正好相反．

表7 試樣抗壓強(qiáng)度值（下限級(jí)配）

圖5 下限級(jí)配蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果（15℃）

圖6 下限級(jí)配蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果（60℃）

4 結(jié) 論

1）通過(guò)壓縮和蠕變實(shí)驗(yàn)，在保證細(xì)集料含量不變下，相對(duì)級(jí)配組成的標(biāo)準(zhǔn)限、上限和下限，改變粗集料組成對(duì)瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度和蠕變性能影響較大．說(shuō)明混凝土性能強(qiáng)烈依賴粗集料組成及配比．

2）4．75～2．36mm的集料含量很大程度決定混凝土中瀝青盈余，而4．75mm以上粒徑對(duì)混凝土中瀝青盈余影響并不大．提出以2．36mm來(lái)劃分粗細(xì)集料具有一定的合理性．

3）在進(jìn)行瀝青混凝土結(jié)構(gòu)組成的數(shù)值模擬時(shí)，對(duì)粗集料簡(jiǎn)化不應(yīng)輕易進(jìn)行，簡(jiǎn)化結(jié)果要通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以修正．

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