水工瀝青混凝土高溫性能評價與改善措施

王應章

(中國葛洲壩集團公司，湖北 宜昌443002)

天然瀝青早在五千多年前就已被人類發(fā)現(xiàn)并用作建筑材料，如今瀝青混凝土作為一種人工合成的建筑材料，被廣泛應用于道路、房屋建筑、機場跑道、城市垃圾填埋、渠道及水工結構等領域。由于瀝青的性能較其他建筑材料復雜，并且瀝青混凝土是一種有機材料與無機材料混合而成的復合材料，性能就更加復雜，特別是針對瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性能我們還需要更加深入的研究。文章擬采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗以及瀝青混凝土流值等進行瀝青混凝土高溫性能的評價，并探索其改善的措施。

1 瀝青混凝土熱穩(wěn)定系數(shù)評價指標

1.1 瀝青混凝土熱穩(wěn)定系數(shù)

瀝青混凝土的高溫性能一般應用它的熱穩(wěn)定系數(shù)進行評價，熱穩(wěn)定系數(shù)KT是瀝青混凝土20 ℃抗壓強度與50 ℃抗壓強度的比值:

式中:KT與這兩種溫度下的抗壓強度變化成正比，也就是說KT的值越小，這兩種溫度下的抗壓強度變化就越小，代表他的穩(wěn)定性越好。所以說，溫度敏感性小的瀝青不僅有好的低溫性能，又有好的熱穩(wěn)定性。

1.2 馬歇爾穩(wěn)定度

馬歇爾穩(wěn)定度是指在60 ℃的條件下，將配置的混凝土試件保溫45 min左右，然后將試件放在馬歇爾穩(wěn)定度儀上，以50 ±5 mm/min的形變速度加荷，直至試件破壞時的最大荷載稱為馬歇爾穩(wěn)定度(簡稱MS)，可以測量和反映瀝青混凝土的穩(wěn)定度和流值等指標。

1.3 瀝青混凝土斜坡流淌值(流值)

瀝青材料是一種溫度敏感性較高的材料，它在高溫時呈液態(tài)，在常溫(20 ～30 ℃)和低溫狀態(tài)顯固態(tài)。瀝青混凝土的性能在很大程度上取決于瀝青材料的性質。瀝青混凝土在剛攤鋪完成和陽光長時間照射下，溫度一般可以達到70 ℃以上，在高溫下易產生流動變形使骨料與瀝青分離(離析)，孔隙率與滲透性都增大，降低瀝青混凝土面板的強度和耐久性，使大面積的面板在斜坡上變形而失去穩(wěn)定，進而影響大壩的使用功能，這種變形就是斜坡流淌值(流值)。

2 瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性能試驗研究

2.1 實驗方法簡介及實驗物理變形分析

斜坡流淌變形和熱穩(wěn)定性能的實驗分析，主要是模擬面板實際工作情況，在規(guī)定的時間內測定變形量。在此試驗中試件會在受拉、受壓以及受彎的作用下發(fā)生明顯的變形。物理變形的不同在一定程度上能反映瀝青混凝土的性能好壞，受力條件的好壞也影響最后的試驗成果。另外，瀝青混凝土有一定的黏性，在試驗過程中容易和試驗平臺黏在一起，增強了試件的約束條件，這就容易改變試件的受力狀態(tài)，影響試驗結果。

2.2 瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定性試驗壓縮變形分析

在馬歇爾穩(wěn)定試驗中試件在圓環(huán)形壓力作用下受力示意圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 馬歇爾穩(wěn)定試驗受力示意圖

圖2 馬歇爾穩(wěn)定試驗受力分區(qū)示意圖

將試件的受力情況分為四個區(qū)域。如圖2，受外力作用較強的區(qū)域1、2，可看成三向受力狀態(tài)。而區(qū)域3、4 由于受擠壓力，約束相對較弱，考慮到試件是黏彈性材料制成以及內部壓力作用，發(fā)生變形。

瀝青混凝土高溫性能主要包括離析變形(表面現(xiàn)象)和性能發(fā)生變化(內部現(xiàn)象)，本次主要對高溫性能的試驗方法進行分析，用斜坡流淌和熱穩(wěn)定系數(shù)兩個指標來評價瀝青混凝土的高溫性能，通過試驗并認真分析篩選出的數(shù)據(jù)，能夠找到瀝青混凝土高溫性能的影響因素［1］。

2.3 瀝青含量、密度、空隙率混合料與熱穩(wěn)定系數(shù)的關系

1)同瀝青含量、混合料密度、空隙率條件下的瀝青混凝土熱穩(wěn)定系數(shù)試驗數(shù)據(jù)見表1。關系曲線如圖3 和圖4 所示。

圖3 瀝青含量與熱穩(wěn)定系數(shù)關系曲線

圖4 混合料空隙率與熱穩(wěn)定系數(shù)關系曲線

從圖3 可以看出，在瀝青混凝土中瀝青含量越大，瀝青混合料的熱穩(wěn)定系數(shù)就越大，當含量超過4%時，其熱穩(wěn)定增加系數(shù)減緩。另外從圖3 中還可以看出，混合料熱穩(wěn)定系數(shù)隨著試件密度的增加而減小。見圖4 混合料空隙率與熱穩(wěn)定系數(shù)的關系曲線，它反映混合料的空隙率與試件的熱穩(wěn)定系數(shù)成反比的關系。從綜合瀝青用量、密度和空隙率來考慮，混合料熱穩(wěn)定系數(shù)都在4 左右曲線發(fā)生突變。因此，全面分析可知瀝青含量、混合料密度和空隙率三者本身存在著聯(lián)系，共同影響瀝青混凝土的熱穩(wěn)定性能。

表1 瀝青混凝土熱穩(wěn)定試驗數(shù)據(jù)

2)瀝青混凝土碾壓溫度與熱穩(wěn)定關系試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 瀝青混凝土熱穩(wěn)定試驗數(shù)據(jù)

瀝青混合料一般是由骨料、填充料以及其他用料用瀝青黏結起來的，從表2 中可以看出，碾壓溫度對于瀝青混合料面板的施工有很大的影響。

3 瀝青混凝土高溫性能評價

瀝青混凝土面板的斜坡流淌值是測量高溫瀝青混合料發(fā)生的離析變形，試驗時我們主要是針對復合式結構面板的防滲層，所以在試驗時瀝青含量取7%左右，并將纖維含量的因素也考慮進來了。通過比較分析得出:

1)瀝青含量7.5%、纖維含量0.3%對于有防滲要求的混合料而言是較有利有控制變形的。

2)對于瀝青含量在7%左右的瀝青混合料，一般密度取2.32 ～2.35 g/cm3，空隙率一般在1.3% ～2.3%，在這些范圍內變化可以保證混合料流值不會出現(xiàn)大的變動，有利于控制質量。

3)當瀝青混合料的瀝青含量為7.5%，纖維含量在0.2% ～0.3%變化對瀝青混合料流值影響較大，但是隨著纖維含量繼續(xù)增加，這個影響變小，說明纖維過多破壞了瀝青混合料的結構組成，這要引起我們的特別注意。

4 瀝青混凝土高溫性能改善措施

根據(jù)瀝青混凝土的性能，在瀝青混合料中可摻加植物纖維摻料，纖維與纖維間搭接成三維立體結構，從而提高了結構的穩(wěn)定性，對瀝青混凝土起到改善的作用以提高瀝青混合料的性能。不同的瀝青含量和纖維含量的條件下測得的流值見表3，在不同的瀝青含量、混合料密度、空隙率的條件下測得的流值的最后結果見表4。

表3 瀝青混凝土流值試驗數(shù)據(jù)

表4 瀝青混凝土流值試驗數(shù)據(jù)

通過對水工瀝青混凝土高溫性能的評價可知，在最佳瀝青用量下，不同的纖維含量對混凝土的高溫性能的改善有不同的作用。所以說，纖維摻入提高瀝青混凝土的抗高溫變形能力不是隨便加入的，它有一個最佳值，如果超過這個最佳值，或者比這個最佳值低，混凝土的抗高溫變形能力都不能得到很好的提高，甚至會有適得其反的作用。

5 結 語

高溫變形是瀝青混凝土最常見的現(xiàn)象之一，需要我們采用一定的方法避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。通過實驗研究，可以采用纖維混入法來改善混凝土的性能，從而提高它的高溫抗變形能力。

［1］栗東海. 不同纖維瀝青混凝土高低溫性能試驗研究［J］.交通標準化，2012(14):62－64.