高寒高海拔地區(qū)瀝青砂漿的力學(xué)性能分析

大次仁

(西藏天路股份有限公司，西藏 拉薩 850000)

0 引 言

西藏自治區(qū)地處青藏高原，屬于高寒高海拔地區(qū)，受地理?xiàng)l件與地形地貌的影響，區(qū)內(nèi)東南濕暖、西北嚴(yán)寒，常年低溫，太陽(yáng)輻射強(qiáng)。全區(qū)瀝青路面鋪筑廣泛，依據(jù)瀝青及瀝青路用性能氣候分區(qū)，可將全區(qū)劃分為2-2夏熱冬寒區(qū)、2-3夏熱冬冷區(qū)及3-2夏涼冬寒區(qū)，其代表地區(qū)分別為西藏甘孜大雪山地區(qū)、西藏高原雅魯藏布江流域及西藏自治區(qū)的中北大部分地區(qū)[1]。

瀝青路面主要采用熱拌瀝青混合料進(jìn)行鋪筑，粒徑小于2.36 mm的集料和瀝青組成的分散系稱(chēng)為瀝青砂漿。瀝青砂漿中黏彈性瀝青基材料的變化以及不同的環(huán)境條件等都使其呈現(xiàn)出不同的力學(xué)性能[2]。假設(shè)瀝青混合料空隙率相同且分布均勻，則瀝青砂漿的抗凍融損傷能力的強(qiáng)弱就成為影響高寒高海拔地區(qū)瀝青混合料工程性能的關(guān)鍵因素。

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始關(guān)注瀝青砂漿的力學(xué)性能及不同凍融條件對(duì)瀝青混合料的影響。韓吉偉等通過(guò)不同鹽凍循環(huán)的單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)及掃描電鏡(SEM)研究了SBS改性瀝青砂漿試件的力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的變化[3]。Liu Yongliang等研究了水泥瀝青砂漿在不同溫度、不同瀝青水泥比下的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，并利用Burgers模型模擬了水瀝青膠凝材料的黏彈性力學(xué)行為及動(dòng)態(tài)模量的變化[4]?？紫槊鞯仍诤愣囟葪l件下建立了數(shù)學(xué)模型，并定量描述了加載速率對(duì)水泥瀝青砂漿力學(xué)性能的影響[5]。李兆生等通過(guò)對(duì)凍融循環(huán)作用下瀝青混合料力學(xué)性能的對(duì)比分析，研究了凍融作用對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響規(guī)律及其損傷特性[6]。傅強(qiáng)等采用應(yīng)力-應(yīng)變壓縮曲線(xiàn)分析了不同瀝青含量、齡期及干濕循環(huán)對(duì)水泥瀝青砂漿力學(xué)特性的影響[7-8]。譚憶秋等結(jié)合損傷理論建立了適用于凍融條件下瀝青混合料損傷的模型，提出了抗凍融損壞能力和壽命預(yù)估的主要指標(biāo)[9]。牛冬瑜等應(yīng)用壓縮試驗(yàn)與剪切試驗(yàn)，研究了外加劑對(duì)瀝青砂漿強(qiáng)度損失指數(shù)、能量釋放系數(shù)及抗剪力學(xué)性能指標(biāo)的影響[10-11]。李濤等選取9種礦粉研究了礦粉的親水系數(shù)對(duì)瀝青膠漿性能的影響[12]。

綜上可知，研究人員對(duì)瀝青砂漿的力學(xué)特性進(jìn)行了較為廣泛的研究，但針對(duì)高寒高海拔地區(qū)的特殊環(huán)境，采用反復(fù)凍融試驗(yàn)進(jìn)行瀝青砂漿力學(xué)性能的研究相對(duì)較少，缺乏可定量分析瀝青砂漿力學(xué)性能損傷程度的評(píng)價(jià)方法?；诖?，本文對(duì)不同凍融次數(shù)的瀝青砂漿進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響；以試驗(yàn)數(shù)據(jù)與損傷理論為基礎(chǔ)，定量分析反復(fù)凍融循環(huán)過(guò)程中砂漿損傷程度的發(fā)展變化規(guī)律，以期對(duì)高寒高海拔地區(qū)瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料優(yōu)化提供一定參考。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本文選取SK70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，細(xì)集料和礦粉均采用石灰?guī)r，瀝青與細(xì)集料的技術(shù)性能均符合規(guī)范要求。

1.2 試件制備

瀝青砂漿的級(jí)配如表1所示，瀝青用量為10.5%，以《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E41—2005)中路面工程用石料的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)為依據(jù)，制作圓柱形瀝青砂漿試件，其直徑和高均為50 mm。

表1 瀝青砂漿級(jí)配

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)參數(shù)

采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，加載速率為1 mm·min-1，設(shè)備如圖1所示。試驗(yàn)環(huán)境溫度為常溫(25 ℃)，試驗(yàn)前用自動(dòng)雙端面磨平機(jī)將試件的端面磨平，并置于環(huán)境溫度箱中保溫4 h以上。

圖1 瀝青砂漿壓縮試驗(yàn)設(shè)備

1.3.2 凍融條件

本文借鑒《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中“瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)”的試驗(yàn)條件，檢驗(yàn)瀝青砂漿凍融后的壓縮力學(xué)性能。

成型9組瀝青砂漿試件，對(duì)其進(jìn)行真空飽水15 min，水中浸泡0.5 h；然后分別進(jìn)行凍融循環(huán)0次、2次、4次、6次、8次、10次、12次、14次，直至試件發(fā)生嚴(yán)重變形破壞(試件高度或直徑變化達(dá)到10%)；最后用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行瀝青砂漿單軸壓縮試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砂漿力學(xué)性能分析

由單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)、峰值應(yīng)力及彈性模量平均值，如表2和圖2所示。其中D表示試件損傷度，且

D=(1-EN/E0)×100%

(1)

式中:EN為經(jīng)過(guò)N次凍融循環(huán)的砂漿彈性模量；E0為未經(jīng)凍融循環(huán)的砂漿彈性模量。

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)后試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

凍融次數(shù)024681012峰值應(yīng)力/MPa1.3721.2651.3281.2411.0311.0050.843彈性模量/MPa25.2518.9217.5316.4213.8713.569.88D/%0.0025.0730.5734.9745.0746.3060.87

由表2、圖2可知，不同凍融循環(huán)次數(shù)作用后的瀝青砂漿應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)相同，均為先增大后減小。不同凍融循環(huán)次數(shù)下瀝青砂漿的應(yīng)力峰值分別為1.265、1.328、1.241、1.031、1.005、0.843 MPa，分別為未凍融砂漿(1.372 MPa)的92%、97%、90%、75%、73%、61%。不同凍融循環(huán)次數(shù)下瀝青砂漿的彈性模量分別為18.92、17.53、16.42、13.87、13.56、9.88 MPa，分別為未凍融砂漿(25.25 MPa)的75%、69%、65%、55%、54%、39%。隨著凍融次數(shù)的不斷增加，瀝青砂漿試件的峰值應(yīng)力和彈性模量均明顯降低，但下降速率與幅度有所差異：每經(jīng)歷2次凍融循環(huán)，砂漿的峰值應(yīng)力和彈性模量平均下降0.088 MPa和2.562 MPa。由表2可知，12次凍融循環(huán)后，砂漿峰值應(yīng)力和彈性模量的相應(yīng)降幅為38.55%和60.87%。

此外，瀝青砂漿試件的峰值應(yīng)力和彈性模量相對(duì)較低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的下降段跌落較快，體現(xiàn)出較差的變形能力。這主要是因?yàn)椋簽r青混合料中粗集料構(gòu)成骨架結(jié)構(gòu)，荷載主要由粗集料骨架來(lái)承受，而小的填充顆粒與瀝青混合而成的砂漿不受力或受很小的力，但也起到了黏結(jié)粗集料顆粒的關(guān)鍵作用，一旦砂漿出現(xiàn)力學(xué)損傷，將直接影響混合料的各項(xiàng)性能。由此可知，多次凍融循環(huán)作用后，砂漿的力學(xué)性能大幅下降，如果能夠在其中加入高黏韌外摻劑，可使高黏韌外摻劑中的高分子材料與熱瀝青混融反應(yīng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并裹復(fù)著瀝青重疊交聯(lián)在一起，提高瀝青與細(xì)集料的結(jié)合強(qiáng)度，有效控制凍融的影響，提高砂漿受凍融循環(huán)作用后的力學(xué)性能。

2.2 砂漿力學(xué)耐久性能分析

為了反映受到多次凍融損傷后瀝青砂漿的力學(xué)性能，選取強(qiáng)度損失指數(shù)來(lái)量化瀝青砂漿材料的力學(xué)損傷情況。

(2)

式中：S為瀝青砂漿的強(qiáng)度損失指數(shù)；σp為應(yīng)力峰值；σr為殘余應(yīng)力值，即瀝青砂漿應(yīng)力達(dá)到峰值后，應(yīng)變?cè)黾?%時(shí)的應(yīng)力取值。

圖3為瀝青砂漿的強(qiáng)度損失指數(shù)變化曲線(xiàn)。由圖3可知，2次、4次、6次、8次、10次、12次凍融后瀝青砂漿的強(qiáng)度損失指數(shù)分別為0.115、0.054、0.088、0.127、0.169、0.158，是未凍融砂漿(0.089)的1.289倍、0.610倍、0.988倍、1.429倍、1.902倍與1.774倍。根據(jù)強(qiáng)度損失指數(shù)計(jì)算結(jié)果，可將瀝青砂漿力學(xué)耐久性能的變化劃分為3個(gè)階段：凍融0～2次為第1階段，凍融4～6次為第2階段，凍融10～12次為第3階段。其中，第1階段、第2階段、第3階段強(qiáng)度損失指數(shù)的平均值分別為0.102、0.090、0.163。第2階段的強(qiáng)度損失指數(shù)的平均值最小，表明其瀝青砂漿力學(xué)耐久性能最好，第3階段的強(qiáng)度損失指數(shù)的平均值最大，反映出瀝青砂漿力學(xué)耐久性能最差。此外，凍融2次與凍融10次情況下，瀝青砂漿的強(qiáng)度損失指數(shù)出現(xiàn)了2個(gè)峰值，說(shuō)明此時(shí)瀝青砂漿充分受到孔隙水結(jié)冰與融化的體積膨脹力的作用，造成瀝青砂漿的內(nèi)部損傷，破壞了砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使其力學(xué)耐久性大幅降低。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)后瀝青砂漿的強(qiáng)度損失指數(shù)

2.3 砂漿損傷機(jī)理分析

基于損傷力學(xué)理論中的物質(zhì)單向流動(dòng)損傷理論，應(yīng)用損傷度可定量描述瀝青砂漿的損傷程度，并假設(shè)瀝青砂漿初始損傷為0。損傷變化率為單凍融循環(huán)造成的損傷度變化值，以此表征瀝青砂漿在壽命期內(nèi)的損傷度變化快慢。砂漿試件的峰值應(yīng)力、彈性模量及損傷度與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖4、5。

圖4 損傷度與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 彈性模量與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖4、5可知，瀝青砂漿試件的損傷度均隨著凍融次數(shù)的增加而增大，相應(yīng)的峰值應(yīng)力和彈性模量隨著凍融次數(shù)的增加而降低。凍融6次之前和10次之后為2個(gè)快速破壞期，凍融6次到10次之間為緩慢破壞期。砂漿試件在2個(gè)快速破壞期的損傷變化率分別達(dá)到每次5.83%和7.29%，緩慢破壞期損傷變化率為每次2.83%。出現(xiàn)快速破壞期是因?yàn)闉r青砂漿內(nèi)部分的滯留水凍脹，使砂漿內(nèi)部由無(wú)裂縫狀態(tài)迅速生成微裂紋，引起砂漿力學(xué)性能較快衰減；另外，隨著凍融作用的加劇，形成了大量的連通孔隙，砂漿內(nèi)部微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，引起砂漿的損傷變化率再次增大。

隨著損傷度不斷增加，在12次凍融循環(huán)作用下，砂漿試件的峰值應(yīng)力與彈性模量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中峰值應(yīng)力在下降的過(guò)程中呈現(xiàn)波動(dòng)下跌狀態(tài)。在12次凍融循環(huán)作用下，砂漿試件損傷度較未凍融的砂漿增加了60%以上，平均損傷變化率達(dá)到每次5.07%。試件在凍融到13次左右時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重變形。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青砂漿試件的彈性模量和峰值應(yīng)力均大幅下降；12次凍融循環(huán)后，砂漿的峰值應(yīng)力和彈性模量降幅分別為38.55%和60.87%，說(shuō)明多次凍融后很難保證其抗凍融能力和使用壽命。

(2)瀝青砂漿的損傷度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，相應(yīng)的峰值應(yīng)力和彈性模量隨著損傷度的增加而減小。12次凍融循環(huán)作用后，瀝青砂漿的損傷度增加了60%以上，平均損傷變化率達(dá)到每次5.07%。

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