公路瀝青混凝土材料加載力學破壞試驗

俞桂彪

(揚州天達建設集團有限公司,江蘇 揚州 211400)

1 引 言

瀝青混凝土材料在各類工程中應用普遍[1-2],其良好的耐久性、力學穩定性倍受工程師青睞,但不可忽視,其力學特征受多種因素影響,如配合比參數、凍融或干濕環境以及復雜物理場環境等[3-4]。因此,開展針對瀝青混凝土材料力學特征影響研究,有助于豐富工程設計參考成果。高勇[5]、馬翔等[6]為研究瀝青混凝土材料的力學特征,根據混凝土顆粒形特點,借助離散元顆粒流仿真平臺,從模擬力學加載維度入手,高效率探討瀝青混凝土的顆粒特征、試驗環境等因素對力學水平影響,為工程設計提供了多個影響因素參照。為研究公路瀝青混凝土材料力學特征變化,采用單、三軸試驗方法開展了抗凍裂劑及高溫熱作用影響分析,以期為工程建設提供應用環境及配合比設計參考。

2 試驗介紹

2.1 工程概況

作為京津冀地區協同發展重點項目,保定主城區環城快速公路計劃全長76.2 km,實現與滄榆高速、京昆高速以及京港澳高速的全線貫通,乃是“十四五”時期保定基建重點項目,計劃投入運營后,可較好地推動京雄保一體化發展。環城快速公路共有立交樞紐橋梁4座,其他類型公路橋梁6座,公路橋梁修建的同時,對路面以下管網線路進行重點修繕,確保道路、橋梁以及市政管網協同式管理。根據保定城區規劃,在東二環、東風東路交口處設置有高架橋梁形成多個維度的交通通行,而在北二環與東二環交口處設置有立交橋樞紐,作為交通分流的控制樞紐,不論是快速路或是立交橋樞紐,均采用瀝青混凝土路面。全干線快速路橋梁主要有懸索橋與斜拉橋,三豐路與東二環交口處為懸索橋梁立面設計,橫跨府河河道,全橋面長為1 200 m,其中懸索橋梁兩端點間距為900 m,按照箱涵橋梁設計,共有六段式分拉,分別設置有拉索裝置,確保橋面在風荷載下位移量滿足設計要求。不論是懸索橋梁,還是東二環修建快速路主干道,所使用的瀝青混凝土材料均需滿足抗裂、抗拉等要求。現場實測表明,橋梁路面鋪設瀝青混凝土油石比為0.34,極限抗裂應力為10 MPa,摻加一定量的抗凍裂劑,能夠有效滿足北方地區冬季抗寒、抗凍脹要求,即低溫條件下該類型瀝青混凝土仍具有較強承載能力,能夠應對低溫凍結作用對混凝土內部晶體顆粒的損傷作用。為確保保定環城快速干線公路投入運營后的安全使用,在已知路面瀝青混凝土滿足低溫抗凍脹作用的前提下,有必要系統性開展高溫熱作用對瀝青混凝土承載應力影響的研究,為工程建設提供參考。

2.2 試驗概況

由于需探討公路瀝青混凝土材料力學受高溫熱作用影響變化,因而設計瀝青混凝土需完成單、三軸兩種不同受荷方式的力學試驗。所采用的實驗設備可通過更改加載平臺,適配單、三軸不同試驗條件,且可耦合工程環境試驗模擬箱,實現TM耦合實時環境。不僅如此,該試驗設備具有精密數據采集系統、機器上限停機保護系統以及實時中控裝置,所有數據采集均通過八通道電子數據傳輸,各通道數據之間互相印證合理性,通過電腦程序識別篩選不滿足精度要求的監測數據,確保試驗數據滿足試驗規程要求[4-5]。監測通道所連接的采集裝置包括有LVDT位移傳感器、荷載傳感器以及其他軸、環向變形傳感器等,數據分析的重點參考對象為LVDT位移,其量程為-20～20 mm,荷載傳感器可根據單、三軸環境選擇合適的量程。試驗中所有監測傳感器最大振頻不超過0.01 Hz,數據監測點均以試樣中心點為準;試驗前所有裝置均進行了誤差標定,確保各組試驗中的誤差在允許范圍內,同時單、三軸試驗均為同一類型試驗裝置,可減少儀器自身誤差對試驗結果干擾的。工程環境模擬箱可實現高、低溫不同溫度加載,主要探討高溫環境下熱作用對瀝青混凝土影響,因而選擇的高溫熱傳導模塊,加溫速率為2 ℃/min,每個試樣在預定溫度試驗環境下,保溫3 h后方可進行后續力學試驗。

通過對環城快速公路工程瀝青混凝土材料取樣,在室內試驗室測定混凝土中瀝青軟化點為45.5 ℃,密度為0.785 g/cm3,粗骨料粒徑分布為2.8～16 mm,骨料壓碎值為10.5%,細骨料吸水率為0.45%,中值粒徑為0.55 mm,所使用的混凝土初步配合比與C30一致。在室內進行鉆孔取樣,并摻加相應劑量的抗凍裂劑,制備成直徑高度分別為50 mm、100 mm的混凝土圓柱體試樣,且在試驗前均放置在恒溫恒濕環境下養護24 h。混凝土試樣在進行熱力耦合試驗前,需完成圍壓損傷恢復,減少初始制樣機器擾動損傷作用。

試驗包括單軸與三軸兩部分,且均與高溫熱作用進行耦合研究,試驗中根據工程環境設定溫度分別為25、50、75、100、125、150 ℃,而試驗圍壓按照5～20 MPa進行,單軸試驗本質上圍壓為0 MPa。同時,該路面瀝青混凝土材料低溫抗凍作用下的抗凍裂劑摻量也是其力學特征研究對象,在抗凍裂劑摻量不超過5%的前提下,設定抗凍裂劑摻量分別為0%、1%、2%、3%、4%、5%。基于此,探討高溫熱作用下,摻有抗凍裂劑的瀝青混凝土試樣單、三軸力學特征影響變化。

3 瀝青混凝土力學特性影響

3.1 抗凍裂劑摻量的影響

基于不同抗凍裂劑摻量方案下的力學試驗,獲得試驗結果,如圖1所示。依據力學特征可知,抗凍裂劑摻量愈多,則試驗應力水平愈低,但其降幅在抗凍裂劑摻量達3%后有所增多;當試驗組圍壓為0 MPa時,此時瀝青混凝土處于單軸加荷,在應變0.8%時抗凍裂劑摻量0%試樣加載應力為31 MPa,而抗凍裂劑摻量為1%、3%下試樣加載應力分別為19.5 MPa、10.6 MPa,而抗凍裂劑摻量為4%、5%時試樣加載應力較之摻量3%下分別減少了11.5%、22.6%,摻量超過3%后加載應力受抗凍裂劑摻量影響幅度顯著增大。在圍壓10 MPa下,無抗凍裂劑試樣峰值偏應力為68.86 MPa,而摻量1%、3%、5%相應試樣峰值偏應力較之前者分別減少了7.8%、21.3%、49.4%,同樣以摻量3%后峰值偏應力的降幅增多。在圍壓10 MPa下,在摻量未超過3%時,當混凝土試樣中抗凍裂劑摻量每遞增1%,其峰值應力平均降幅僅為6.6%,而摻量達3%后,如摻量4%、5%兩試樣的峰值偏應力分別為45 MPa、35.1 MPa,較之摻量3%后降幅較大,達17.2%、35.3%。單軸荷載下峰值應力受抗凍裂劑摻量影響亦是如此。抗凍裂劑的存在,主要通過降低瀝青混凝土內部固體水含量,減少低溫作用下冰晶體凍脹對混凝土顆粒骨架穩定性的影響,抗凍裂劑愈多,不僅會進一步限制閉合孔隙內部的冰晶體,也會對軟弱滑移填充面產生影響,對瀝青混凝土的承載能力帶來的損傷效應愈顯著[6-7]。

圖1 抗凍裂劑摻量對應力應變特征影響

當瀝青混凝土處于單軸加荷時,抗凍裂劑摻量愈低,峰值應變參量愈小;同時,較大摻量下試樣應變具有更強的延塑性變形特征。在圍壓10 MPa下,試樣殘余應力下降段相比單軸荷載下更緩,圍壓增大了瀝青混凝土延塑性變形能力,該圍壓下摻量4%、5%的試樣具有更顯著的高應變低應力變形段。

3.2 溫度熱作用的影響

同理,根據不同溫度下力學試驗組數據,獲得了圖2所示試驗結果。分析可知,溫度改變,試樣承載應力的變化具有階段性逆轉變化特點:當溫度處于100 ℃以下時,溫度愈高,承載應力愈大,如圍壓5 MPa下溫度25 ℃試樣應變0.8%處偏應力為16.8 MPa,而溫度50 ℃、100 ℃試樣同應變下偏應力分別為23.6 MPa、46.5 MPa,具有增幅40.4%、177.2%;而在溫度超過100 ℃后,試樣加載應力水平具有降低特征,甚至溫度150 ℃下試樣加載應力水平低于溫度50 ℃。從峰值偏應力對比即可看出此種階段性變化現象,在圍壓5 MPa下試樣溫度25 ℃的峰值應力為32.7 MPa,而溫度50 ℃、75 ℃下試樣峰值應力分別為38.9 MPa、47.9 MPa,在溫度限定于100 ℃內,瀝青混凝土試樣受熱溫度每遞增25 ℃,則可使之峰值應力增高21.5%,而溫度高過100 ℃后,則試樣峰值應力隨溫度梯次25 ℃變化具有平均降幅21.6%。與之類似,圍壓20 MPa下分別在低于100 ℃與高于100 ℃范圍內分別具有平均增幅12.5%與降幅10.3%。相比之下,圍壓20 MPa下試樣受溫度熱作用影響敏感度低于圍壓5 MPa下,即圍壓增大,不僅對試樣峰值應力提升具有圍壓效應,對溫度熱作用亦有“補償”效應。綜上分析可知,瀝青混凝土試樣受溫度熱作用影響應分為兩類,分別是熱補償與熱損傷效應,前者所處溫度低于100 ℃,后者則超過100 ℃,此種截然相反的變化特征與瀝青混凝土內部晶體顆粒受熱極限有關,當顆粒受熱膨脹至耐熱極限,不僅不會填充孔隙,反而會造成晶體顆粒骨架出現失穩,由此即產生了上述宏觀力學現象[8]。

圖2 溫度熱作用對應力應變特征影響

不論是圍壓5 MPa還是20 MPa,峰值應變隨溫度變化具有無序性,但總體上峰值應變較為接近。圍壓增大,殘余應力的變化具有較“緩和”的特征,整體上應變值亦高于低圍壓下。

4 瀝青混凝土抗剪特征變化

基于瀝青混凝土三軸試驗,獲得了兩個抗剪特征參數與抗凍裂劑摻量、溫度熱作用影響關系[8-9],如圖3所示。

圖3 瀝青混凝土抗剪特征變化

由圖3中黏聚力、內摩擦角影響變化可知,當抗凍裂劑摻量愈多,則試樣抗剪特征參數均為遞減,特別是內摩擦角,在同為溫度25 ℃試驗組中,摻量每遞增1%,混凝土試樣黏聚力、內摩擦角分別具有平均降幅2.8%、10.2%,特別是在溫度100 ℃后,抗剪參數的降幅更為顯著。從溫度熱作用對比來看,其對黏聚力影響效應強于內摩擦角,在抗凍裂劑摻量2%時,溫度75 ℃、150 ℃下黏聚力較之溫度25 ℃分別增長了25.6%、19.9%,而內摩擦角在前者三溫度的對比下增幅分別為9.5%、11.6%。同時,與承載應力一致,溫度熱作用對兩個抗剪特征參數影響均在溫度100 ℃后發生變化。綜合分析可知,兩個抗剪特征參數受抗凍裂劑摻量、溫度熱作用影響具有差異,前者因素對內摩擦角影響更大,而黏聚力受后者因素影響更為敏感。

5 結 論

(1)抗凍裂劑對瀝青混凝土的影響在摻量3%后更為顯著,圍壓10 MPa下摻量未超過3%時,摻量每遞增1%,則峰值應力平均降幅僅為6.6%,而在摻量3%后最大降幅達35.3%;摻量愈多,試樣延塑性變形能力愈強。

(2)以100 ℃為分界點,低于該溫度時,試樣峰值應力隨溫度遞增,圍壓5 MPa下平均增幅為21.5%,而超過該溫度后,峰值應力為遞減變化;圍壓對溫度熱作用有限制效應,對峰值應力有提高作用;應變在溫度熱作用下具有無序性特征。

(3)抗剪特征參數受抗凍裂劑摻量與溫度熱作用影響具有差異性,內摩擦角與前者摻量關聯性更大,而黏聚力受后者影響更大。

(4)結合工程實際,該類型瀝青混凝土抗凍裂劑摻量應控制在3%左右,路面工程環境超過100 ℃時應采用合理降溫措施。