水工沥青混凝土低温收缩系数的研究

单海超，郝巨涛，刘增宏

（中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038）

1 研究背景

水工沥青混凝土低温收缩系数是沥青混凝土防渗结构温度应力分析中的重要参数。以往的温度应力分析中，无论是水利工程还是道路工程，都将沥青混凝土低温收缩系数作为常数［1-3］。我国的《水工沥青混凝土试验规程（DL/T5362-2006）》［4］也将沥青混凝土的低温收缩系数在初始温度Ti（一般为0℃）和低温值T（一般为-30℃）之间作为常数考虑。国外对沥青混凝土的低温收缩系数曾进行研究，Jones等［5］曾根据沥青混凝土各种组分的体积关系提出了一个估算沥青混凝土的低温收缩系数的公式，该公式也被广泛采用［2，6］。已有研究表明，沥青混凝土低温收缩系数并非常数，而是温度的函数。文献［7］研究认为，在10℃～-30℃的温度区间内，沥青混凝土的低温收缩系数随温度降低而先增加后减小，在0℃附近有最大值，收缩系数约为35×10-6/℃～20×10-6/℃，并得到了沥青混凝土、沥青砂石和沥青碎石不同降温速率下的低温收缩系数-温度曲线。文献［8］的研究也表明，沥青混凝土低温收缩系数是关于温度的非线性函数。相对于道路沥青混凝土，水工沥青混凝土的沥青含量较高。文献［9］研究了不同沥青品种、沥青含量及温度对水工沥青混凝土低温收缩系数的影响，结果表明，沥青品种对低温收缩系数影响较大，沥青含量及升温降温过程的影响较小，同一沥青混凝土不同温度段其低温收缩系数不同，并实测出某一级配的沥青混凝土在5℃～-14.9℃时其收缩系数值为40.8×10-6/℃，在-14.9℃～-35.1℃时其收缩系数值为25.4×10-6/℃，但该文献并没有对沥青混凝土低温收缩系数与温度的具体关系进行深入研究。本文对水工沥青混凝土的低温收缩系数进行试验研究，以期取得了一些有意义的结果。

2 试验方法

试验采用《水工沥青混凝土试验规程（DL/T5362-2006）》［4］中规定的标准方法。沥青混凝土低温收缩系数试验系统由高低温箱、精密数字位移传感器、位移传感器夹具、铟钢棒、石英基准棒和采集系统组成，见图1。

高低温箱：工作室尺寸1000mm×1000mm×1000mm，工作温度范围：+100℃～-70℃，温度不均匀度不大于±0.5℃，降温速度可控制在0～50℃/h范围内。采用的沥青混凝土试件尺寸为200mm×40mm×40mm，试件两侧安装位移传感器，配合采用铟钢棒量测试件的温度收缩位移。精密数字位移传感器量程为30mm，线性度不小于95%，额定输出信号0～2V，分辨率0.01mm/字，工作温度-55℃～70℃，且在该温度范围内的增益温度系数能满足高稳定度和高分辨率的测量要求。铟钢棒尺寸为ϕ8mm×120mm，收缩系数约为1.0×10-6/℃［10］。

沥青混凝土低温收缩试验的关键是在降温过程中，保证采集到的数据仅为试件的位移量。由于铟钢棒、位移传感器及传感器夹具材料都有一定的温度收缩系数，位移量测系统的变形随温度的变化也不可忽略。因此试验之前对量测系统进行了标定。标定采用石英玻璃棒作为基准器，其尺寸为200mm×25mm×25mm，石英玻璃的温度收缩系数约为0.54×10-6/℃［11］。将铟钢棒、位移传感器及夹具安装在石英玻璃基准器上，如图1所示。在降温过程中，量测出位移传感器和夹具随温度变化的位移曲线，并进行曲线回归，将回归关系作为修正曲线S量输入计算机。由于石英玻璃的低温收缩系数为沥青混凝土的1/（15～40），标定中忽略了石英玻璃的变形。标定前，首先在常温下对使用的两个位移传感器进行了标定，结果表明传感器的输出电压值和输入位移值存在线性关系，相关系数均为1.0。经试验测定，S量与环境温度T有关，其温度变化率与温度呈线性关系，ΔS量/ΔT＝［0.0372T（℃）+6.84］×10-4mm/℃。

进行低温收缩试验时，位移传感器给出的变形总量S总由两部分组成，一部分是试件的变形量S试，另一部分是量测系统的变形量S量。将变形总量S总减去量测系统的变形量S量，即可得到试件的变形量S试=S总-S量。

在温度量测方面，试验中采用了两个温度传感器。除将一个温度传感器置于试验试件表面，以量测试件表面的环境温度，同时在高低温箱中另放置一个试件作为伴随试件，将另一个温度传感器插入伴随试件内部，以了解试件内部的温度。试验开始时，在初始温度T0下恒温至少1h，待两个温度传感器的读数相差不到1℃时方可进行降温试验。试验中降温速率为10℃/h，达到要求温度值时需恒温不小于35min，方可记录两个位移传感器的位移读数，并以两个位移传感器读数的平均值为试件位移值。试件的温度收缩系数α按下式计算

式中：α为温度收缩系数，1/℃；ΔS试为试件在温度变化范围内的位移变化，mm；L为位移传感器夹具间的标距，mm；ΔT为温度变化值，℃。

表1 沥青性能指标

为进一步了解试验系统的可靠性，以沥青为试验对象，分别采用本试验系统和DIL 402C热膨胀系数测定仪进行试验，并将结果进行对比。DIL 402C热膨胀系数测定仪的温度范围为-150℃～500℃，温度变化速率0～20K/min，位移量测范围为500～5000μm，读数分辨值为0.125～1.250nm/digit。试验中将沥青制成ϕ6mm×20mm的小圆棒进行试验。采用前述标准试验方法时［4］，将沥青制成200mm×40mm×40mm的棱柱体，按照前述方法测试温度收缩系数。试验中沥青采用克拉玛依水工沥青，其性能指标见表1。

两种方法的温度收缩系数结果见图2，从中可见，在-17℃～-47.5℃范围内，二者基本是吻合的；同时在0℃～-50℃范围内，沥青的温度收缩系数在290×10-6/℃～85×10-6/℃之间变化。

3 沥青混凝土试验结果

本文试验矿料采用某工程的石灰石骨料，沥青混凝土配合比见表2。

按照前述的方法，得到沥青混凝土低温试验结果，见表3，表中温度收缩系数α值根据试验结果按三次多项式分段计算。由于在T=-47℃附近试件应变变动较大，为避免α异常，该处的α值按式（1）线性差值计算。三次试验结果的平均值见表4和图3。从中可以看出，沥青混凝土的温度收缩系数在0℃～-47℃范围内呈非线性变化，在-17℃～-37℃范围内近似呈线性变化。

表2 沥青混凝土配合比

表3 沥青混凝土低温收缩系数

表4 沥青混凝土低温收缩系数

4 试验结果分析

Jones提出的沥青混凝土低温收缩系数公式见下式［5］

式中：α为沥青混凝土的温度收缩系数，1/℃；αAC为沥青的温度收缩系数，1/℃；αAGG为矿料的温度收缩系数，1/℃；VMA为矿料间隙率，矿料间隙率=孔隙率+沥青体积百分比-被矿料吸收的沥青体积百分比，%；VAGG为矿料体积百分比，%；V为沥青混凝土总体积百分比，为100%。

本研究中沥青的温度收缩系数见图2，石灰石矿料的温度收缩系数采用DIL 402C热膨胀系数测定仪测试，结果见表5，其值基本不随温度变化。

表5 石灰石矿料低温收缩系数

经试验测定，表2沥青混凝土的孔隙率VV=0.93%。根据表2可以计算出沥青的体积百分率VA=18.64%，骨料体积百分率VAGG=81.2%。如忽略被矿料吸收的沥青体积，则可以得出沥青混凝土的矿料间隙率VMA=VA+VV=0.196。将这些参数及图2、表5的温度收缩系数代入式（2），可计算出沥青混凝土的低温收缩系数，结果见图4。从中看出公式法与实测结果相差很大，不能反映实际。当温度低至-47℃时，沥青混凝土的低温收缩系数已降至10.1×10-6/K，与石灰石矿料的低温收缩系数已十分接近。

类似的现象也可见于图5的沥青玛蹄脂的对比，实测的低温收缩系数和公式计算的低温收缩系数相差也很大。这些结果表明，在低温温变过程中，沥青与各种矿料的相互作用很强烈，不能简单地用Jones公式进行计算。

5 结语

本文进行了沥青混凝土、沥青玛蹄脂的低温收缩系数试验研究，其结果均随温度的降低而降低。在-15℃～-35℃，沥青混凝土的温度收缩系数随温度的降低近似呈线性变化，在-35℃以下，温度收缩系数随温度的降低趋势逐渐减缓，并逐渐接近矿料的低温收缩系数。同时，由试验方法和Jones公式法［5］得到的沥青混凝土和沥青玛蹄脂的温度收缩系数差别较大，低温时不能采用Jones方法估算这类沥青混凝土的温度收缩系数。

［1］陈敬文.沥青混凝土低温冻断试验［J］.石油沥青，1991（1）：46-50.

［2］Kim Y.Modeling of asphalt concrete［M］.North Carolina：McGraw-Hill Professional，2009.

［3］Rajbongshi P，Das A.Estimation of temperature stress and low-temperature crack spacing in asphalt pavements［J］.Journal of Transportation Engineering，2009，135（10）：745-752.

［4］DL/T 5362-2006，水工沥青混凝土试验规程［S］.

［5］Jones G M，Darte M I，Littlefield G.Thermal expansion-contraction of asphaltic concrete［J］.Proceedings of the Association of Asphalt Paving Technologists，1968，37：56-97.

［6］Marasteanu M O，Li X，Clyne T R，et al.Low temperature cracking of asphalt concrete pavements［R］.Universi⁃ty of Minnesota：Department of Civil Engineering，2004.

［7］沙庆林.高等级道路半刚性路面［M］.北京：中国建筑工业出版社，1993.

［8］Zeng Menglan，H Shields D.Nonlinear thermal expansion and contraction of asphalt concrete［J］.Journal of Civil Engineering，1999.

［9］余梁蜀，王文进，许庆余，等.沥青混凝土低温线收缩系数试验研究［J］.水力发电学报，2006（3）：84-87.

［10］覃卫民，葛修润，朱祚铎，等.CSD-60滑动变形计国产系列化研制［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（11）：2363-2368.

［11］朱绍龙.高强度气体放电灯的钼片-石英玻璃封接［J］.灯与照明，2002，26（6）：17-18.