沥青混凝土中粗集料影响实验研究*
2014-01-18陈洪凯
叶 永 陈洪凯
(重庆交通大学土木建筑学院1) 重庆 400074) (三峡大学水利与环境学院2) 宜昌 443002)
0 引 言
沥青混凝土是高等级公路路面主要材料,其性质决定了沥青路面的使用性能.胶浆理论认为[1-2]:沥青混凝土是由基质相和分散相组成的结构体系,其中填料(粒径小于0.075mm)、细集料(粒径在2.36~0.075mm)、粗集料(粒径大于2.36mm)可看成3种分散相,而纯沥青看做基质相.这样沥青混凝土可以认为由集料分散相、沥青基质相和空隙组成的三相复合体系[3].三相成分不同、性质各异、相互作用机理复杂.
混凝土中集料有粗细之分,且体积含量大,颗粒个数多,分布特征广[4],在力学分析中不可能全部考虑,为了简便,常常采用两步法[5-6]:根据粒径将骨料划分为粗骨料和细骨料两类,并且数量庞大的细骨料和沥青基质放到一起,组成一种被认为力学性质均匀的沥青砂材料,作为基质相,而粗骨料则作为增强相(分散相),把沥青混凝土看作是由沥青砂和粗骨料2种材料组成的两相复合体.在前期,笔者对沥青砂力学特性进行了研究,得出了一些有益结论[7-10],在此基础上,进一步研究粗集料的影响,为沥青混凝土结构组成分析及力学性能研究奠定基础.
1 粗细集料尺寸界定
要研究粗集料影响,粗细集料的正确划分成为问题关键.目前存在3种划分:(1)Zhu,Nodes将粗、细集料断面尺寸分界定义为1.18mm(通过16#筛孔),认为沥青混凝土中每个粗集料颗粒外裹了一层沥青结合料,而沥青结合料由细集料和沥青基质组成;(2)Bandyopadhyaya等在利用数值模型预测沥青混凝土力学行为时,由于小于或等于2.36mm集料在断面图像观察中没有区别,即把2.36mm及以下作为细集料处理,这样,沥青基质、空隙和细集料一起当作一种均匀的粘弹性材料,即沥青砂来处理;(3)第三种划分是基于粗集料考虑更少,以粒径4.75mm为分界线来区分粗细集料.本文在此基础上,进行压缩实验和蠕变实验,与标准级配AC-13C混凝土的力学特性进行比较,分析不同粒径划分的差别,提出粗、细集料的尺寸界定依据.
2 实验设计
为研究粗集料组成对沥青混凝土力学性能影响,依据下列原则进行级配设计:(1)按照AC-13C沥青混凝土的标准级配以及规范规定的级配上、下限进行设计,粗集料与细集料总的质量含量保持不变.即粗、细集料含量比为,标准级配时63.4%∶36.6%,上限级配时76%∶24%,下限级配时50%∶50%;(2)粗集料粒径及配比与对应的AC-13C混凝土相同,但进行改变;(3)细集料组成及配比保持不变;(4)沥青含量保持不变.
根据规范规定的AC-13C混凝土的级配曲线的上限、下限以及实验得到的标准级配分三组,每组又将粗集料分别设计为单一粒径种(9.5~4.75 mm)、2种粒径(13.2~9.5和9.5~4.75mm)、3种粒径(13.2~9.5,9.5~4.75和4.75~2.36 mm)以及4种粒径(16.0~13.2,13.2~9.5,9.5~4.75和4.75~2.36mm),总共设计了12组不同类型级配的沥青混凝土试样.试样尺寸为圆柱体直径100mm×高100mm.具体组成及配比见表1.
表1 沥青混凝土试样设计
进行了压缩实验和蠕变回复实验.压缩实验取加载速率为2mm/min,实验采用2种温度:15℃(低温)和60℃(高温).实验方案见表2.
表2 实验方案设计
3 结果与分析
为定量描述级配对沥青混凝土压缩变形和蠕变变形的影响,引入2个指标:(1)抗压强度.是指最大的抗压应力值;(2)蠕变率.指随时间而变化的应变,通过下式计算
式中:εt为t时刻对应的蠕变应变,ε0为初始蠕变应变.
表3给出了标准级配下4种类型混凝土抗压强度值.结果反映,4种类型混凝土抗压强度的大小次序:MB4>MB3>MB1>MB2,即粗集料为标准级配的MB4混凝土抗压强度最大,设计为两种粗集料(MB2)时对应抗压强度最小.具体而言,在15℃,相对于标准级配MB4,其他3种级配混凝土MB1,MB2和MB3的抗压强度分别下降0.68,1.29和0.58MPa,相对变化率依次为10.7%,20.2%和10.1%,相互之间差距在10%左右;在60℃,相对标准级配MB4,3种级配MB1,MB2和MB3混凝土抗压强度分别下降0.93,1.18和0.42MPa,相对变化率依次为25.8%,32.7%和11.6%,相互之间最大差距超过20%.这些数据反映,就压缩性能而言,将粗集料设计成3种粒径的混凝土类型带来的影响最小,其次是为单一粒径,而设计成2种粒径的影响最大,且温度越高,级配影响越明显.
表3 试样抗压强度值(标准级配)
图1、图2分别给出了标准级配下4种类型混凝土的蠕变实验曲线,采用上述蠕变指标,表4,5给出了计算结果.可以看到,在加载阶段,标准级配混凝土(MB4)具有最好的抵抗变形的能力,粗集料设计成两种粒径的混凝土(MB2)抵抗变形能力最差.在15℃,相对标准级配MB4,3种设计级配的混凝土MB1,MB2和MB3蠕变率值分别提高2、3.66和1.66(10-6/s),约为 MB4混凝土的2.2,3.2和2倍;在60℃,相对混凝土MB4,3种设计级配混凝土的蠕变率值也分别提高了1.33,4和2(10-6/s),约为 MB4的1.2,1.67和1.33倍.数据反映,相对标准级配MB4,不同级配混凝土对应的蠕变率值的变化最大达到了其3.2倍(15℃)和1.67倍(60℃)之多,且相互之间的差别也较大.
图1 标准限级配蠕变实验结果 (15℃)
图2 标准限级配蠕变实验结果 (60℃)
表4 指标计算结果(15℃)
表5 指标计算结果(60℃)
为进一步研究其他级配混凝土中粗集料配比变化造成的影响,表6给出了AC-13C上限级配(对应的粗集料含量多)对应的4种混凝土抗压强度值,图3,4给出了它们的蠕变应变随时间的变化曲线.4种混凝土的抗压强度从大到小:MS3>MS1>MS4>MS2,且最大值超过最小值20%;抵抗蠕变变形能力大小:MS3>MS1>MS4>MS2,对应的蠕变率最大值超过最小值22%,可见,对上限级配,粗集料组成仍然存在较大影响.需说明的是,上限级配的混凝土MS4(含4种粒径的粗集料)并不具备最好的抗变形能力,可能由于在上限级配中采用了标准级配时的沥青含量.相对标准级配,混凝土中粗集料较多,对应集料总表面积减少,导致沥青含量相对过多,这样4.75~2.36mm粒径集料含量较多的混凝土MS3具有更好抗变形能力,产生的蠕变变形最小,而不含4.75~2.36mm粒径集料的混凝土MS2正好相反.可以看出,2.36mm粒径筛孔作用明显.
表6 试样抗压强度值(上限级配)
图3 上限级配蠕变实验结果(15℃)
图4 上限级配蠕变实验结果(60℃)
表7给出了AC-13C型下限级配(粗集料含量少)对应的4种级配类型的混凝土试样的抗压强度值.图5,6给出了它们的蠕变应变随时间的变化曲线,4种级配类型混凝土抗压强度:MX2>MX4>MX1>MX3,且最大值超过最小值50%;抵抗蠕变变形能力:MX2>MX4>MX1>MX3,蠕变率最大值超过最小值42%.因此,和上限级配比较,对于下限级配,粗集料组成和配比对混凝土力学性能有更大影响.下限级配MS4混凝土(含4种不同粒径的粗集料)并不具备最好力学性能,这主要由于在下限级配中采用了标准级配沥青含量,粗集料含量较少造成沥青含量相对较少,这样13.2~9.5mm粒径粗集料含量较多的混凝土MS2具有更好的力学性能,其产生的蠕变变形最小,而混凝土MS3正好相反.
表7 试样抗压强度值(下限级配)
图5 下限级配蠕变实验结果(15℃)
图6 下限级配蠕变实验结果(60℃)
4 结 论
1)通过压缩和蠕变实验,在保证细集料含量不变下,相对级配组成的标准限、上限和下限,改变粗集料组成对沥青混凝土抗压强度和蠕变性能影响较大.说明混凝土性能强烈依赖粗集料组成及配比.
2)4.75~2.36mm的集料含量很大程度决定混凝土中沥青盈余,而4.75mm以上粒径对混凝土中沥青盈余影响并不大.提出以2.36mm来划分粗细集料具有一定的合理性.
3)在进行沥青混凝土结构组成的数值模拟时,对粗集料简化不应轻易进行,简化结果要通过实验加以修正.
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