沥青混凝土低温力学特性研究

鲁艳蕊

沥青混凝土低温力学特性研究

鲁艳蕊

河南财政金融学院, 河南 郑州 451464

我国北方冬季时间长气温低，严重影响了沥青混凝土的铺设和使用。基于此，制备了沥青混凝土样品，测试了不同低温影响下样品的抗拉强度和抗弯强度，分析了低温影响下沥青混凝土抗拉强度和抗弯强度的变化规律。研究结果表明：随着温度的降低，沥青混凝土的劈裂抗拉强度出现了先升高后减小，破坏应变逐渐减小，破坏劲度模量逐渐增大；沥青混凝土的弯拉破坏强度在10~-10 ℃随温度的降低而增大，在-10~-30 ℃随温度的降低而减小。

沥青; 混凝土; 低温力学

目前已通车的高速公路中，沥青路面占比超过80%[1]。我国北方受西伯利亚寒流影响，冬季持续时间长，温度低[2]。温度是沥青混凝土铺设和使用的重要影响因素，低温会引起沥青混凝土的抗压强度和抗拉强度不同程度上的改变，进而降低沥青混凝土路面的使用寿命[3]。因此，研究低温影响沥青混凝土的物理力学特性具有十分重要的意义[4]。其中，乔英娟[5]、吴金荣[6]、陈国彦[7]等学者分别研究了低温沥青混凝土抗拉强度、抗压强度和抗弯强度等力学特性。在上述研究的基础上，本文针对我国北方的特殊气候特征，制备了沥青混凝土样品，分别测试10~-30 ℃条件下的抗拉强度和抗弯强度等力学特性，分析聚酯纤维掺量对沥青混凝土力学特性的影响规律。本文的研究成果可为我国北方冬季沥青路面施工提供理论基础。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

试验材料由粗集料、矿粉和沥青组成。粗集料采用石灰岩碎石，其基本参数如表1所示；矿粉采用石灰岩矿粉；沥青的基本参数如表2所示。

表 1 粗集料的基本参数

表 2 沥青的基本参数

1.2 试验方法

式中，f为劈裂抗拉强度；为破坏荷载；为试件高度；x为水平变形；y为铅垂变形；为泊松比；ɛ为劈裂破坏应变；S为劲度模量。

轴心抗拉强度测试采用文献[10]中的试验方法改进试验仪器，抗拉强度的表达形式为：

式中，f为轴心抗拉强度；为试件截面积。

式中，R为弯拉强度；P为破坏荷载；为试件跨中断面宽度；为试件破坏时的跨中挠度；为跨距ɛ为弯拉破坏应变；S为劲度模量。

2 沥青混凝土的低温力学特性

2.1 劈裂试验

不同温度下沥青混凝土的劈裂试验结果如表3和图1所示。可以看出：

（1）随着温度的降低，沥青混凝土的劈裂强度出现了先升高后减小的变化规律。即，沥青混凝土存在一个脆化转变点温度-10 ℃，当外界温度高于-10 ℃时，随着温度的提高，沥青混凝土的劈裂强度迅速下降；当外界温度低于-10℃时，随着温度的降低，沥青混凝土的劈裂强度缓慢下降。分析原因在于，沥青混凝土的劈裂强度主要由混凝土集料的嵌挤力、内摩阻力、抗剪强度等决定；当温度降低时，沥青的黏度升高，沥青与集料间的粘聚力逐渐增大，沥青混凝土的劈裂强度升高；但另一方面，温度降低会使得沥青的力学性能逐渐由黏性向黏弹性、弹性、脆性转变，导致温度低至脆化点温度时，沥青混凝土在劈裂荷载作用下发生脆性断裂破坏，其劈裂强度又逐渐降低。

（2）随着温度的降低，沥青混凝土的破坏应变逐渐减小，并且其与温度大致呈线性衰减关系。原因在于，沥青的黏聚力会随着温度的降低而逐渐升高，导致沥青混凝土在劈裂过程中产生的竖向和水平变形都要相对较小，因而其破坏应变自然就小。

（3）随着温度的降低，沥青混凝土的破坏劲度模量逐渐增大，其中，温度高于脆化点温度时，沥青混凝土破坏劲度模量随温度降低增长快速；而当温度低于脆化点温度，沥青混凝土破坏劲度模量则随温度降低增长平缓。原因是，沥青混凝土的破坏劲度模量与劈裂破坏荷载呈正相关，而与破坏应变反相关；当温度高于脆化点时，沥青混凝土劈裂荷载增大而破坏应变却减小，因此其破坏劲度模量增长迅速；而当温度低于脆化点时，沥青混凝土劈裂荷载减小的速率要小于破坏应变的减小速率，因此其破坏劲度模量增长平缓。

由上可知，采用脆化点来衡量沥青混凝土的低温抗裂性能要比用破坏应变和破坏劲度模量更为合理，建议推广使用。

表 3 不同温度下沥青混凝土的劈裂试验结果

图 1 沥青混凝土劈裂抗拉强度和破坏劲度模量随温度的变化曲线

图 2 沥青混凝土的轴心抗拉强度和轴向应变随温度的变化曲线

2.2 轴心抗拉试验

直接拉伸作用下沥青混凝土的轴心抗拉强度和轴向应变随温度的变化曲线如图2所示。由图可知，沥青混凝土的轴心抗拉强度随温度的变化规律与其劈裂抗拉强度随温度的变化规律保持一致；即，随着温度的降低，沥青混凝土轴心抗拉强度会在温度大于-10 ℃时表现为逐渐增大，而在温度小于-10 ℃时表现为逐渐减小。主要原因在于：一方面沥青与混凝土集料间的黏聚力会随着温度的降低逐渐变强；但另一方面，沥青与集料因线膨胀系数不一致，导致沥青与集料间的温度应力会随着温度的降低而逐渐升高。当温度大于-10 ℃时，随着温度的降低，沥青与集料间粘聚力的增长速度要强于温度应力，此时，试件在拉伸后的断口破裂形态表现为较多的骨料被拉断；当温度小于-10 ℃，随着温度的降低，虽然沥青与集料间的黏聚力也在逐渐增强，但沥青与集料间产生的温度应力要更大，导致沥青与集料界面间产生微小的裂纹，其轴心抗拉强度降低，此时，试件在拉伸后的断口破裂形态表现为骨料与沥青界面的分离。对比沥青混凝土在不同温度下的轴心抗拉强度f和劈裂抗拉强度f，如图3所示。可以发现，f和f在不同温度下表现出良好的线相关性：f=0.1+1.95f，即，沥青混凝土的劈裂抗拉强度约是其轴心抗拉强度的1.95倍。

2.3 弯曲试验

不同温度下沥青混凝土的弯曲试验结果如表4和图4所示。可以看出：

（1）由于沥青的力学性能在温度从10 ℃降低至-30 ℃的过程中会从黏弹性向塑性转变。因此，当温度高于-10 ℃时，沥青混凝土将发生弯曲塑性破坏，其荷载-挠度曲线与应力-应变曲线会出现明显的下降段，温度越低，处于黏弹性阶段的沥青混凝土的强度越高，其破坏荷载和抗弯拉强度值就越高；当温度低于-10 ℃时，沥青混凝土将发生弯曲脆性破坏，其荷载-挠度与应力-应变曲线没有明显的下降段，温度越低，沥青的脆性特征越明显，相应地沥青混凝土的破坏荷载和抗弯拉强度就越小。可见，-10 ℃是沥青混凝土发生脆性或黏弹性破坏的分界点温度。

（2）由于沥青混凝土在温度高于-10 ℃时表现为黏弹性，在温度低于-10 ℃表现为脆性，因此，随着温度降低，沥青混凝土在温度高于-10 ℃，其弯曲破坏挠度减小幅度较大，在低于-10 ℃，其弯矩破坏挠度减小幅度较小。从整体上看，沥青混凝土的弯曲破坏挠度与降低温度呈指数衰减关系。

（3）根据沥青混凝土弯曲劲度模量的计算公式可知，其值大小与破坏荷载和破坏应变直接相关，因此，当温度高于-10℃时，沥青混凝土的弯曲劲度模量随温度降低，其增大幅度较大；而当低于-10℃，沥青混凝土的弯曲劲度模量随温度降低，其增大幅度减小。对比沥青混凝土的劈裂劲度模量和弯曲劲度模量可知，沥青混凝土通过弯曲试验得出的劲度模量值要大于劈裂试验，两者相差约0.3~1倍。

表 4 不同温度下沥青混凝土的弯曲试验结果

图 3 沥青混凝土劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度的关系

图 4 沥青混凝土抗弯拉强度与弯曲劲度模量随温度的变化曲线

3 结论

（1）随着温度的降低，沥青混凝土的劈裂抗拉强度出现了先升高后减小，破坏应变逐渐减小，且与温度大致呈线性衰减关系，破坏劲度模量逐渐增大。

（2）沥青混凝土的轴心抗拉强度随温度的减低先升高后减小，破坏应变随温度减低逐渐减小；轴心抗拉强度与劈裂抗拉强度存在良好的正线性关系。

（3）沥青混凝土的弯拉破坏强度在10~-10 ℃随温度的降低而增大，在-10~-30 ℃随温度的降低而减小；弯曲进度模量随温度的减小而增大，在10~-10 ℃增幅较快，在-10~-30 ℃增幅较慢。

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Study on Cryogenic Mechanical Properties of Asphalt Concrete

LU Yan-rui

451464,

The long time and low temperature in winter in north China seriously affect the laying and use of asphalt concrete. Based on this, asphalt concrete samples were prepared. The tensile strength and bending strength of samples were tested under the influence of different low temperatures. The influence law of low temperatures on the tensile strength and bending strength of asphalt concrete was analyzed. The results show that: With the decrease of temperature, the splitting tensile strength of asphalt concrete increases first and then decreases, the failure strain gradually decreases, and the failure stiffness modulus gradually increases. Flexural fracture strength of asphalt concrete in 10 ~ -10℃ increases with the decreasing of temperature, in -10 ~ 30 ℃ decreased with the decreasing of temperature.

Asphalt; concrete; cryogenic mechanics

TU528.01

A

1000-2324(2019)02-0277-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.023

2018-04-02

2018-05-25

鲁艳蕊(1983-),女,硕士,讲师,主要研究方向为建筑节能技术，建筑材料研究. E-mail:zsbq@163.com