基体沥青混合料空隙率对复合混凝土黏弹特性的影响

王东升，陈振鸿，王亚彬，张 瑞

(哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

0 引 言

随着社会现代化进程的推进，道路建设技术也日新月异。纵观现有的路面铺筑类型，其主要划分为沥青路面和水泥混凝土路面两大类。然而这两种路面类型由于本身建筑材料的特点，温度的影响均会造成一定的路面破坏形态。如沥青路面虽具有良好的行车舒适性，但由于沥青混合料本身固有的黏弹力学特性，在高温条件下易出现车辙病害。而水泥混凝土路面，虽然具有很高的强度和刚度，但由于变形能力不足而需要设置接缝，不但直接影响行车舒适性等使用品质，而且在重载的振动或冲击作用下，基层或路基不均匀路段、收费场站、服务区等部位的混凝土面层频发断板或角隅断裂，进而引发路面抗冻耐久性和稳定性不足的严重破坏。因此，寻求一种黏弹性性质适应路面温度变化范围的路面材料意义重大。该材料在高温条件下应具有较好的弹性特征而使路面不致出现车辙，同时在低温条件下又有一定的应力松弛能力而使路面不致出现低温缩裂现象，即克服刚性路面和柔性路面两者的缺点。综合两者的优点，复合混凝土材料即为满足这一性能要求的新型路面材料。

复合混凝土是一种在大空隙基体沥青混合料中灌入特种水泥浆料所形成的新型路面材料，通过水泥浆料对沥青混合料大空隙的填充，可实现刚柔并济的设计目标。其材料强度则通过骨料之间的相互嵌挤和灌注的水泥浆料所提供[1-2]。

复合混凝土技术自20世纪50年代产生以来，各国相继对其施工工艺、力学性能特点及其路面结构设计计算方法等进行了大量的研究，均证明该材料具有较好的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性及其他一些路用性能[3-6]，且满足刚柔并济的设计目标，特别适用于道路交叉口、收费站、公交站点及公路上坡路段等车辆重载或慢行位置。然而现有的研究成果仅在一定的级配条件下从独立的高温稳定性[7]、低温抗裂性[8]等路用性能的表征试验证明复合混凝土的路用性能均较好，如高温车辙试验、低温弯曲试验等。由复合混凝土的结构组成特点可知其性能更偏向于沥青混合料。因此采用试验黏弹力学的方法系统深入研究其路面性能的变化更具有实际意义。

为了更加全面的认识该种材料的优良高低温路用性能，笔者开展了基体混合料空隙率对复合混凝土黏弹性能影响的研究，分别选择22%、25%、28%共3种空隙率研究其黏弹性能随基体沥青混合料空隙率的变化规律。选择动态模量、弯曲蠕变及静载压缩蠕变试验。先由动态模量试验得到各空隙率下的动态模量主曲线，表征复合混凝土在一个宽温度域的动态黏弹性能，其后通过弯曲蠕变试验、单轴静载蠕变试验分别具体表征低温抗裂性能和高温稳定性能随空隙率的变化，对主曲线得到的规律进行进一步验证。

1 基体沥青混合料配合比及试件成型工艺

研究所使用石料为石灰岩，基体结合料为SBS改性沥青，灌浆料采用特殊高流动度水泥。参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》开展沥青针入度试验、延度试验和软化点试验，参照JTG E42—2005《公路工程集料试验技术规范》测试集料密度和含水率。原材料性能测试结果如表1～表3，测试结果表明原材料的各项指标均满足规范要求。基体沥青混合料在3种目标空隙率下的配合比如表4。

表1 SBS改性沥青3大技术指标测定结果Table 1 Testing results of three technical indicators of SBS modified asphalt

表2 粗集料技术指标Table 2 Technical indicators of coarse aggregate

表3 细集料、矿粉表观密度Table 3 Apparent density of fine aggregate and mineral powder

表4 3种目标空隙率下的基体混合料配合比Table 4 Matrix mix ratio under three target void ratios

参考日本复合混凝土规范《アスファルト铺装工事共通仕様書解说》中关于水泥浆料的规定，水泥浆料需满足表5的技术要求。试验采用水灰比为0.34的水泥净浆，其指标测试结果如表5，各项指标均满足要求。

表5 复合混凝土路面用水泥浆体性能要求及测试结果Table 5 Performance requirements and test results of cement paste for composite concrete pavement

动态模量试验采用直径为100 mm、高度为150 mm的圆柱体试件；弯曲蠕变试验则采用尺寸为250 mm×30 mm×25 mm的棱柱体小梁；单轴静载蠕变试验试件则由直接成型的直径为100 mm、高度为150 mm的圆柱体试件得到。在基体沥青混合料成型完成后，采用灌注水泥浆料的方法成型最终复合混凝土试件，试件灌浆工艺如下：

1)灌浆前处理：用透明塑料袋将试件均匀包裹，塑料袋重叠适量，保证灌浆过程的观察，然后用胶带将塑料袋四周包装密实。

2)拌制水泥净浆。

3)灌浆：将拌好的净浆倒在试件表面，开启振动台，一边振动一边用工具轻刮试件表面。振动30 s后取下试件，静置2 min，再次进行振动灌浆，保证水泥净浆充满基体沥青混合料试件的空隙。

4)灌浆后处理：灌浆结束后，将试件置于室内，待胶浆快凝固时用工具刮去试件表面多余的水泥浆。

复合混凝土的材料设计方法是保证基体沥青混合料形成目标空隙率下的连通孔，并被水泥浆料完全灌满，故材料的理论剩余空隙为0%。根据实际成型试件的测量，其剩余空隙率均小于1%。

2 复合混凝土基本参数测定

测定成型的复合混凝土试件的基本参数，为后续研究提供基础。测定复合混凝土的空隙率、密度和劈裂强度等物理力学参数，如表6、表7。

表6 复合混凝土物理力学参数Table 6 Physical and mechanical parameters of composite concrete

表7 复合混凝土7 d单轴压缩试验结果Table 7 7-day uniaxial compression test results of composite concrete

3 动态模量试验

动态模量试验用于研究黏弹性材料在动荷载作用下的材料力学响应。在实际的道路使用中，车辆荷载大多数为动荷载形式，因此采用动态模量方法研究复合混凝土的黏弹性力学响应更加符合实际。同时通过动态模量试验可得到材料在不同加载频率、温度下的动态模量值和相位角，以此反映材料在不同条件下的黏弹力学性能特点，用于指导材料设计。

对成型的22%、25%、28%共3种空隙率下的复合混凝土进行动态模量试验，试验温度分别为-10、5、20、35、50 ℃，加载频率分别为0.1、0.5、1、5、10、25 Hz。3种空隙率复合混凝土在不同温度、加载频率下的动态模量、相位角测定结果如图1、图2。

图1 不同条件下复合混凝土动态模量随空隙率的变化Fig. 1 Dynamic modulus of composite concrete changing with different void ratios under different conditions

图2 不同条件下复合混凝土相位角随空隙率的变化Fig. 2 Phase angle of composite concrete changing with different void ratios under different conditions

根据不同条件下复合混凝土动态模量值随基体沥青混合料空隙率的变化(图1)可知：

1)在一般的温度范围内，复合混凝土符合黏弹性材料的一般特性，即材料力学响应具有显著的时温依赖性，故在评价复合混凝土的路用性能时采用偏向于沥青混合料的黏弹性试验方法是正确的。

2)在低温条件下，VV=25%的复合混凝土的动态模量值最小；随着温度的升高，3种空隙率复合混凝土的动态模量值逐渐接近；到高温条件下，复合混凝土的动态模量随空隙率的增大而增大。根据动态模量值的上述变化，可知25%空隙率复合混凝土的高温稳定性及低温抗裂性均较好。

由不同条件下复合混凝土相位角随基体沥青混合料空隙率的变化(图2)可知：

1)当温度低于20 ℃时，相位角随加载频率的增大而减小；当温度为35 ℃时，相位角随加载频率的增大先增大后减小；当温度高于50 ℃时，相位角随加载频率的增大而增大。其相位角的变化规律与普通沥青混合料的变化规律相同。

2)VV=25%的复合混凝土在低温条件下具有较大的相位角，而在高温条件下具有相对中等的相位角，表明其在低温环境下具有较好的黏性特性同时在高温环境下具有一定的刚度，故从相位角角度证明其低温抗裂性及高温稳定性均较好。28%空隙率复合混凝土在各个温度下均具有较小的相位角，因而其具有较好的高温稳定性能，其低温抗裂性相对较差。22%空隙率复合混凝土由于沥青含量最高，其在-10 ℃温度下具有中等的相位角，而其他温度下均具有较大的相位角，因而相对其他两种空隙率复合混凝土，其高低温性能最差。普通沥青混合料动态模量主曲线可以用Sigmoidal数学模型[9]表示，如式 (1) ：

(1)

式中：a、b、c、d为模型参数；G*为材料的复数模量；f为修正模量，Hz；lgf=lgf0+lgαT，f0为对应每种温度下的试验频率，Hz；αT为移位因子。

采用式(1)进行复合混凝土动态模量主曲线的合成。其中相应各空隙率下的移位因子如图3。

图3 复合混凝土3种空隙率下的移位因子Fig. 3 Shift factor of composite concrete with three kinds of void ratios

通过移位因子求得复合混凝土3种空隙率下的主曲线、动态模量主曲线如图4、图5。

图4 不同空隙率复合混凝土主曲线Fig. 4 Main curve of composite concrete with different void ratios

图5 3种空隙率复合混凝土的动态模量主曲线Fig. 5 Dynamic modulus main curve of composite concrete with three kinds of void ratios

相应3种空隙率下复合混凝土主曲线的模型参数如表8。

表8 复合混凝土主曲线模型参数Table 8 The main curve model parameters of composite concrete

由图4～图5可知，当加载频率大于10 000 Hz时，25%和28%空隙率复合混凝土动态模量逐渐趋于定值，而22%空隙率复合混凝土动态模量仍保持线性增长趋势。可见，22%空隙率下的复合混凝土其黏弹性变化要显著于25%、28%空隙率下的复合混凝土。

4 弯曲蠕变试验

弯曲蠕变试验用于测定复合混凝土试件在规定温度和加载应力水平条件下弯曲蠕变的应变速率，通过蠕变速率这一黏弹性参数表征复合混凝土的低温抗裂性能。现有的关于复合混凝土低温性能的研究成果各不相同，为了明确复合混凝土的低温性能变化规律，根据我国路面的温度范围，选择弯曲蠕变试验温度为0 ℃和10 ℃。

4.1 弯曲试验

由于复合混凝土组成成分包括呈弹性的水泥浆料，为了更深入的体现复合混凝土的性能，在进行弯曲试验时，选择加载速率为2 mm/min而非规范规定的50 mm/min，原因在于在50 mm/min的加载速率下试件的破坏过于迅速并难以控制其数值的准确性，最终通过试验测试选择加载速率为2 mm/min。通过弯曲试验测得3种空隙率复合混凝土在0 ℃及10 ℃条件下的抗弯拉强度如表9。

表9 3种空隙率复合混凝土在0 ℃和10 ℃下的抗弯拉强度Table 9 Flexural tensile strength of composite concrete with three kinds of void ratios at 0 ℃ and 10 ℃

4.2 弯曲蠕变试验

对成型的3种空隙率下的复合混凝土棱柱体试件按应力比为0.1进行蠕变试验，蠕变时间为1 h，测定0 ℃和10 ℃条件下弯曲蠕变速率随空隙率的变化。试验结果如图6。

图6 复合混凝土弯曲蠕变速率随空隙率及温度的变化Fig. 6 Variation of bending creep rate of composite concrete changing with void ratio and temperature

由图6可知：

1)在0 ℃及10 ℃条件下，复合混凝土的弯曲蠕变速率随着空隙率的增大而减小。当空隙率从22%增加到28%时，在0 ℃时其蠕变速率下降45%，在10 ℃时其蠕变速率下降66%。结合相位角的测定结果(图2)可知，在0～20 ℃的温度范围内，复合混凝土的弹性特征随着空隙率的增大而增大，而黏性特征随空隙率的增大而减小，故其蠕变速率随空隙率增大而减少。

2)随着温度的升高，各空隙率下复合混凝土的蠕变速率均增加。当温度升高10 ℃，空隙率22%时增长约2倍，空隙率25%时增长约1.4倍，空隙率28%时增长约1.2倍。由此也可证明，随着空隙率的增大，复合混凝土的弹性性能逐渐增强，黏性性能逐渐减弱。

5 高温单轴压缩静载蠕变试验

单轴压缩静载蠕变试验用于测定复合混凝土在高温条件下的压缩蠕变性能，以此反映复合混凝土的高温黏弹性能。

在进行蠕变试验之前先测定试件的在设定温度条件下的抗压强度，再按应力比为0.1进行蠕变试验[10]。选择试验温度为50 ℃，3种空隙率复合混凝土在50 ℃下的抗压强度结果如表10。

表10 复合混凝土50 ℃抗压强度随空隙率的变化Table 10 Compressive strength of composite concrete changing with different void ratios at 50 ℃

根据强度测定结果按应力比为0.1进行蠕变试验，蠕变时间设定为1 h。压缩蠕变速率随空隙率的变化情况如图7。

图7 复合混凝土高温蠕变速率随空隙率的变化tFig. 7 Creep rate of composite concrete at high temperature changing with different void ratios

由图7可看出，在高温条件下，复合混凝土的压缩蠕变速率随空隙率的增加大致呈线性减少趋势。可见，复合混凝土的高温稳定性与基体混合料的空隙率变化呈负相关，同时验证了动态模量试验得到的结果。

6 结 论

1)验证了复合混凝土符合黏弹性材料的一般特点，可采用偏向于沥青混合料的黏弹性方法研究其性能特点。

2)复合混凝土的黏弹性能与基体沥青混合料的空隙率密切相关。在低温条件下，空隙率为25%时的黏性最大，22%空隙率次之，28%空隙率最低；在高温条件下，22%空隙率时的黏性最大，25%空隙率次之，28%最低；而在中温条件下，22%空隙率的黏性最大，28%次之，25%最低。综上，25%空隙率复合混凝土具有较好的高温稳定性和低温抗裂性。

3)在0、10 ℃时，复合混凝土的弯曲蠕变速率均随空隙率的增大而减小，温度越高，其减小速度越快。从黏弹性能方面表征了复合混凝土低温抗裂性能的变化规律。

4)在50 ℃时，复合混凝土的单轴压缩蠕变速率随空隙率的增加呈线性减小趋势。从黏弹性能方面表征了复合混凝土高温稳定性能的变化规律。

5)笔者仅从基体沥青混合料的影响方面研究复合混凝土的黏弹性能特点。后续研究可更深入研究其他材料组分、结构组成等对其黏弹性能的影响。