高温作用下沥青混凝土路用性能分析

2022-05-05索伟

资源信息与工程 2022年2期

索伟

(中铁十九局集团有限公司国际建设分公司，北京 100000)

0 引言

随着海外公路工程建设项目越来越多，来自国外施工企业的竞争也日趋激烈，国外业主对施工进度及质量的要求也更加严格。在公路建设如火如荼的同时，路面病害逐年增加，高温使得沥青路面出现明显的车辙。因此，有必要对沥青混凝土高温后的路用性能进行研究。

近年来，关于高温作用下沥青混凝土的力学特性研究成果颇丰。秦杰等[1]通过室内试验对干湿循环及高温耦合作用下沥青混凝土的性质进行了研究，分析了两因素对沥青混凝土的影响机理。吴玲玲等[2]通过室内试验对3种沥青混凝土的高温路用性能进行了研究，对比分析了三种沥青混凝土的强度、回弹模量及动稳定度的差异。沈凡等[3]采用工业钢渣代替天然集料对沥青混凝土进行了弯曲试验、车辙试验，分析了沥青混凝土的高低温稳定性及水稳性。雷小磊等[4]以水泥作为掺入集料，对不同水泥掺量的沥青混凝土进行了高低温性能试验机沥青混凝土的路用性试验。陈安京[5]基于沥青路面的车辙病害问题，提出了一种温拌高模量沥青混凝土的方法，并对该方法制备好的混凝土进行了路用性试验分析。冯新军等[6]对沥青混凝土进行了温度疲劳试验，对不同温度环境地区的沥青混凝土性质进行了分析。康晓革等[7]对低温地区沥青混凝土抗裂性进行了数值模拟研究，明确了沥青混凝土低温病害机理。包雪巍等[8]针对沥青混凝土路面车辙问题，不同抗车辙剂掺量下的沥青混合料进行了车辙试验研究。王选仓等[9]通过搜集我国寒区沥青混凝土路面高温病害资料，对寒区沥青混凝土路面的高温性能指标进行了研究。陈华梁等[10]针对沿海地区公路所处的特殊地理环境，对沥青混凝土进行了盐分浓度、温度及热循环次数下的试验研究，分析了混合料的动弹模量及相位角的变化规律。高丹盈等[11]通过沥青混凝土温度应力试验，对纤维沥青混凝土的低温力学性质进行了研究，并建立了温度应力的计算模型。

综上，已有研究成果对高温作用下沥青混凝土的力学性质进行了较为详细的研究，但对煤矸石作为粗骨料与高温共同作用下沥青混凝土路用性质的研究相对较少。鉴于此，本文在总结前人研究的基础上，对煤矸石粗骨料沥青混凝土在高温作用下的路用性进行研究，分析温度与煤矸石掺量对沥青混凝土的强度、蠕变变形及动稳定度的影响规律，以期为工程实际提供一定理论依据。

1 试验介绍

本文沥青混凝土所采用的级配类型为AC-13级配，采用I-C型改性沥青，采用玄武岩级配碎石(图1)，油石比为4.7%，并在混合料中加入不同比例的煤矸石，煤矸石粒径大小及颗粒级配与玄武岩相同。沥青参数及煤矸石化学成分见表1。

表1 材料参数

图1 碎石级配曲线

本文沥青混凝土强度性能试验、蠕变性能试验所采用的试件尺寸为80 mm×100 mm(直径×高)的标准圆柱体，可通碾压过的大块沥青混凝土钻芯获取。沥青混凝土的制备方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE—2011)，其中蠕变性能试验的轴压为0.5 MPa，蠕变时间为120 min。动稳定性试验的试件尺寸为300 mm×300 mm×100 mm(长×宽×高)，设置轮压为0.65 MPa，轴向荷载为700 kN，碾压次数为2 500次，沥青混凝土动稳定度计算原理如下：

(1)

式中：DS为沥青混凝土动稳定度；L1为T1时刻的形变量；L2为T2时刻的形变量。

为研究高温作用下掺煤矸石沥青混凝土的路用性能，本文根据已有研究成果，设置煤矸石掺量分别为0、10%、20%、30%，则玄武岩掺量分别为100%、90%、80%、70%。设置温度环境分别为30、40、50、60 ℃，高温环境采用恒温水域进行模拟，将制备好的试件采用防水橡胶密封包裹，按编号放入指定温度恒温水域中，持续时间为12 h。

2 试验结果分析

2.1 强度性能

图2为不同煤矸石粉掺量下，沥青混凝土单轴抗压强度分布曲线。

当煤矸石掺量为0时，沥青混凝土在30、40、50和60 ℃时的单轴抗压强度分别为2.52，2.47、2.33和2.17 MPa；当煤矸石掺量为10%时，沥青混凝土在30、40、50和60 ℃时的单轴抗压强度分别为2.33，2.23、2.15和2.05 MPa；当煤矸石掺量为20%时，沥青混凝土在30、40、50及60 ℃时的单轴抗压强度分别为2.10，2.05、1.91和1.81 MPa；当煤矸石掺量为30%时，沥青混凝土在30、40、50及60 ℃时的单轴抗压强度分别为1.80，1.75、1.67和1.60 MPa；可见，随着沥青混凝土赋存温度逐渐升高，试样内部的沥青混合料逐渐软化，骨料之间的咬合力逐渐减小，承载能力下降，进而导致单轴抗压强度逐渐降低。随着煤矸石掺量的逐渐增加，沥青混凝土的单轴抗压强度同样会逐渐减小，当煤矸石掺量小于10%时，煤矸石掺量对沥青混凝土的单轴抗压强度影响较小，当煤矸石掺量大于10%时，煤矸石掺量对沥青混凝土单轴抗压强度影响显著，此时，单轴抗压强度与煤矸石掺量近似呈线性递减关系。当煤矸石掺量为30%时，试样在30、40、50及60 ℃下的单轴抗压强度分别较掺量为0时减少了28.57%、29.15%、28.33%和26.27%。可见，煤矸石掺量10%为影响沥青混凝土单轴抗压强度的临界点，当煤矸石掺量小于10%时，其在混合料中的承载比重较低，对强度的影响较小；当煤矸石掺量大于10%时，其在混合料中的承载比重升高，对强度的影响显著。

图2 单轴抗压强度分布曲线

2.2 蠕变性能

当轴向荷载为0.5 MPa、蠕变时间为120 min时，沥青混凝土的塑性应变分布曲线如图3所示。

当煤矸石掺量为0时，沥青混凝土在30、40、50及60 ℃时的塑性应变分别为0.71%、0.93%、1.21%和1.71%；当煤矸石掺量为10%时，沥青混凝土在30、40、50及60 ℃时的塑性应变分别为0.95%、1.05%、1.25%和1.75%；当煤矸石掺量为20%时，沥青混凝土在30、40、50及60 ℃时的塑性应变分别为1.28%、1.38%、1.72%和2.32%；当煤矸石掺量为30%时，沥青混凝土在30、40、50及60 ℃时的塑性应变分别为1.55%、1.67%、2.08%和2.76%。可见，随着沥青混凝土赋存温度的逐渐升高，试样的损伤程度逐渐加重，黏塑性特征逐渐显著，进而导致塑性变形逐渐增大。随着煤矸石掺量的逐渐增大，沥青混凝土的塑性应变也逐渐增大。当煤矸石掺量小于10%时，煤矸石掺量对沥青混凝土的塑性应变影响较小；当煤矸石掺量超过10%时，煤矸石掺量对沥青混凝土的塑性应变影响显著，当煤矸石掺量达到30%时，试样在30、40、50及60 ℃时的塑性应变较掺量0时分别增大了118.3%、79.57%、71.90%和61.41%。可见，煤矸石掺量对沥青混凝土的塑性应变具有显著影响，掺量越大，沥青混凝土的承载力越低，进而大致塑性应变越大。

2.3 动稳定性能

煤矸石掺量为10%，不同温度及赋存温度为30 ℃，不同煤矸石掺量下沥青混凝土的车辙试验曲线见图4。受车轮荷载的反复作用，沥青混凝土内部骨料会产生一定程度的横向和轴向位移，进而导致下部沥青同样受到相同作用，如此循环往复，在经过一段时间后，沥青混凝土路面便会形成车辙，且车辙深度逐渐增加。从图中可以看出，不同煤矸石掺量下沥青混凝土在开始的20 min内车辙深度增长较快，而超过20 min后增长速率开始放缓。随着煤矸石掺量的逐渐增加，同一时刻沥青混凝土的车辙深度越大，说明煤矸石沥青混凝土的承载力逐渐减弱。

图4 车辙试验曲线

取试验时间75 min和100 min时的沥青混凝土车辙深度，计算温度为30 ℃、不同煤矸石掺量和煤矸石掺量为10%，不同温度下的动稳定度见图5。由图可知，当赋存温度为30 ℃时，煤矸石掺量0、10%、20%和30%对应的沥青混凝土动稳定度为6 497、6 043、5 799和5 449次/mm；当煤矸石掺量为20%，赋存温度30、40、50、和60 ℃对应的沥青混凝土动稳定度为6 497、6 194、6 089和5 858次/mm，可见，沥青混凝土的动稳定度随赋存温度、煤矸石掺量均呈递减趋势。采用Origin软件对试验数据进行拟合发现，沥青混凝土动稳定度随煤矸石掺量、温度均呈线性函数关系，拟合相关度均在0.95以上。