有机物改性沥青混凝土力学特性试验研究

陈 晓

（扬州天达建设集团有限公司，江苏 仪征 211414）

0 引言

沥青混凝土材料具有良好的耐久、耐磨等特点，同时承载能力能够满足工程设计需求，在建筑、交通、市政等工程中应用较广泛。但不可忽视的是，由于工程环境差异性，常规沥青混凝土材料无法有效满足工程安全性要求，故需要对沥青混凝土材料开展改性设计。高勇[1]、常海波[2]采用颗粒流计算方法，从离散元解析角度开展沥青混凝土材料的力学特征分析，探讨不同荷载下离散元模型应力、应变影响特性。刘元德等[3]、王红梅等[4]采用室内试验方法，开展单轴、三轴等力学加载，根据试验数据结果评价沥青混凝土材料的力学特征变化，丰富了沥青混凝土材料工程应用参考成果。本文针对扬州市普通国省道路面沥青混凝土材料特点，对掺有机物的沥青混凝土材料力学特征进行试验分析，对实际工程的混凝土材料改性设计与应用具有参考价值。

1 工程概况

2022年入夏以来，由于辖区持续出现高温天气，道路热毁病害频发，多路段出现车辙病害，危及车辆行驶安全，亟需对车辙路段进行处治。扬州市普通国省道路2022-L1标段作为辖区内主要的物流通道，在公路网中占据主干地位和起到主导作用，主要干线公路等级为一级公路，双向四车道，设计车速为80km∕h，全路面均采用沥青混凝土材料，但该路段交通量大且重载车辆比例增长迅速，同时该地区夏季温度较高，在重车荷载和长时间高温天气的作用下，沥青面层出现了严重的车辙损坏。为提高公路运营期使用寿命与耐久性，需对老路进行针对性的车辙处治，才能恢复路面使用性能。根据设计部门调查得知，在工程现场对原设计方案中的沥青混凝土材料及力学性能实测对比，发现该混凝土强度在高温作用下，力学特性出现显著劣化现象；单轴加载破坏后的混凝土试样均出现了明显宏观大裂纹；在往复交通荷载测试下，该类型混凝土材料的疲劳寿命次数稳定在2～3×107次。总体上分析可知，国省干线公路原方案中的沥青混凝土材料实质上无法较好满足工程设计需求，因而有必要对其进行改良设计，从而满足工程设计荷载和使用寿命要求。

2 试验设计

为确保沥青混凝土材料承载能力匹配工程实际，在调研相关工程案例基础上，提出采用有机物掺合料设计方法，调节沥青混凝土内部颗粒孔隙、骨架结构状态。因此，在出现病害路段处取样，原始沥青混凝土材料基质沥青粘度为340mPa·s。经室内初始物理力学参数测试，其密度为2.68g∕cm3，并进行试样重塑，与有机物掺合料混合制样，所选用的有机物掺合料原材料为橡胶粉，有助于提高交通路面耐久性。图1为重塑后掺有机物沥青混凝土试样，其径高比均为1∕2，但掺量各有差异，分布为0.5%～3.0%，对所有试样均进行了平整打磨处理，确保试样初始物理特征满足力学试验要求。

图1 重塑后有机物沥青混凝土试样

另一方面，力学试验设备是衡量试验结果可靠性的关键因素，本文采用TMC-1000多场耦合混凝土力学平台进行试验设计，如图2所示，该试验装备配置有高温热环境模拟箱、荷载测量与加载装置、位移数据测量与回传装置以及中控系统等部分，可实现最高温度300℃试验环境模拟，位移传感器装置最大量程为-20～20mm，本试验中所采用LVDT位移量程为-10～10mm，精度可达0.1%，荷载量程最大至1000kN，所有传感器与测量装置在试验前均进行了误差标定，减少试验设备对试验结果干扰性。

图2 混凝土力学试验平台

本试验中沥青混凝土承载力影响因素分为有机物掺量与高温热环境，前者掺量因素梯次设定为0（原状沥青混凝土）、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%，后者高温热环境主要研究的是沥青混凝土材料热力场耦合下力学特征影响变化，温度分别设定为25℃、75℃、125℃、175℃、225℃、275℃，每个温度组下加温、恒温试验不少于2h。为便于分析热力耦合场力学变化，设定三轴力学试验，围压分别为5MPa、10MPa、20MPa，试验设计参数如表1所示。

表1 试验组设计

3 有机物掺量对混凝土力学影响

基于有机物掺量组力学试验结果，经数据处理获得了典型围压5MPa、20MPa下试样应力应变特征，如图3所示。从图3应变发展过程不难看出，不同围压，峰值应力后应变发展有所差异：围压5MPa下各试样峰值应力后均具有应力下降并逐步增长至残余应力段，峰值应力前的应变占试样总应变较低；而在围压20MPa下，当各试样加载应变超过1.69%后，应变均出现了快速发展、应力维持稳定状态的应变硬化特征。上述两围压下不同有机物掺量试样的应变发展特点仍保持一致，即有机物掺量对混凝土试样应变破坏特征影响效应弱于围压作用。

图3 有机物掺量影响下试样力学特征

对比有机物不同掺量下试样应变特征，同一围压下各试样峰值应变基本接近，围压5MPa下稳定在1.05%，且围压5MPa下峰值应力前应变占比为38.5%，围压20MPa下应力稳定段应变增长占总应变的80%以上。由此分析可知，有机物掺量对试样应变影响较小，同一围压下试样应变值、应变趋势均保持一致性。

在掺量梯次递增过程中，试样应力水平亦增长，但承载应力的增长并不是梯次稳定的，而是逐步减弱，特别是在有机物掺量1.5%后，应力水平增幅较小。以围压5MPa为例，选取峰值应力为衡量参数，原状沥青混凝土试样峰值应力为16.1MPa，而掺量0.5%、1.5%、2.5%3个试样峰值应力较之前者分别提高了38.5%、113.3%、152.7%，而掺量2%、3%下峰值应力分别为37.9MPa、41.7MPa，较之掺量1.5%下分别仅增长了10.2%、21.2%。对比来看，在掺量从0递增至1.5%，试样峰值应力平均增长了28.9%，分布于22.4～34.4MPa，而在掺量2.0%～3.0%递增过程中，峰值应力平均增幅仅为6.7%。综合力学数据对比可知，有机物对沥青混凝土承载应力促进作用为逐次减弱，控制有机物掺量[5]，更能确保沥青混凝土具有最佳承载水平。

4 高温热环境对混凝土力学影响

同理，基于高温热作用试验组数据处理，获得温度参数与沥青混凝土试样力学特征关联性，如图4所示。

图4 高温热作用影响下试样力学特征

由图4可看出，同一围压下，试样应力应变具有两种类型：第一种峰值应力后快速下降，不出现残余应力段，峰值应力后的应变占比也较少，此种类型以温度25～125℃下最为典型；第二种为峰值应力后应力缓慢下降、应变逐步增长的特征，峰值应力后应变占总应变的75%～80%，该类型试样试验温度多为175～275℃。由力学曲线对比可知，在试验温度较低时，沥青混凝土试样具有较强的应变脆性，峰值应力后的破坏过程呈“短、快”特点，而试验温度愈高，沥青混凝土试样内部晶体颗粒耐热性逐步下降，体积发生膨胀，挤压内部裂隙空间[6-7]，即使在峰值应力后，也仍能维持一定承载应力水平，应变继续扩大。

当同一围压下，试验温度愈高，沥青混凝土承载应力愈大，在围压5MPa 下，温度25℃试样的峰值应力为21.5MPa，而温度125℃、175℃、275℃下3个试样峰值应力较之前者分别提高了42.1%、64.3%、119.6%，试样峰值应力增长较稳定，该围压下，温度每递增50℃，则试样峰值应力平均可增长17.1%；而在围压10MPa下，试验温度25～275℃各试样峰值应力分布于23.1～90.2MPa，较之围压5MPa下增长了7.4%～91.3%，随温度每梯次递增50℃，该围压下峰值应力平均增幅为36.9%。由此表明，围压增大，不仅整体上峰值应力水平得到提高，且峰值应力受试验温度影响敏感性也增强。由此可知，沥青混凝土试样在高温作用下，会叠加围压效应，耦合形成正向促进承载应力水平的现象。

5 结束语

（1）同一围压下，不同有机物掺量试样应变发展特征类似，围压作用对应变破坏特征影响高于有机物掺量；掺量递增，试样承载应力增长，但在掺量1.5%后，增幅减弱，围压5MPa下，掺量从0递增至1.5%，峰值应力平均增长了28.9%，而掺量2.0%～3.0%递增时，峰值应力平均增幅仅为6.7%。

（2）温度25～125℃下，试样峰值应力后出现快速应力下降、应变占比也较少，而温度175～275℃时，峰值应力后应力缓慢下降、应变逐步增长；试验温度愈高，试样承载应力愈大，围压5MPa、10MPa下，温度每递增50℃，则试样峰值应力分别平均可增长17.1%、36.9%。