不同温度环境下路面沥青混凝土弯曲力学特性试验研究.pdf

年 第 期(总第 期)黑龙江交通科技 .(.)道路工程不同温度环境下路面沥青混凝土弯曲力学特性试验研究查志英(扬州天达建设集团有限公司江苏 扬州)摘 要:为研究保定快速公路沥青混凝土在高、低温作用下弯曲力学特性影响变化采用三点弯曲试验方法开展了不同高、低温物理作用影响下油石比力学试验 试验表明油石比超过 后沥青混凝土抗弯应力受之影响增大控制油石比不超过更利于配合比设计 不论油石比如何变化沥青混凝土均具有一定残余弯曲应力 高温作用下沥青混凝土抗弯应力最高为 在低于与超过该温度时抗弯应力分别为递增、递减变化同时高温热作用愈强沥青混凝土延塑性变形为主导愈明显 低温冻结力影响下沥青混凝土在 后抗弯应力增幅减小温度过低并不会对试样抗弯应力产生更显著效果因此路面沥青混凝土应控制在低温 与高温 之间应用确保其抗弯能力最强关键词:温度沥青混凝土力学三点弯曲中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.().:收稿日期:作者简介:查志英()女江苏常州人本科工程师主要从事道路与桥梁工作 引 言沥青混凝土作为一种混凝土衍生类工程材料具有良好耐久性、力学稳定性及工程适配性探讨沥青混凝土材料力学特征有助于推动该类型材料设计、应用水平 沥青混凝土力学特征包括不同状态下压缩、拉伸及弯曲等力学水平其中弯曲力学特征是混凝土工程需要关注的重点 常海波、李富盈为研究沥青混凝土的压缩力学特征设计了室内力学加载试验从室内沥青混凝土试样的宏观力学特征表现探讨其压缩力学水平受配合比、冻融或干湿物理环境的影响 王亮总第 期黑龙江交通科技第 期等、马翔等借助离散元仿真计算方法分析了沥青混凝土的基础力学特征从颗粒流模型细观破坏特征分析沥青混凝土提升力学水平的实际要点高、低温物理场作用下沥青混凝土的力学特征将会受影响韩群柱等、王静雯探讨了温度物理场耦合下压缩、拉伸力学特征变化探讨了温度物理场对沥青混凝土力学水平影响丰富了该材料在复杂工程环境下设计、应用参考成果 针对保定快速干线工程沥青混凝土不同温度下弯曲力学特征设计开展了高、低温物理环境耦合下的三点弯曲力学试验从试验结果分析评价沥青混凝土弯曲力学影响特性 试验方法.试验背景为快速提升保定主城区交通基础设施建设水平计划沿着环城水系修建快速公路全长 按照级公路建设全路面均铺设沥青混凝土材料计划投入运营后可缩短保定北部徐水、满城与南部清苑通行时间构建起环城保定大交通圈并与涿州等环京津地区建立起完善的交通协同发展示范有助于加快京雄保一体化发展 全干线规划线路有三丰路与北二环的快速公路连接载体当前正进行的东二环高架枢纽全路面铺设沥青混凝土长度.包括有多座立交桥交通枢纽如东二环与东风路立交枢纽采用斜拉桥截面体型 而在东二环与三丰路交口处横跨府河建设悬索桥桥面高度为.按照间距 的方式设置箱涵设施悬索点总跨度为 设计桥面最大位移量不超过 同样采用同类型沥青混凝土材料铺设桥面掺加有抗冻裂剂含量为 不等确保冬季低温环境下路面或桥面均能满足交通荷载要求 对全干线工程分析得知快速干线工程一方面是交通工程另一方面也是进行城区市政管网再建、维护的重点设施在路面、路基工程中沥青混凝土均有较大规模应用最大抗裂应力可达 即使高温天气沥青混凝土耐热极限可达 鉴于该类型沥青混凝土材料的压缩力学特征在高、低温作用下均有较好表现特别是在循环荷载下其割线模量以及损伤比均能够应用极限工程环境但不可忽视该类型沥青混凝土的油石比配比设计乃是影响力学稳定性的关键特别是油石比设计对沥青混凝土的抗弯能力影响同时该材料在高、低温物理场作用下弯曲力学特征的影响变化也是沥青混凝土材料设计、应用参考的重点 为此针对该类型沥青混凝土材料开展高、低温物理作用下弯曲力学试验研究.试验介绍为探讨沥青混凝土在高、低温物理场作用下力学特征影响变化采用混凝土力学试验设备开展加载试验 该试验设备具有多模块、低振频以及物理场耦合精度高的特点加载平台上安装有物理环境试验箱可实现不同温度工程环境下的力学试验该试验设备采用 传感器进行位移监测其量程为 也可根据实验需求进行量程更改 另有其他轴、环向监测传感器安装至试样周身确保试样力学变形破坏全过程可视化 试验数据通过八通道传输装置实时传回数据采集间隔为 所有数据在试验设备的中控装置中完成初步处理可为调整试验步骤提供参照与之同时八通道数据会在电脑程序中互相验证与监控若有数据超过实验误差会在试验数据初步处理前进行删除处理确保试验结果可靠 该试验设备所耦合工程环境模拟箱可实现高、低温作用上、下限值分别为、采用电热传导方式进行力学试验温度加载速率为./每次加温时间控制在 左右且至预定温度后保温时间不少于 确保试样加荷过程温度热作用或冻结作用均匀根据对环城快速公路工程沥青混凝土材料取样在室内实验室测定混凝土中沥青软化点为.密度为./粗骨料粒径分布为.骨料压碎值为.细骨料吸水率为.中值粒径为.所使用的混凝土初步配合比与 一致 为研究沥青混凝土试样弯曲力学特性本试验采用三点弯曲力学试验方法试样长、宽、高尺寸分别为 试验前试样表面已在室内精加工打磨平整度满足试验规程需求 由于试验方案中含有油石比影响因素因而制样时应考虑对不同油石比组试样进行分类制备 所有试样在进入加载平台前均需完成 的恒温、恒湿养护对其初始制样扰动损伤进行恢复处理试验设备按照加载示意进行设备调试在试验平台上安装试样完成高、低温物理作用与保温时效后以恒定加载速率进行弯曲力学破坏采用 位移控制方式速率为./试验设计高温热作用温度分别为、而低温作用包括有工程所处地区冬季抗冻温度分别设定为 、配合比参数中以油石比为研究对象设定油石比分别为、共六组试样试验参数设计如表 所示 基于上述不同温度下热作用与冻结作用开展油石比配合比设计影响下的沥青混凝土的三点弯曲力学试验表 试验设计表油石比/高温热荷载/冷冻温度/油石比/高温热荷载/冷冻温度/第 期查志英:不同温度环境下路面沥青混凝土弯曲力学特性试验研究总第 期表(续)油石比/高温热荷载/冷冻温度/油石比/高温热荷载/冷冻温度/配合比对沥青混凝土弯曲力学特性影响基于不同油石比试验组弯曲力学试验获得如图 所示试验结果 依据图中弯曲应力应变特征可知当油石比愈大则混凝土试样弯曲应力愈低当弯曲应变为.时此时试样处于屈服变形阶段试样以不可恢复损伤变形为主油石比 试样弯曲应力为.而油石比、试样弯曲应力较之分别减少了.、.、.进一步具体分析油石比对弯曲应力影响可知当油石比不超过 时弯曲应力受之影响较小如油石比、试样抗弯应力较之油石比 下分别仅有.、.降幅其中油石比、试样抗弯应力分别达.、.随油石比每递增抗弯应力将随之降幅.另一方面当油石比超过 后沥青混凝土试样弯曲应力水平下降较快抗弯应力在油石比、下分别为.、.较之油石比 试样分别减少了.、.由此可知油石比参数对沥青混凝土弯曲力学特性影响具有“过节点”特征当油石比超过 后试样抗弯应力受削弱程序大幅增加 分析认为油石比愈多当超过一定节点后预示着沥青在混凝土内部具有主导性作用会加剧混凝土内部软弱层的分布对控制沥青混凝土抗弯薄弱面具有促进效应从而表现出抗弯应力大幅下降特征在沥青混凝土残余应力后期不论油石比含量为何值试样均具有相应残余弯曲应力 如油石比、下试样残余弯曲应力分别为.、.由此可知油石比含量改变不会导致沥青混凝土失去抗弯残余应力仅会改变其残余应力量值水平 从应变特征来看峰值弯曲应变分布在.不同油石比含量试样间峰值弯曲应变差异较小 当油石比含量递增试样弯曲模量均会减小模量参数的影响特征与抗弯应力变化一致图 不同油石比试验组弯曲力学特征 高、低温物理作用对弯曲力学特性影响.高温物理作用影响当环境模拟箱物理场为高温热作用环境时沥青混凝土典型试样弯曲应力应变特征如图 所示由应力应变趋势可知温度愈高沥青混凝土的抗弯应力具有先增后减变化特征转折节点温度为 当热作用温度低于 时温度与弯曲应力水平具有正相关在应变.时温度 试样弯曲应力为.而温度 、试样在该变形时弯曲应力较之分别增长了.倍、倍但温度超过 后试样弯曲应力水平呈递减变化如仍是应变.时温度 、下试样弯曲应力分别为.、.较之温度 下分别减少了.、.甚至温度 下抗弯应力接近温度 下 从抗弯应力对比来看在热作用温度不超过 时温度、下试样抗弯应力分别为.、.而随温度每递增 抗弯应力分别提高.与之相反的是在温度超过 后抗弯应力随温度梯次变化为平均降幅.由试验结果分析可知高温物理作用下沥青混凝土的弯曲力学特性具有“双向”特点这与沥青混凝土内部晶体颗粒耐热膨胀极限有关 当内部晶体颗粒在受热下膨胀变形时对试样内部孔隙填充及密实性有正面作用但当受热荷载超过颗粒极限耐热值时 如 沥 青 等 矿 物 成 分 会 导 致 试 样 抗 弯 能 力下降分析图 中应变影响可知高温物理环境温度为 、时试样呈应变变化快、弯曲应力变化慢的延塑性变化特征即温度愈高会促发沥青混凝土试样由弹脆性变形主要转变至延塑性变形主导 从工程实际应用考虑路面沥青混凝土材料应避免环境温度较高当环境温度过高时应人为干涉降温处理.低温物理作用影响从低温物理作用下试验组方案中获得图 所总第 期黑龙江交通科技第 期图 不同高温试验组弯曲力学特征示低温冻结力作用影响结果 由图中应力应变影响可知温度愈低试样弯曲应力水平愈大但弯曲应力水平随低温作用在温度 后增幅放缓在弯曲应变为.时低温 、试样弯曲应力为.、而低温、下试样弯曲应力较之 下分别增大了.、.、.倍 从抗弯应力对比来看 在 低 温、两 试 样 中 分 别 为.、.在 方案间随低温梯次递增其抗弯应力平均增长.方案间最大增幅达.而在低温 、方案间抗弯应力最大增幅为.由此可知低温冻结作用对试样弯曲力学特性影响具有上限温度进一步降低虽能促发沥青混凝土内部水颗粒膨胀使试样孔隙密实但试样水颗粒在极限低温下是有限的即便冻结力很大也会在试样内部残余一定的孔隙故而弯曲应力水平的增幅会减弱图 不同低温下弯曲应力应变特征在残余应力阶段各试样弯曲残余应力变化关系与抗弯应力一致但各低温条件下不同试样间残余应力的差幅较抗弯应力大 随低温增长峰值弯曲应变减小脆弹性变形特征增强在低温 、下试样峰值弯曲应变分别为.、.、.从工程实际应用分析路面沥青混凝土应控制低温不超过 控制在合理低温范畴更为有利避免混凝土趋于脆性破坏 结 论()油石比愈大试样弯曲应力水平愈低在油石比不超过 时油石比对抗弯应力影响较小而在超过 后抗弯应力下降较显著油石比、下较之试样分别减少了.、.油石比对峰值弯曲应变影响较小各油石比试样均存在残余弯曲应力()以高温 为影响节点试样抗弯应力随之先增后减在该节点前、后方案内随温度梯次方案 抗 弯 应 力 分 别 平 均 增 幅.与 降 幅.温度升高试样逐步演变至延塑性变形主导()低温愈低试样弯曲应力水平愈大但在低温 后 弯 曲 应 力 的 增 长 减 弱 低 温 方案间抗弯应力最大增幅为.残余弯曲应力随低温变化影响幅度高于抗弯应力()从工程实际考虑环境温度不应过高同时低温环境下应注意沥青混凝土的脆性破坏参考文献:郭培达.基于 扫描的沥青混凝土冻融耐久性研究.建材世界():.金娇彭梧桐潘杰等.沥青混凝土路面损伤监测的碳基及其复合材料进展.北京工业大学学报():.宁致远刘云贺孟霄等.水工沥青混凝土直接拉伸力学性能试验研究.水力发电学报():.任恒谊.引水工程衬砌结构中特种混凝土材料单轴压缩应力 特 性 分 析 .水 利 技 术 监 督():.常海波.不同加载速率和围压作用下沥青混凝土三轴压缩力学特性数值模拟研究.资源信息与工程():.李富盈.浇筑式沥青混凝土三轴压缩蠕变特性试验研究.人民黄河():.贺明明.冻融循环下的沥青混凝土损伤机理研究.黑龙江交通科技():.王亮刘云贺杨一帆等.不同温度和应变率下水工沥青混凝土细观能量演化研究.水电能源科学():.马翔袁则瑜周培圣等.基于离散元方法的排水沥青混凝土黏结失效行为研究.铁道科学与工程学报():.王静雯.温度场作用下水工沥青混凝土的力学稳定性研究.水利科学与寒区工程():.陈永胜.新疆沙漠地区路面沥青混凝土配合比设计研究.交通世界():.丁宁张杨.敦化抽水蓄能电站沥青混凝土配合比试验及结果分析.云南水力发电():.钱振东刘阳杨亚林等.沥青混凝土高温摊铺下钢梁支座体系温度效应研究/.中国公路学报:.