瀝青混凝土中粗集料影響實(shí)驗(yàn)研究＊

葉 永 陳洪凱

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院1） 重慶 400074） （三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院2） 宜昌 443002）

0 引 言

瀝青混凝土是高等級公路路面主要材料，其性質(zhì)決定了瀝青路面的使用性能．膠漿理論認(rèn)為［1－2］：瀝青混凝土是由基質(zhì)相和分散相組成的結(jié)構(gòu)體系，其中填料（粒徑小于0．075mm）、細(xì)集料（粒徑在2．36～0．075mm）、粗集料（粒徑大于2．36mm）可看成3種分散相，而純?yōu)r青看做基質(zhì)相．這樣瀝青混凝土可以認(rèn)為由集料分散相、瀝青基質(zhì)相和空隙組成的三相復(fù)合體系［3］．三相成分不同、性質(zhì)各異、相互作用機(jī)理復(fù)雜．

混凝土中集料有粗細(xì)之分，且體積含量大，顆粒個(gè)數(shù)多，分布特征廣［4］，在力學(xué)分析中不可能全部考慮，為了簡便，常常采用兩步法［5－6］：根據(jù)粒徑將骨料劃分為粗骨料和細(xì)骨料兩類，并且數(shù)量龐大的細(xì)骨料和瀝青基質(zhì)放到一起，組成一種被認(rèn)為力學(xué)性質(zhì)均勻的瀝青砂材料，作為基質(zhì)相，而粗骨料則作為增強(qiáng)相（分散相），把瀝青混凝土看作是由瀝青砂和粗骨料2種材料組成的兩相復(fù)合體．在前期，筆者對瀝青砂力學(xué)特性進(jìn)行了研究，得出了一些有益結(jié)論［7－10］，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究粗集料的影響，為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)組成分析及力學(xué)性能研究奠定基礎(chǔ)．

1 粗細(xì)集料尺寸界定

要研究粗集料影響，粗細(xì)集料的正確劃分成為問題關(guān)鍵．目前存在3種劃分：（1）Zhu，Nodes將粗、細(xì)集料斷面尺寸分界定義為1．18mm（通過16＃篩孔），認(rèn)為瀝青混凝土中每個(gè)粗集料顆粒外裹了一層瀝青結(jié)合料，而瀝青結(jié)合料由細(xì)集料和瀝青基質(zhì)組成；（2）Bandyopadhyaya等在利用數(shù)值模型預(yù)測瀝青混凝土力學(xué)行為時(shí)，由于小于或等于2．36mm集料在斷面圖像觀察中沒有區(qū)別，即把2．36mm及以下作為細(xì)集料處理，這樣，瀝青基質(zhì)、空隙和細(xì)集料一起當(dāng)作一種均勻的粘彈性材料，即瀝青砂來處理；（3）第三種劃分是基于粗集料考慮更少，以粒徑4．75mm為分界線來區(qū)分粗細(xì)集料．本文在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)和蠕變實(shí)驗(yàn)，與標(biāo)準(zhǔn)級配AC－13C混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行比較，分析不同粒徑劃分的差別，提出粗、細(xì)集料的尺寸界定依據(jù)．

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究粗集料組成對瀝青混凝土力學(xué)性能影響，依據(jù)下列原則進(jìn)行級配設(shè)計(jì)：（1）按照AC－13C瀝青混凝土的標(biāo)準(zhǔn)級配以及規(guī)范規(guī)定的級配上、下限進(jìn)行設(shè)計(jì)，粗集料與細(xì)集料總的質(zhì)量含量保持不變．即粗、細(xì)集料含量比為，標(biāo)準(zhǔn)級配時(shí)63．4%∶36．6%，上限級配時(shí)76%∶24%，下限級配時(shí)50%∶50%；（2）粗集料粒徑及配比與對應(yīng)的AC－13C混凝土相同，但進(jìn)行改變；（3）細(xì)集料組成及配比保持不變；（4）瀝青含量保持不變．

根據(jù)規(guī)范規(guī)定的AC－13C混凝土的級配曲線的上限、下限以及實(shí)驗(yàn)得到的標(biāo)準(zhǔn)級配分三組，每組又將粗集料分別設(shè)計(jì)為單一粒徑種（9．5～4．75 mm）、2種粒徑（13．2～9．5和9．5～4．75mm）、3種粒徑（13．2～9．5，9．5～4．75和4．75～2．36 mm）以及4種粒徑（16．0～13．2，13．2～9．5，9．5～4．75和4．75～2．36mm），總共設(shè)計(jì)了12組不同類型級配的瀝青混凝土試樣．試樣尺寸為圓柱體直徑100mm×高100mm．具體組成及配比見表1．

表1 瀝青混凝土試樣設(shè)計(jì)

進(jìn)行了壓縮實(shí)驗(yàn)和蠕變回復(fù)實(shí)驗(yàn)．壓縮實(shí)驗(yàn)取加載速率為2mm／min，實(shí)驗(yàn)采用2種溫度：15℃（低溫）和60℃（高溫）．實(shí)驗(yàn)方案見表2．

表2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與分析

為定量描述級配對瀝青混凝土壓縮變形和蠕變變形的影響，引入2個(gè)指標(biāo)：（1）抗壓強(qiáng)度．是指最大的抗壓應(yīng)力值；（2）蠕變率．指隨時(shí)間而變化的應(yīng)變，通過下式計(jì)算

式中：εt為t時(shí)刻對應(yīng)的蠕變應(yīng)變，ε0為初始蠕變應(yīng)變．

表3給出了標(biāo)準(zhǔn)級配下4種類型混凝土抗壓強(qiáng)度值．結(jié)果反映，4種類型混凝土抗壓強(qiáng)度的大小次序：MB4＞MB3＞MB1＞MB2，即粗集料為標(biāo)準(zhǔn)級配的MB4混凝土抗壓強(qiáng)度最大，設(shè)計(jì)為兩種粗集料（MB2）時(shí)對應(yīng)抗壓強(qiáng)度最?。唧w而言，在15℃，相對于標(biāo)準(zhǔn)級配MB4，其他3種級配混凝土MB1，MB2和MB3的抗壓強(qiáng)度分別下降0．68，1．29和0．58MPa，相對變化率依次為10．7%，20．2%和10．1%，相互之間差距在10%左右；在60℃，相對標(biāo)準(zhǔn)級配MB4，3種級配MB1，MB2和MB3混凝土抗壓強(qiáng)度分別下降0．93，1．18和0．42MPa，相對變化率依次為25．8%，32．7%和11．6%，相互之間最大差距超過20%．這些數(shù)據(jù)反映，就壓縮性能而言，將粗集料設(shè)計(jì)成3種粒徑的混凝土類型帶來的影響最小，其次是為單一粒徑，而設(shè)計(jì)成2種粒徑的影響最大，且溫度越高，級配影響越明顯．

表3 試樣抗壓強(qiáng)度值（標(biāo)準(zhǔn)級配）

圖1、圖2分別給出了標(biāo)準(zhǔn)級配下4種類型混凝土的蠕變實(shí)驗(yàn)曲線，采用上述蠕變指標(biāo)，表4，5給出了計(jì)算結(jié)果．可以看到，在加載階段，標(biāo)準(zhǔn)級配混凝土（MB4）具有最好的抵抗變形的能力，粗集料設(shè)計(jì)成兩種粒徑的混凝土（MB2）抵抗變形能力最差．在15℃，相對標(biāo)準(zhǔn)級配MB4，3種設(shè)計(jì)級配的混凝土MB1，MB2和MB3蠕變率值分別提高2、3．66和1．66（10－6／s），約為 MB4混凝土的2．2，3．2和2倍；在60℃，相對混凝土MB4，3種設(shè)計(jì)級配混凝土的蠕變率值也分別提高了1．33，4和2（10－6／s），約為 MB4的1．2，1．67和1．33倍．?dāng)?shù)據(jù)反映，相對標(biāo)準(zhǔn)級配MB4，不同級配混凝土對應(yīng)的蠕變率值的變化最大達(dá)到了其3．2倍（15℃）和1．67倍（60℃）之多，且相互之間的差別也較大．

圖1 標(biāo)準(zhǔn)限級配蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （15℃）

圖2 標(biāo)準(zhǔn)限級配蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （60℃）

表4 指標(biāo)計(jì)算結(jié)果（15℃）

表5 指標(biāo)計(jì)算結(jié)果（60℃）

為進(jìn)一步研究其他級配混凝土中粗集料配比變化造成的影響，表6給出了AC－13C上限級配（對應(yīng)的粗集料含量多）對應(yīng)的4種混凝土抗壓強(qiáng)度值，圖3，4給出了它們的蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線．4種混凝土的抗壓強(qiáng)度從大到?。篗S3＞MS1＞MS4＞MS2，且最大值超過最小值20%；抵抗蠕變變形能力大?。篗S3＞MS1＞MS4＞MS2，對應(yīng)的蠕變率最大值超過最小值22%，可見，對上限級配，粗集料組成仍然存在較大影響．需說明的是，上限級配的混凝土MS4（含4種粒徑的粗集料）并不具備最好的抗變形能力，可能由于在上限級配中采用了標(biāo)準(zhǔn)級配時(shí)的瀝青含量．相對標(biāo)準(zhǔn)級配，混凝土中粗集料較多，對應(yīng)集料總表面積減少，導(dǎo)致瀝青含量相對過多，這樣4．75～2．36mm粒徑集料含量較多的混凝土MS3具有更好抗變形能力，產(chǎn)生的蠕變變形最小，而不含4．75～2．36mm粒徑集料的混凝土MS2正好相反．可以看出，2．36mm粒徑篩孔作用明顯．

表6 試樣抗壓強(qiáng)度值（上限級配）

圖3 上限級配蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果（15℃）

圖4 上限級配蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果（60℃）

表7給出了AC－13C型下限級配（粗集料含量少）對應(yīng)的4種級配類型的混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度值．圖5，6給出了它們的蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線，4種級配類型混凝土抗壓強(qiáng)度：MX2＞MX4＞MX1＞MX3，且最大值超過最小值50%；抵抗蠕變變形能力：MX2＞MX4＞MX1＞MX3，蠕變率最大值超過最小值42%．因此，和上限級配比較，對于下限級配，粗集料組成和配比對混凝土力學(xué)性能有更大影響．下限級配MS4混凝土（含4種不同粒徑的粗集料）并不具備最好力學(xué)性能，這主要由于在下限級配中采用了標(biāo)準(zhǔn)級配瀝青含量，粗集料含量較少造成瀝青含量相對較少，這樣13．2～9．5mm粒徑粗集料含量較多的混凝土MS2具有更好的力學(xué)性能，其產(chǎn)生的蠕變變形最小，而混凝土MS3正好相反．

表7 試樣抗壓強(qiáng)度值（下限級配）

圖5 下限級配蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果（15℃）

圖6 下限級配蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果（60℃）

4 結(jié) 論

1）通過壓縮和蠕變實(shí)驗(yàn)，在保證細(xì)集料含量不變下，相對級配組成的標(biāo)準(zhǔn)限、上限和下限，改變粗集料組成對瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度和蠕變性能影響較大．說明混凝土性能強(qiáng)烈依賴粗集料組成及配比．

2）4．75～2．36mm的集料含量很大程度決定混凝土中瀝青盈余，而4．75mm以上粒徑對混凝土中瀝青盈余影響并不大．提出以2．36mm來劃分粗細(xì)集料具有一定的合理性．

3）在進(jìn)行瀝青混凝土結(jié)構(gòu)組成的數(shù)值模擬時(shí)，對粗集料簡化不應(yīng)輕易進(jìn)行，簡化結(jié)果要通過實(shí)驗(yàn)加以修正．

［1］呂偉民．瀝青混凝土設(shè)計(jì)原理與方法［M］．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2000．

［2］孫立軍．瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論［M］．北京：人民交通出版社，2005．

［3］ZHU H，NODES J．Contact based analysis of asphalt pavement with the effect of aggregate angularity［J］．Mechanics of Materials，2000，32：193－202．

［4］傅香如，汪海年，郝培文．基于數(shù)字圖像技術(shù)的瀝青混合料內(nèi)部集料分布特征［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2010，34（2）：289－292．

［5］BANDYOPADHYAYA R，DAS A，BASU S．Numerical simulation of mechanical behavior of asphalt mix［J］．Construction and Building Materials，2008，22（6）：1051－1058．

［6］YE Yong，YANG Xinhua，CHEN Chuanyao．A modified schapery’s model for asphalt sand［J］．ASCE’s Journal of Engineering Mechanics，2010，136（4）：448－454．

［7］YE Yong，YANG Xinhua，CHEN Chuanyao．Experimental researches on visco－elastoplastic constitutive model of asphalt mastic［J］．Construction and Building Materials，2009，23：3161－3165．

［8］YE Yong，YANG Xinhua，CHEN Chuanyao．Viscoelastoplastic constitutive model for creep deformation behavior of asphalt sand［J］．J．Cent．South Univ．Technol，2008，15（S1）：13－16．

［9］葉 永，楊新華，陳傳堯．不同應(yīng)力水平下瀝青砂蠕變模型試驗(yàn)對比［J］．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，37（3）：116－118．

［10］葉 永，邵瑾，陳傳堯．瀝青砂粘彈塑本構(gòu)模型及其驗(yàn)證［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（17）：46－49．