陳 曉

（揚州天達(dá)建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 儀征 211414）

0 引言

瀝青混凝土材料具有良好的耐久、耐磨等特點，同時承載能力能夠滿足工程設(shè)計需求，在建筑、交通、市政等工程中應(yīng)用較廣泛。但不可忽視的是，由于工程環(huán)境差異性，常規(guī)瀝青混凝土材料無法有效滿足工程安全性要求，故需要對瀝青混凝土材料開展改性設(shè)計。高勇[1]、常海波[2]采用顆粒流計算方法，從離散元解析角度開展瀝青混凝土材料的力學(xué)特征分析，探討不同荷載下離散元模型應(yīng)力、應(yīng)變影響特性。劉元德等[3]、王紅梅等[4]采用室內(nèi)試驗方法，開展單軸、三軸等力學(xué)加載，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果評價瀝青混凝土材料的力學(xué)特征變化，豐富了瀝青混凝土材料工程應(yīng)用參考成果。本文針對揚州市普通國省道路面瀝青混凝土材料特點，對摻有機(jī)物的瀝青混凝土材料力學(xué)特征進(jìn)行試驗分析，對實際工程的混凝土材料改性設(shè)計與應(yīng)用具有參考價值。

1 工程概況

2022年入夏以來，由于轄區(qū)持續(xù)出現(xiàn)高溫天氣，道路熱毀病害頻發(fā)，多路段出現(xiàn)車轍病害，危及車輛行駛安全，亟需對車轍路段進(jìn)行處治。揚州市普通國省道路2022-L1標(biāo)段作為轄區(qū)內(nèi)主要的物流通道，在公路網(wǎng)中占據(jù)主干地位和起到主導(dǎo)作用，主要干線公路等級為一級公路，雙向四車道，設(shè)計車速為80km∕h，全路面均采用瀝青混凝土材料，但該路段交通量大且重載車輛比例增長迅速，同時該地區(qū)夏季溫度較高，在重車荷載和長時間高溫天氣的作用下，瀝青面層出現(xiàn)了嚴(yán)重的車轍損壞。為提高公路運營期使用壽命與耐久性，需對老路進(jìn)行針對性的車轍處治，才能恢復(fù)路面使用性能。根據(jù)設(shè)計部門調(diào)查得知，在工程現(xiàn)場對原設(shè)計方案中的瀝青混凝土材料及力學(xué)性能實測對比，發(fā)現(xiàn)該混凝土強(qiáng)度在高溫作用下，力學(xué)特性出現(xiàn)顯著劣化現(xiàn)象；單軸加載破壞后的混凝土試樣均出現(xiàn)了明顯宏觀大裂紋；在往復(fù)交通荷載測試下，該類型混凝土材料的疲勞壽命次數(shù)穩(wěn)定在2～3×107次。總體上分析可知，國省干線公路原方案中的瀝青混凝土材料實質(zhì)上無法較好滿足工程設(shè)計需求，因而有必要對其進(jìn)行改良設(shè)計，從而滿足工程設(shè)計荷載和使用壽命要求。

2 試驗設(shè)計

為確保瀝青混凝土材料承載能力匹配工程實際，在調(diào)研相關(guān)工程案例基礎(chǔ)上，提出采用有機(jī)物摻合料設(shè)計方法，調(diào)節(jié)瀝青混凝土內(nèi)部顆?？紫?、骨架結(jié)構(gòu)狀態(tài)。因此，在出現(xiàn)病害路段處取樣，原始瀝青混凝土材料基質(zhì)瀝青粘度為340mPa·s。經(jīng)室內(nèi)初始物理力學(xué)參數(shù)測試，其密度為2.68g∕cm3，并進(jìn)行試樣重塑，與有機(jī)物摻合料混合制樣，所選用的有機(jī)物摻合料原材料為橡膠粉，有助于提高交通路面耐久性。圖1為重塑后摻有機(jī)物瀝青混凝土試樣，其徑高比均為1∕2，但摻量各有差異，分布為0.5%～3.0%，對所有試樣均進(jìn)行了平整打磨處理，確保試樣初始物理特征滿足力學(xué)試驗要求。

圖1 重塑后有機(jī)物瀝青混凝土試樣

另一方面，力學(xué)試驗設(shè)備是衡量試驗結(jié)果可靠性的關(guān)鍵因素，本文采用TMC-1000多場耦合混凝土力學(xué)平臺進(jìn)行試驗設(shè)計，如圖2所示，該試驗裝備配置有高溫?zé)岘h(huán)境模擬箱、荷載測量與加載裝置、位移數(shù)據(jù)測量與回傳裝置以及中控系統(tǒng)等部分，可實現(xiàn)最高溫度300℃試驗環(huán)境模擬，位移傳感器裝置最大量程為-20～20mm，本試驗中所采用LVDT位移量程為-10～10mm，精度可達(dá)0.1%，荷載量程最大至1000kN，所有傳感器與測量裝置在試驗前均進(jìn)行了誤差標(biāo)定，減少試驗設(shè)備對試驗結(jié)果干擾性。

圖2 混凝土力學(xué)試驗平臺

本試驗中瀝青混凝土承載力影響因素分為有機(jī)物摻量與高溫?zé)岘h(huán)境，前者摻量因素梯次設(shè)定為0（原狀瀝青混凝土）、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%，后者高溫?zé)岘h(huán)境主要研究的是瀝青混凝土材料熱力場耦合下力學(xué)特征影響變化，溫度分別設(shè)定為25℃、75℃、125℃、175℃、225℃、275℃，每個溫度組下加溫、恒溫試驗不少于2h。為便于分析熱力耦合場力學(xué)變化，設(shè)定三軸力學(xué)試驗，圍壓分別為5MPa、10MPa、20MPa，試驗設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 試驗組設(shè)計

3 有機(jī)物摻量對混凝土力學(xué)影響

基于有機(jī)物摻量組力學(xué)試驗結(jié)果，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得了典型圍壓5MPa、20MPa下試樣應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖3所示。從圖3應(yīng)變發(fā)展過程不難看出，不同圍壓，峰值應(yīng)力后應(yīng)變發(fā)展有所差異：圍壓5MPa下各試樣峰值應(yīng)力后均具有應(yīng)力下降并逐步增長至殘余應(yīng)力段，峰值應(yīng)力前的應(yīng)變占試樣總應(yīng)變較低；而在圍壓20MPa下，當(dāng)各試樣加載應(yīng)變超過1.69%后，應(yīng)變均出現(xiàn)了快速發(fā)展、應(yīng)力維持穩(wěn)定狀態(tài)的應(yīng)變硬化特征。上述兩圍壓下不同有機(jī)物摻量試樣的應(yīng)變發(fā)展特點仍保持一致，即有機(jī)物摻量對混凝土試樣應(yīng)變破壞特征影響效應(yīng)弱于圍壓作用。

圖3 有機(jī)物摻量影響下試樣力學(xué)特征

對比有機(jī)物不同摻量下試樣應(yīng)變特征，同一圍壓下各試樣峰值應(yīng)變基本接近，圍壓5MPa下穩(wěn)定在1.05%，且圍壓5MPa下峰值應(yīng)力前應(yīng)變占比為38.5%，圍壓20MPa下應(yīng)力穩(wěn)定段應(yīng)變增長占總應(yīng)變的80%以上。由此分析可知，有機(jī)物摻量對試樣應(yīng)變影響較小，同一圍壓下試樣應(yīng)變值、應(yīng)變趨勢均保持一致性。

在摻量梯次遞增過程中，試樣應(yīng)力水平亦增長，但承載應(yīng)力的增長并不是梯次穩(wěn)定的，而是逐步減弱，特別是在有機(jī)物摻量1.5%后，應(yīng)力水平增幅較小。以圍壓5MPa為例，選取峰值應(yīng)力為衡量參數(shù)，原狀瀝青混凝土試樣峰值應(yīng)力為16.1MPa，而摻量0.5%、1.5%、2.5%3個試樣峰值應(yīng)力較之前者分別提高了38.5%、113.3%、152.7%，而摻量2%、3%下峰值應(yīng)力分別為37.9MPa、41.7MPa，較之摻量1.5%下分別僅增長了10.2%、21.2%。對比來看，在摻量從0遞增至1.5%，試樣峰值應(yīng)力平均增長了28.9%，分布于22.4～34.4MPa，而在摻量2.0%～3.0%遞增過程中，峰值應(yīng)力平均增幅僅為6.7%。綜合力學(xué)數(shù)據(jù)對比可知，有機(jī)物對瀝青混凝土承載應(yīng)力促進(jìn)作用為逐次減弱，控制有機(jī)物摻量[5]，更能確保瀝青混凝土具有最佳承載水平。

4 高溫?zé)岘h(huán)境對混凝土力學(xué)影響

同理，基于高溫?zé)嶙饔迷囼灲M數(shù)據(jù)處理，獲得溫度參數(shù)與瀝青混凝土試樣力學(xué)特征關(guān)聯(lián)性，如圖4所示。

圖4 高溫?zé)嶙饔糜绊懴略嚇恿W(xué)特征

由圖4可看出，同一圍壓下，試樣應(yīng)力應(yīng)變具有兩種類型：第一種峰值應(yīng)力后快速下降，不出現(xiàn)殘余應(yīng)力段，峰值應(yīng)力后的應(yīng)變占比也較少，此種類型以溫度25～125℃下最為典型；第二種為峰值應(yīng)力后應(yīng)力緩慢下降、應(yīng)變逐步增長的特征，峰值應(yīng)力后應(yīng)變占總應(yīng)變的75%～80%，該類型試樣試驗溫度多為175～275℃。由力學(xué)曲線對比可知，在試驗溫度較低時，瀝青混凝土試樣具有較強(qiáng)的應(yīng)變脆性，峰值應(yīng)力后的破壞過程呈“短、快”特點，而試驗溫度愈高，瀝青混凝土試樣內(nèi)部晶體顆粒耐熱性逐步下降，體積發(fā)生膨脹，擠壓內(nèi)部裂隙空間[6-7]，即使在峰值應(yīng)力后，也仍能維持一定承載應(yīng)力水平，應(yīng)變繼續(xù)擴(kuò)大。

當(dāng)同一圍壓下，試驗溫度愈高，瀝青混凝土承載應(yīng)力愈大，在圍壓5MPa 下，溫度25℃試樣的峰值應(yīng)力為21.5MPa，而溫度125℃、175℃、275℃下3個試樣峰值應(yīng)力較之前者分別提高了42.1%、64.3%、119.6%，試樣峰值應(yīng)力增長較穩(wěn)定，該圍壓下，溫度每遞增50℃，則試樣峰值應(yīng)力平均可增長17.1%；而在圍壓10MPa下，試驗溫度25～275℃各試樣峰值應(yīng)力分布于23.1～90.2MPa，較之圍壓5MPa下增長了7.4%～91.3%，隨溫度每梯次遞增50℃，該圍壓下峰值應(yīng)力平均增幅為36.9%。由此表明，圍壓增大，不僅整體上峰值應(yīng)力水平得到提高，且峰值應(yīng)力受試驗溫度影響敏感性也增強(qiáng)。由此可知，瀝青混凝土試樣在高溫作用下，會疊加圍壓效應(yīng)，耦合形成正向促進(jìn)承載應(yīng)力水平的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

（1）同一圍壓下，不同有機(jī)物摻量試樣應(yīng)變發(fā)展特征類似，圍壓作用對應(yīng)變破壞特征影響高于有機(jī)物摻量；摻量遞增，試樣承載應(yīng)力增長，但在摻量1.5%后，增幅減弱，圍壓5MPa下，摻量從0遞增至1.5%，峰值應(yīng)力平均增長了28.9%，而摻量2.0%～3.0%遞增時，峰值應(yīng)力平均增幅僅為6.7%。

（2）溫度25～125℃下，試樣峰值應(yīng)力后出現(xiàn)快速應(yīng)力下降、應(yīng)變占比也較少，而溫度175～275℃時，峰值應(yīng)力后應(yīng)力緩慢下降、應(yīng)變逐步增長；試驗溫度愈高，試樣承載應(yīng)力愈大，圍壓5MPa、10MPa下，溫度每遞增50℃，則試樣峰值應(yīng)力分別平均可增長17.1%、36.9%。