沥青含量对浇筑式沥青混凝土力学特性的影响.pdf
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1、第 4 2卷 第 l 0期 2 0 1 1年 5月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 42 No 1 0 M a y, 2 011 文 章 编 号 : 1 0 0 14 1 7 9( 2 0 1 1 ) 1 00 0 8 30 5 沥青含量对浇筑式沥青混凝土力学特性的影响 宋 日 英 , 李 明 霞, 陈 宇 ( 华 北 水 利 水 电 学 院 资源 与环 境 学 院 , 河 南 郑 州 4 5 0 0 1 1 ) 摘要 : 浇筑式沥青混凝土是现在 水利工程 中防水 心墙 的主要材料 , 沥青含量是 影响其 力学性质 的重要 因素。 在 室内通过温控 高压三
2、轴仪 , 分别对沥青含量为 8 5 , 1 O 5 , 1 2 5 的 沥青 混凝 土试件进行 了常规三轴试 验。试验结果表明 : 温度 为 5 及 l O 时 , 试件 的最大偏 应力及切 线模 量 系数 随 沥青含量的增加而减小 ; 黏 聚 力 c 随 沥青含 量的增加呈现 出非 线性 减小 ; 内摩擦 角 则随沥青含量的增加呈现 出先增加 后减少的趋势 ; 试件的蠕 变随沥青含量的增加 而增加 , 蠕变速率增加的 比例 大于沥青含量增加的 比例 。 关 键 词 : 沥青混凝土 ; 偏应 力;切线模量 系数 ;内摩擦 角;黏聚力 ; 蠕 变 中图法分类号 : T V 4 3 1 5 文献标
3、 志码 : A 所谓 沥青 混凝 土是 指沥 青与 矿料 经拌 和冷 却凝 固 的混合 物 。沥 青 混 凝 土 按 施 工 方 式 可 分 为 碾 压 式 沥 青混凝 土 与浇筑 式 沥 青混 凝 土 , 浇筑 式 沥 青 混 凝 土 与碾压式 沥青 混凝 土相 比 , 具 有较 高 的沥青 含量 , 其 沥 青 材料用 量 除充满 全 部孔 隙外 还 有 所 富裕 , 在 施 工后 可 以依靠 自重压 密 , 因此 作 为 胶 结 材料 的沥 青 用 量 多 少是浇筑式沥青混凝土施工中的关键因素。已有研究 指 出 , 沥 青含 量会对 沥 青 混 凝 土 的力 学 性 质 造 成较 大 影
4、 响 , 因此研 究 不 同沥 青 含 量 下 沥 青混 凝 土 的 力 学 性质 , 对浇 筑式 沥青 混 凝 土 心墙 的施 工 有 着 重 要 意 义 。本文 结 合我 国已经 建成 的浇 筑式 沥青 混凝 土心墙 的沥青 配 比情 况 , 在 一定 粗细 骨料 的配 比下 , 对 3种 不 同沥青 含量 的沥青 混凝 土试 件进 行 了高压 温控 三轴试 验 , 以研 究 不同沥 青 含量 下 的 试 件 强度 特 征 及 蠕 变 性 能 1 沥青混凝土材料配 比及样 品制备 1 1 材 料 配 比 试 验 采 用 的胶 结 材 料 为 胜 利 1 0 0号 道 路 石 油 沥 青 ,
5、 其技 术指 标为 密度 1 0 g c m , 针 人度 81 1 m m, 延 度 8 O1 0 0 e m, 软化 点 4 6 q C 4 9 5 。试验 采 用 矿 料 由石灰 岩制 成 , 其 中粗 骨 料料 径 2 55 m m, 细 骨料 料径 5 0 0 7 4 m m, 矿粉 ( 粒径 小于 0 0 7 4 m m) 用人工 砂磨 细 而成 。 胶结 材料 的含 量会对 沥青 混凝 土 的力 学性 质产 生 影 响 , 为 了深入 了解 不 同胶 结 材 料 含 量 下 的沥 青混 凝 土力 学 特性 , 沥青 含量按 沥青 占矿 料总重 的百 分数计 , 取 3种 沥青含
6、量 , 分 别 为 B =8 5 , B = 1 0 5 和 B =1 2 5 , 编号 为 B 8 5 、 B 1 0 5 、 B 1 2 5 。矿 料配 合 比见 表 1 表 1矿 料 配 合 比 1 2试验样 品的制备及试验过程 按 照公路 工 程沥青 昆 合 料试验 规程 中的静 压法 来 成 型沥 青混凝 土 三轴 试 验试 件 , 制 备 的试 件 直 径 为 1 0 0 mm, 高为 2 0 0 mi l l 。 1 2 1 试 验 装 置 沥青 混凝 土材 料试 验 可 在 S Y 2 5 02 5改 进 型 三 收 稿 日期 : 2 01 01 13 0 基 金 项 目 :
7、郑 州 市 创 新 科 技 人 才 计 划 领 军 人 才 项 目( 1 0 L J RC1 8 5 ) 及 教 育 部 留 学 回 国人 员科 研 启 动 基 金 资 助 作 者简 介: 宋日英 , 女 , 工程师 , 硕士 , 主要从事岩土力 学试验研 究。Ema i l : h s y g s o n g 1 2 6 c o rn 人 民 长 江 2 0 1 1盎 轴 压缩仪 上进行 , 该 仪 器具 有 温 度控 制 和数 据 自动 采 集 的功能 , 可 进行 试样 尺 寸 为 P 1 5 c m 3 0 c m及 P l 0 c m 2 0 c m粗 料土 及混凝 土三轴试 验 。
8、仪 器最 大轴 向 力 P =2 5 0 k N, 周 围压力 盯 : 02 5 MP a, 反压 力 0 2 5 M P a , 轴 升 速 度 ( 1 5 档 )V :0 0 0 1 9 3 0 m m m i n , 轴 升范 围 1 0 0 m m, 以上指标 满足 沥青混 凝 土 材料三轴试验要求。对于试件的蠕变试验则需要在仪 器上安装 轴 向力 加压 框架 , 实 现 温 控条 件 下 的沥青 混 凝 土三轴 蠕变试 验 。 1 2 2试 验 方 法 公路 工程 中 沥青 及 沥 青混 合 料 试 验规 程 采 用 闭式 法进行 沥青混 合料 的 三轴 压 缩试 验 , 这种 试
9、验 方 法是针 对公路 沥青 混凝 土受 力 状况 制 定 的 , 不 适 合水 利工程 中沥青 混凝土 心墙 的受力 特点 。考虑 到沥青混 凝 土心墙 与黏 土心墙 的受 力 特 点相 似 , 沥青 混凝 土 的 三轴试验 可 以按 土 的试 验 方 法进 行 , 但 在进 行试 验 时 需要 根据 工程运行 情况 , 对 土 工 的三 轴 试验 方法 进 行 一 些 改变 。具体 改变如 下 : 在 试验 步 骤上 采 用不 固结 不排水 的试 验方法 , 但剪 切 速 率根 据 国 内 已建 沥 青 混 凝土 心墙变形 特征设定 为 0 0 4 8 m m mi n 。 在 三轴蠕 变
10、试验 中 , 沥青 含量 B = 8 5 , 1 0 5 , 1 2 5 的试件试 验 中各参 数为 : 温度 T =1 0 C; 试件受 力状态 为 : 3=0 3 M P a , o r l=1 MP a ; 加 载时 问 t 为 5, 2 0, 1 0 0, 5 00 mi n。 1 3试 验 组数 根据 要 求 , 对 3种 沥 青 含 量 B =8 5 ,B = 1 0 5 , B =1 2 5 分别 在温 度为 5 , 1 0 C下进 行 三 轴试验 , 静 三 轴 试 验 围 压 取 值 范 围为 : 0 1 , 0 3 , 0 5, 0 7 MP a。 2 试验结果分析 2 1
11、 沥青含量对应力应变的影响 沥青混凝 土 的物理力学性 质 和温度有 着密切 的关 系 j , 在温度小 于或等 于 0 时沥 青 表现 为脆性 , 如果 温度 升高 , 沥 青的性 质 则 由脆性 向黏 弹性 转 变 。 。 。此 次研究 表明 : 在 室温下 , 沥青混 凝土 中沥青含量 的多少 对其应 力应变 曲线形态 有着重 要的影 响 。由图 1可 以 看 出 , 在 沥青含 量 为 8 5 时 , 曲线形 态呈 现 出了应 力 软化 的现 象 ; 沥青 含 量 B为 1 0 5 及 1 2 5 时 , 应 力应变 曲线 则呈现 出应力 硬化 的现象 。应力硬化 型的 曲线形态对 沥
12、青混凝 土 心墙的稳定 较为有 利 。因此 在 沥青混凝 土施工前应 对不 同沥青 含量 的沥青混凝 土试 件进 行充分 试验 , 找 到 一个 既 满 足变 形要 求 又经 济合 理 的沥青配 比, 按上 述标 准 对 3种 沥 青含 量 的应 力应 变 曲线 比较得 出, 1 0 5 的沥青含 量为最佳配 比。 图 1 沥 青 混 凝 土应 力 应 变 曲线 2 2 沥青含量对破坏偏应力的影响 在沥青 混凝土 中 , 作 为 胶结 材料 的沥青起 到 了粘 结粗 细骨料及 充填 骨料之 间孑 L 隙的 作用 , 沥青 含量 的 多少直 接影 响到其应力 应变 曲线形 态。试件破 坏偏应 力
13、按以下要求进行取值, 对于有峰值的曲线取峰值点 作为试 件的破坏 偏应 力 ( 。一o r , ) ; 对 于无 明显峰 值 的曲线需根据 工程允 许应 变进 行 取值 , 此 次试 验取 应变为 1 0 的应力做 为破 坏偏应力 。 由图 2 可以看 出, 在 相 同试 验 围压 及 相 同温 度 下 , 试 件 的破 坏 偏 应 力 ( o r 一o r ) 随沥青含量 的增加 而呈现 出先增加 后减小 的趋 势 , 并且 曲线上有 明显 的峰值 点 , 这种现象 出现的 原 因和沥青在 常温下 的黏弹性性质有 关 。由于 沥青 的 这种黏 弹性 , 使 得沥青 混凝 土 中 的沥青 充
14、当着 两种角 色 , 一种 是粘结剂 的作用 , 一 种是在试件 发生剪切位移 时所起 的润滑作用 。因此在 考虑沥青混凝 土的沥青配 比的时候 , 要 考虑 到较 多 的沥青 含量 会增 加 骨料 之间 的润滑作用 , 从而导致其峰值应力降低。 图 2 破坏偏应力与沥青含量关 系 2 3沥青含量对抗剪强度的影响 沥青含量对 沥青混凝 土抗剪强度 的影响可 以从 两 方面来讨 论 , 对试 件 黏 聚力 c 的 影 响及 对 内摩擦 角 的影 响。 由图 3 、 4可 以看 出 , 在相同温度下 , 沥青混凝 土的黏 聚力随沥青 含 量的增 加 而减 小 , 内摩擦 角 则 随 沥青含量 的增
15、加而 呈现 出先增 加后减小 的趋势 。黏聚 力 随沥青含 量的变 化规律是 由于在常温下 沥青在骨料 间的润滑作 用所导 致 ; 内摩擦 角 随沥青 含 量 的变 化规 律 和本文 2 2节 中所 阐述 的沥青 两 种 作 用 有密 切 关 系。在沥青 配 比较少 时 , 沥青 混凝 土试 件 内部存 在着 第 1 0期 宋 日英 , 等: 沥青含量对浇筑 式沥青混凝土力学特性 的影响 8 5 较 多 的孔 隙 , 试 件 密实 度 较 低 , 因此 其 内摩 擦 角 较 小 , 随着沥青 的含 量逐 渐增 加 , 试件 内部 孑 L 隙 被 沥青 完 全 填 充 , 试 件 的密实 度提
16、高 , 试 件 的抗 剪 强度 得 到 提 高 。 但 沥青含 量并 不是 越 多越 好 , 过 量 的沥 青 含量 会 导 致 颗 粒间 沥青膜 的厚 度增 加 , 沥青 膜 越 厚 骨料 间 的接 触 越 少 , 从 而引起 内摩 擦角 的降低 。有研究 指 出 , 沥青 膜 厚对 沥青 混凝 土 的工 程性 能 的影 响与混 合料 的级 配有 着很 大关 系 , 不 同级 配 的 沥青 混 合 料 存 在 着不 同最 佳 沥 青膜厚 度 。 图 3 黏 聚 力 与 沥 青含 量 关 系 图 4 内摩 擦 角 与 沥青 含 量 关 系 2 4沥青含量对切线模量 系数 的影响 试件切线模量
17、E 的大小受到多种因素的影响, 在 其影响因素中, 试件的围压 是个变量 , 由于这种原 因导致 了试 件 的切线 模 量 随 受 力条 件 的 不 同 而变 化 , 因此研 究 沥青 含量 对 沥 青 混 凝 土切 线 模 量 E 的影 响 较 为复杂 和 困难 。由 E一 模 型 中的 E 。 计 算公式 可 以 看 出 , 切线 模量 系数 不 受 到 围压 的影 响且 对 切 线 模量 E 影 响较 大 , 因此 可 以通过 对切 线模 量 系数 的研 究来 反 映某种 条 件 下切 线 模 量 E 随沥 青 含 量 的 变 化 规律 。图 5反 映 了切线 模 量 系 数 与 沥青
18、含 量 的 关 系 。 从 图 中可以看 出 , 切 线模 量 系 数 K随沥 青 含 量 的增 加 而降低 且在沥 青 含 量 B为 1 0 5 1 2 5 的 曲线 段 降低速率加快 , 这也是和沥青膜厚度变化有关 。 2 5 沥青含量对蠕变 的影 响 当温度 和受力 条件 一 定 时 , 蠕 变 与 沥 青含 量 的关 系如 图 6所示 , 由图可 以看 出 , 蠕变 随着 沥青含 量 的增 加 而增 大 , 呈 非线性 关 系 ; 蠕 变速率 增加 的 比例 明显 大 于沥青 含量增 加 的 比例 , 当加 荷时 间较 长时尤 为 明显 ; 沥青含 量 为 l 0 5 后 的 曲线 段
19、 较 之 前 的 曲线 段 明显 陡峭 。 因此 沥青 混凝 土 工 程 在沥 青 配 比的选 用 上 , 应 充 分 考虑蠕 变 随沥青 含 量 的 变化 规 律 , 在 保 证 沥青 混 凝 土试 件密 实度 的情 况 下 应选 择 较 小 的 沥青 配 比, 以 保 证其 蠕变 较小 。 图 5切线模量 系数 与 沥青含量关 系 图 6蠕 变 与 沥青 含量 关 系 3 浇筑 式沥 青混凝 土沥 青配比问题 在本次 试验 研究 中发 现 , 在 沥青含 量较低 时 , 采用 静压 法制备 的试 件密 度 较 低 , 颗 粒 之 间存 在 着 较大 且 相对 不连通 的孔 隙 ; 在沥青
20、含量 较高 时 , 粗 骨料 间充满 了沥青, 试件内部无大的孔隙, 但却导致了骨料问的沥 青膜 厚度 的增加 。本 文 仅 针 对 一 种矿 料 配合 比 , 进 行 了 3种沥青 含量 的 沥青 混 凝 土 力 学性 质 试验 , 研究 了 其在 不 同沥青 含量下 的力 学性 质变化 规律 。研究 结果 表 明 , 沥青 含量 的多 与 少 都会 对 沥 青 混凝 土 的 力学 性 质造 成不 利 的影响 , 因此 在实 际工程 应用 中 , 要 充分考 虑 到施工 的工 况及 粗 细骨 料 配 比的 不 同 , 根 据 工 程要 求 对沥青 混凝 进行 土 力学 性 质 试 验 , 找
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