水工沥青混凝土低温收缩系数的研究.pdf
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1、第9 卷 第3 期 中国水利水 电科学研究 院学报 V o 1 9 N o 3 ! ! o f t it u t e o f W a t e r R e s o u r c e s a n d H y d m p 。 w e r R e s e a r c h S e p te m b e r , 2 0 1 1 文章编号 : 1 6 7 2 3 0 3 1 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 2 0 0 0 5 水工沥青混凝土低温收缩系数的研究 单海超, 郝巨 涛,刘增宏 ( 中国水利水 电科学研究院 结构材料研究所,北京1 0 0 0 3 8 ) 摘 要 :为研究温度对沥青混凝土低温收缩系
2、数的影响 ,采用两种方法 ( 标准试验法和J o n e s 公式法 ) 进行 了沥青混 凝土和沥青玛蹄脂的低温收缩系数试验研究 ,其结果均随温度的降低而降低 。在一 1 5 一 3 5 ,沥青混凝 土的温 度收缩系数随温度的降低呈线性变化 ,在一 3 5 以下 ,温度收缩系数随温度的降低趋势逐渐减 缓 ,并逐 渐接 近矿 料 的低 温收缩系数 。同时 ,由试 验方法和 J o n e s 公式法 得到的沥青混凝 土和沥青玛蹄 脂的温度 收缩 系数差别较 大 ,说明低温时采用J o n e s 方法估算这类混合料的温度 收缩系数有较 大误差 。 关键词 :沥青混凝土 ;沥青玛蹄脂 ;低温收缩系
3、数 ;线膨胀 系数 中图分类号:T V 4 3 1 文献标识码:A 1 研究 背景 水 工 沥青 混 凝土 低温 收 缩 系数是 沥青 混 凝 土防 渗结 构温 度应 力 分析 中的重要 参 数 。 以往 的温 度 应力分析中,无论是水利工程还是道路工程 ,都将沥青混凝土低温收缩系数作为常数“ 。我国的 水 工沥青混凝土试验规程( D L T 5 3 6 2 2 0 0 6 ) 也将沥青混凝土的低温收缩系数在初始温度 ( 一般为 0 C) 和低温值 ( 一般为一 3 O ) 之间作为常数考虑。国外对沥青混凝土的低温收缩系数 曾进行研究 , J o n e s 等 曾根据沥青混凝土各种组分 的体
4、积关系提 出了一个估算沥青混凝土的低温 收缩系数 的公 式 ,该 公 式 也被 广 泛 采 用 。 已有研 究 表 明 ,沥青 混凝 土低 温 收缩 系 数 并非 常 数 ,而是 温 度 的 函 数。文献 7 研究认为,在 1 0 3 O 的温度区间内,沥青混凝土的低温收缩系数随温度降低而先增加 后减小 ,在O 附近有最大值 ,收缩系数约为3 5 x 1 0 6 o C 2 0 x 1 0 6 o C,并得到了沥青混凝土、沥青砂石 和沥青碎石不同降温速率下 的低温收缩系数一 温度 曲线 。文献 8 的研究也表明,沥青混凝土低温收 缩系数是关于温度的非线性 函数。相对于道路沥青混凝土 ,水工沥青
5、混凝土的沥青含量较高。文献 9 研究了不同沥青品种 、沥青含量及温度对水工沥青混凝土低温收缩系数 的影响 ,结果表明,沥青 品种对低温收缩 系数影响较大 ,沥青含量及升温降温过程的影响较小 ,同一沥青混凝土不 同温度段 其低 温收缩 系数不 同 ,并实测 出某一 级配 的沥青混 凝土在 5 一 1 4 9 C时其收缩 系数值 为 4 0 8 1 0 6 ,在一 1 4 9 c I 二 3 5 I C 时其收缩系数值为2 5 4 x 1 0 6 o C,但该文献并没有对沥青混凝土低温收缩系 数与温度的具体关系进行深入研究。本文对水工沥青混凝土的低温收缩系数进行试验研究 ,以期取 得 了一些有 意
6、义 的结果 。 2 试验方法 试验采用 水工沥青混凝土试验规程 ( D L r I 1 5 3 6 2 2 0 0 6 ) ) ) 中规定 的标准方法 。沥青混凝土低温收 缩系数试验系统 由高低温箱、精密数字位移传感器 、位移传感器夹具 、铟钢棒 、石英基准棒和采集 系统 组成 ,见 图 1 。 高低温箱 :工作室尺寸 1 0 0 0 m m 1 0 0 0 mm 1 0 0 0 mm,工作温度范 围:+ l 0 0 一 7 O ,温度不均匀 收稿 日期 :2 0 1 0 1 2 0 7 作者简介 :单海超 ( 1 9 8 6 一 ) ,男 ,河南安阳人 ,硕士生,主要从事沥青混凝土性能研究。
7、E m a i l :s h a n h a i c h a o 1 1 6 3 c o n - - - 2 0 0 - 水工沥青混凝土低温收缩 系数 的研究 单海超 郝 巨涛 刘增宏 度不大于 0 5 ,降温速度可控制在 0 5 0 C h范围内。采用 的 沥青混凝土试件尺寸为 2 0 0 mm x 4 0 m mx 4 0 m m,试件两侧安装位 移传感器 ,配合采用铟钢棒量测试件的温度收缩位移。精密数 字位移传感器量程为3 0 ra m,线性度不小于 9 5 ,额定输出信 号0 2 V,分辨率0 0 1 m m 字 ,工作温度一 5 5 o C 7 0 C,且在该温 度范 围内的增益温度
8、系数能满足高稳定度和高分辨率的测量要 求。铟钢棒尺寸为+ 8 m mx l 2 0 m m,收缩系数约为1 O x l O 一 0 。 沥青混凝土低温收缩试验的关键是在 降温过程中,保证采 集到的数据仅为试件的位移量。由于铟钢棒 、位移传感器及传 感器夹具材料都有一定 的温度收缩系数 ,位移量测系统的变形 位移传感器 铟钢量 棒 试件或石英玻璃 粘结 版 角版 调节夹头 螺钉 图 1 量测系统装置 随温度 的变化也不可忽略。因此试验之前对量测 系统进行了标定 。标定采用石英玻璃棒作为基准 器 ,其尺寸为 2 0 0 mmx 2 5 m mx 2 5 mm,石英玻璃的温度收缩系数约为0 5 4
9、x 1 0 6 。将铟钢棒 、位移 传感器及夹具安装在石英玻璃基准器上 ,如图1 所示。在降温过程 中,量测出位移传感器和夹具随温 度变化 的位移曲线 ,并进行曲线回归 ,将回归关系作为修正曲线 s 量 输入计算机。由于石英玻璃的低 温收缩系数为沥青混凝土的 1 ( 1 5 4 O ) ,标定中忽略了石英玻璃的变形 。标定前 ,首先在常温下对使 用 的两个位移传感器进行 了标定 ,结果表 明传感器的输 出电压值 和输入位移值存在线性关系 ,相关 系数均 为 1 0 。经试验测定 ,Js 骨 与环境温度 有关 ,其温度变化率与温度呈线性关 系 ,A S 量 AT = 0 0 3 7 2 ( o
10、【 = ) + 6 8 4 x 1 0 一 m m C。 进行低温收缩试验时,位移传感器给出的变形总量S 总 由两部分组成 ,一部分是试件的变形量5 试, 另一部分是量测系统的变形量 S 量 。将变形总量 s 总 减去量测系统的变形量S量 ,即可得到试件的变形 量 S 试 = s 总 一 S 量 。 在温度量测方面 ,试验中采用了两个温度传感器。除将一个温度传感器置于试验试件表面 ,以 量测试件表面的环境温度 ,同时在高低温箱 中另放置一个试件作为伴随试件 ,将另一个温度传感器 插入伴随试件 内部,以了解试件内部的温度 。试验开始时 ,在初始温度 下恒温至少 1 h ,待两个温 度传感器的读数
11、相差不到 l 时方可进行降温试验 。试验 中降温速率为 1 0 h ,达到要求温度值时需 恒温不小于3 5 mi n ,方可记录两个位移传感器的位移读数 ,并 以两个位移传感器读数的平均值为试件 位移值 。试件 的温度收缩系数 按下式计算 ( 1 ) s 一 式中: 为温度收缩系数 ,1 ;A S 试 为试件在温度变化范围内的位移变化 ,mm;L 为位移传感器夹 具间的标距 ,m m; 为温度变化值 ,c c。 表 1 沥青性能指标 项 目 数值 针入度( 2 5 q c,1 0 0 g ,5 s ) 7 7 软化点 ( 环球法 、) 4 7 3 2 5 o C 5 e r a rai n 1
12、 5 0 延伸度 m m 1 5 ,5 c m mi n 1 5 0 4 C, l c m mi n 2 4-4 软化点升高 5 延伸度( 2 5 ,5 c m m i n) 1 3 7 鲫 s n 7 6 8 5 针人度 比 7 5 _ 3 质量损失, 0 1 2 1 - - - 2 01 - 水工沥青混凝土低温收缩系数的研究 单海超 郝 巨涛刘增宏 为进一步了解试验系统的可靠性 ,以沥青为试验对象 ,分别采用本试验系统和D I L 4 0 2 C热膨胀系 数测定仪进行试验 ,并将结果进行对 比。D I L4 0 2 C热膨胀系数测定仪的温度范围为一 1 5 0 C 5 0 0 C。温 度变
13、化速率 0 - 2 0 K m i n ,位移量测范围为5 0 0 5 0 0 0 m,读数分辨值为0 1 2 5 1 2 5 0 n m d i g i t 。试验中将 沥青制成+ 6 mm 2 0 mm的小圆棒进行试验。采用前述标准试验方法时 ,将沥青制成2 0 0 m m 4 0 m m 4 0 ram的棱柱体 ,按照前述方法测试温度收缩系数 。试验中沥青采用克拉玛依水工沥青 ,其性能指标 见 表 l 。 两种方法的温度收缩系数结果见图2 ,从中可见 ,在一 l 7 4 7 5 范围内,二者基本是吻合 的; 同时在0 5 0 范围内,沥青的温度收缩系数在 2 9 0 1 0 一 b 8
14、5 1 0 6 C 之间变化。 3 沥青混凝 土试验结果 , 图2 沥青低温收缩系数 本文 试验 矿料 采用某 工程 的石 灰石骨料 ,沥青混凝 土配 合 比见 表 2 。 按照前述的方法 ,得到沥青混凝土低温试验结果 ,见表 3 ,表中温度收缩系数o t 值根据试验结果 按三次多项式分段计算。由于在 =一 4 7 q C 附近试件应变变动较大 ,为避免 异常,该处的O t 值按式( 1 ) 线性差值计算 。三次试验结果的平均值见表4和图3 。从 中可以看出 ,沥青混凝土的温度收缩系数在 O _ 4 7 范围内呈非线性变化 ,在一 1 7 3 7 范围内近似呈线性变化。 表 2沥青 混 凝 土
15、配 合 比 - - - 2 0 2 - 水工沥青混凝土低温收缩系数 的研究单海超郝 巨涛刘增宏 4 试验结果分析 2 辍 好 赠 图3 沥青混凝土温度收缩系数测试结果 J o n e s 提出的沥青混凝土低温收缩系数公式见下式 = ( 2 ) 式 中 : 为 沥青 混凝 土 的温度 收缩 系数 ,1 ( 2 ; A c 为 沥青 的温 度 收缩 系数 ,1 C; A c G 为矿料 的温度 收缩系数 ,1 C; A 为矿料间隙率 ,矿料间隙率= 孔隙率+ 沥青体积百分 比一 被矿料吸收的沥青体积百 分比,; G e 为矿料体积百分比,;V 为沥青混凝土总体积百分比,为 1 0 0 。 本研究
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