水工沥青混凝土低温收缩系数的研究.pdf

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。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 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 【 = ) + 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 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 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 中沥青的温度收缩系数见图2 ，石灰石矿料的温度收缩系数采用D I L4 0 2 C 热膨胀系数测定 仪测试 ，结果见表 5 ，其值基本不随温度变化。 表 5 石灰石矿料低温收缩系数 经试验测定 ，表 2 沥青混凝土的孔隙率 V v = 0 9 3 。根据表 2 可以计算出沥青的体积百分率 = 1 8 6 4 ，骨料体积百分率 V A G G = 8 1 2 。如忽略被矿料吸收的沥青体积 ，则可以得出沥青混凝土的矿 料间隙率 A = + = 0 1 9 6 。将这些参数及图2 、表5 的温度收缩系数代人式 ( 2 ) ，可计算出沥青混凝 土的低温收缩系数 ，结果见 图4 。从中看 出公式法与实测结果相差很大 ，不能反映实际。当温度低 至一 4 7 C t ，沥青混凝土的低温收缩系数已 降至 1 0 1 x l 0 - 6 K，与石灰石矿料的低温收缩系数已十分接 近 。 图4 沥青混凝土低温收缩系数 随温度变化 曲线 r， 图5 沥青玛蹄脂低温收缩系数 随温度变化 曲线 类似的现象也可见于图5 的沥青玛蹄脂的对 比，实测的低温收缩系数和公式计算的低温收缩系数 相差也很大。这些结果表 明，在低温温变过程中，沥青与各种矿料 的相互作用很强烈 ，不能简单地 用J o n e s 公式进行计算。 - 2 0 3 - 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 5 结语 本 文进行 了沥青混凝 土 、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 - 3 5 ，沥青混凝 土 的温度 收缩 系数 随温度 的降低 近似呈 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 ，低温时不能采用J o n e s 方法估算 这类 沥青混 凝土 的温度 收缩 系数 。 参考文献 ： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 陈敬文 沥青混凝土低温冻 断试验 J 石油沥青 ， 1 9 9 1 ( 1 ) ： 4 6 5 0 K i m Y Mo d e l i n g o f a s p h a l t c o n c r e t e M N o r t h C a r o l i n a ： Mc G r a w H i l l P r o f e s s i o n a l ， 2 0 0 9 R b o n g s h i P ， D a s A E s t i m a t i o n o f t e m p e r a t u r e s t r e s s a n d l o w t e mp e r a t u r e c r a c k s p a c i n g i n a s p h a l t p a v e m e n t s J J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 1 3 5 ( 1 0 ) ： 7 4 5 7 5 2 D L T 5 3 6 2 2 0 0 6 ， 水工 沥青混凝土试 验规程 S J o n e s G M， D a rt e M I ， L i t t l e f i e l d G T h e r m a l e x p a n s i o n c o n t r a c t i o n o f a s p h al t i c c o n c r e t e J P r o c e e d i n g s o f t h e As s o c i a t i o n o f As p h a l t P a v i n g T e c h n o l o g i s t s 。1 9 6 8， 3 7：5 6 9 7 Ma r a s t e a n u M O， L i X， C l y n e T R， e t a 1 L o w t e mp e r a t u r e c r a c k i n g o f a s p h a l t c o n c r e t e p a v e me n t s R U n i v e r s i t y o f Mi n n e s o t a： De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 沙庆林 高等级道路半刚性路面 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 3 Z e n g Me n g l a n ， H S h i e l d s D N o n l i n e a r t h e r m a l e x p a n s i o n a n d c o n t r a c t i o n o f a s p h a l t c o n c r e t e J J o u rna l o f C i v i l E n g i n e e r i n g，1 9 9 9 余梁蜀 ， 王 文进 ， 许庆余 ， 等 沥青混凝土低温线 收缩系数试验研究 J 水力发电学报 ， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 8 4 8 7 覃卫 民 ， 葛修润 ， 朱 祚铎 ， 等 C S D 一 6 0 滑动变形 计 国产 系列 化研制 J 岩石力学 与工程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 1 1 ) ： 2 3 6 3 2 3 6 8 朱绍龙 高强度气体放电灯的钼 片一 石英玻璃封接 J 灯与照明 ， 2 0 0 2 ， 2 6 ( 6 ) ： 1 7 1 8 Re s e a r c h o n t he c oe ffi c i e nt o f t he r m a l c o nt r a c t i o n o f hy dr a ul i c a s pha l t c o nc r e t e S HAN Ha i - c h a o ，HAO J u - t a o ，L I U Z e n g - h o n g ( D e p a r m e n t o f S t r u c t u r e s a n dMa t e r i a l s ，I WH R，B e ij i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Tw o me t h o d s o f s t a n d ard t e s t a n d J o n e s f o r mu l a，h a v e b e e n u s e d t o s t u d y t h e t h e r ma l c o n t r a c t i o n c o e ffi c i e n t o f a s p h a l t c o n c r e t e a n d a s p h a l t ma s t i c a t l o w t e mp e r a t u r e s Re s u l t s h a v e s h o wn t h a t ， d u r i n g c o o l i n g p r o c e s s t h e c o e f fi c i e n t s o f a s p h a l t c o n c r e t e a n d a s p h a l t ma s t i c d e c r e a s e g r a d u a l l y Be t w e e n 一1 5 C a n d 一 3 5 C， t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e t e mp e r a t u r e a n d t h e t h e rm al c o n t r a c t i o n c o e f f i c i e n t o f a s p h a l t c o n c r e t e i s a l mo s t l i n e ar；Un d e r一 3 5 t h e d e c r e a s i n g t r e n d o f t h e c o e f fi c i e n t g r a d u a l l y s l o ws d o w n wi t h t e m p e r a t u r e， a n d g r a d u a l l y C l O S e S t o t h e t h e rm a l c o n t r a c t i o n c o e ffi c i e n t o f mi n e r a l a g gre g a t e Me a n w h i l e ， t h e t h e r ma l c o n t r a c t i o n c o e ffic i e n t s o f a s p h a l t c o n c r e t e a n d a s p h alt ma s t i c o b t a i n e d b y s t a n d a r d t e s t a n d J o n e s f o rm u l a d i f f e r gre a t l y f r o m e a c h o t h e r ，w h i c h s h o ws t h a t gre a t e r r o r ma y b e c a u s e d b y u s i n g J o n e s f o rm u l a me t h o d t o e s t i ma t e t h e t h e rm al c o n t r a c t i o n c o e ffic i e n t o f a s p h a l t c o n c r e t e a n d a s p h a l t ma s t i c a t l o w t e mp e r a - t u r e s Ke y wo r d s ： a s p h a l t c o n c r e t e；a s p h a l t ma s t i c ； c o e f f i c i e n t o f t h e rm a l c o n t r a c t i o n；c o e ffic i e n t o f l i n e a r e x p a n S i o n - - 2 0 4 - ( 责任编辑 ：王冰伟)