高温域沥青混合料单轴压缩试验及破坏模式研究

　　摘要：沥青混合料是一种温度敏感性较强的粘弹塑性材料，其强度与温度密切相关。文章采用单轴压缩试验研究了不同类型沥青混合料在35 ℃、50 ℃高温域下的抗压强度及破坏模式，分析了温度、级配组成、沥青胶结料类型等因素对沥青混合料的抗高温强度及抗变形能力。试验结果表明：高温域下，抗压强度能较好反映沥青混合料的抗荷载变形特性，与车辙试验具有一致性;采用骨架嵌挤且密实型的级配能获得更高的抗高温强度;采用橡胶改性沥青的混合料的高温强度及抗变形能力得到大幅提升。文章可为分析夏季炎热区沥青路面破坏模式及指导路面设计提供重要参考，对深入研究高温域下沥青混合料的其他力学强度具有指导意义。

　　关键词：沥青混合料;高温域;单轴压缩;抗压强度;破坏模式

　　0 引言

　　沥青混合料是一种粘弹塑性材料，其物理力学性能与温度和荷载作用时间密切相关[1-2]。沥青路面使用状况已表明，沥青路面车辙主要发生在夏季高温季节，即气温>30 ℃、路表温度>50 ℃条件下极易发生。据实测，在南方夏炎熱区沥青路面路表温度可达60 ℃以上。对于沥青混合料来讲，研究其强度、稳定性、破坏模式等，都必须充分考虑沥青混合料的破坏环境，在不同的温度域，沥青混合料的强度和破坏模式会有很大的不同。然而，在现行沥青路面设计及沥青强度试验过程中，为便于全国范围的使用标准化和通用化，同时主要考虑常温温度域的沥青路面的疲劳破坏，一般在沥青路面力学分析中，采用的力学强度参数对应的温度为15 ℃或25 ℃，而对高温域沥青混合料力学强度研究较少。因此，为掌握高温域下沥青混合料的力学强度特性，本文以单轴压缩试验为研究对象[3]，分析了沥青混合料的无侧限抗压强度及影响因素，可为后续深入研究高温域下沥青混合料的其他力学强度提供重要参考。

　　1 原材料

　　本文试验使用广西地区常用石材，粗、细集料采用石灰岩，填料采用矿粉，沥青分别采用70#-A级道路石油沥青、橡胶改性沥青。沥青及石灰岩集料的原材料检测指标如下页表1、表2所示。

　　2 级配设计及性能检验

　　本文以路表沥青混合料为研究对象，采用了三组不同的AC13型级配组成设计，其中级配③为橡胶改性沥青混合料级配。主要区别在于级配①比级配②粗集料含量少约7%，级配①为悬浮密实型(典型AC类级配)，级配②为骨架半密实型(粗型AC类级配，空隙率偏大)，级配③为类间断级配(橡胶沥青适用级配)。具体如表3所示。

　　同时，为检验设计的两种混合料高温稳定性，进行了60 ℃车辙试验。车辙试验结果如表4所示。结果表明：(1)使用相同普通沥青的两种混合料均具有良好的抗车辙性能，尤其是悬浮密实型级配①比悬浮半密实型级配②抗车辙性能更优，表明在材料及骨架组成相差不大的情况下，保证压实度是提高沥青混合料的重要措施;(2)采用橡胶改性沥青的混合料性能明显优于使用普通沥青的混合料，采用橡胶改性沥青后，沥青混合料的高温抗车辙性能提高约2.5～3倍，这表明采用改性沥青是抵抗高温变形的主要措施[4-5]。

　　3 单轴压缩试验

　　抗压强度在一定程度上可以反映沥青混合料的抗力特性，尤其是在高温状态下的沥青混合料的抗力特性[6-7]，本文采用单轴压缩试验研究了沥青混合料的35 ℃和50 ℃下的静压强度。

　　抗压强度试件采用静压成型，尺寸为100 mm×100 mm的圆柱体试件。为充分模拟南方湿热环境影响，本文试验采用水浴方式对试件进行恒温养护5 h。单轴压缩采用MTS-810试验系统加载，试验温度分别为35 ℃、50 ℃，加载速率为1 mm/min。试验及数据结果如图1、表5、表6所示。

　　由表5、表6可知：

　　(1)相同温度、相同沥青类型条件下，沥青混合料的级配组成对抗压强度具有一定影响，骨架密实型级配①的抗压强度比骨架半密实型级配②高，且相差幅度随温度的升高而变大。35 ℃下，级配①的抗压强度比级配②高约13%;50 ℃下，级配①的抗压强度比级配②高约35%。

　　(2)温度对沥青混合料的抗压强度影响非常大，尤其是高温影响。温度由35 ℃升高至50 ℃时，同一类型沥青混合料的抗压强度衰减幅度达50%。

　　(3)沥青胶结料对混合料抗压强度影响显著，在相同温度下，采用橡胶改性沥青的混合料抗压强度和可承受的最大破坏(位移)均最大，约是普通沥青的1.5～2倍，与抗车辙试验具有良好的一致性。

　　(4)由荷载-位移图中不同沥青混合料在直线稳定状态下的荷载与位移斜率关系可知，相同温度下，使用普通沥青的级配①和级配②的荷载-位移图斜率均明显大于使用橡胶改性沥青的级配③，普通沥青混合料对变形更为敏感，表现为混合料较脆弱，而橡胶改性沥青混合料则更为柔韧。

　　4 破坏模式

　　单轴压缩试验加载过程中，由于围压为0(无侧限)的沥青混合料首先发生集料的迁移与压密，随着压密完成继续加载，混合料向外挤胀从而发生开裂破坏，如图2所示。

　　通过观测经单轴压缩后沥青混合料的破坏状态可知：(1)破坏总体过程中，随着加载的进行，试件首先在中部开裂，然后向上下两端延伸扩展，试件的实际破坏状态与理论分析破坏状态一致;(2)不同类型沥青混合料试件的破坏形态明显不同，其中级配①和级配②混合料试件均出现明显的裂纹，而橡胶改性沥青级配③混合料未见清晰的裂缝，说明橡胶改性沥青混合料的抗裂韧性较好。

　　5 结语

　　本文通过对不同类型沥青混合料进行35 ℃和50 ℃高温域的单轴压缩试验，获得了高温域下几种不同沥青混合料的抗压强度及典型破坏模式，主要结论如下：

　　(1)抗压强度能较好地反映沥青混合料在高温域下的抵抗荷载和变形的能力，抗压强度与车辙试验具有一致性。

　　(2)级配组成对沥青混合料的强度及抗变形能力影响较大，骨架型且较密实的沥青混合料的强度及抗变形能力较大。

　　(3)采用橡胶沥青等改性沥青胶结料能明显提高沥青混合料的高温强度及抗变形能力，建议在夏炎热区采用橡胶沥青等改性沥青。

　　参考文献：

　　[1]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

　　[2]张登良.沥青路面工程手册[M].北京：人民交通出版社，2003.

　　[3]JTGE20-2011.公路工程沥青及沥青混合料试验规程.[S].

　　[4]闫其来.沥青混合料抗车辙性能试验研究[D].南京：东南大学，2005.

　　[5]郑宇强.高模量沥青混合料抵抗车辙能力的试验分析[J].公路与汽运，2009(3)：86-89.

　　[6]陈振华.基于高温稳定性能的橡胶沥青混合料应用技术研究[D].西安：长安大学，2017.

　　[7]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].北京：人民交通出版社，2005.

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文章名称： 高温域沥青混合料单轴压缩试验及破坏模式研究

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