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水工瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)的研究

2011-02-13 02:37:54單海超郝巨濤劉增宏
關(guān)鍵詞:礦料水工低溫

單海超,郝巨濤,劉增宏

(中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所,北京 100038)

1 研究背景

水工瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)是瀝青混凝土防滲結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析中的重要參數(shù)。以往的溫度應(yīng)力分析中,無論是水利工程還是道路工程,都將瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)作為常數(shù)[1-3]。我國的《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程(DL/T5362-2006)》[4]也將瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù)在初始溫度Ti(一般為0℃)和低溫值T(一般為-30℃)之間作為常數(shù)考慮。國外對瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù)曾進(jìn)行研究,Jones等[5]曾根據(jù)瀝青混凝土各種組分的體積關(guān)系提出了一個估算瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù)的公式,該公式也被廣泛采用[2,6]。已有研究表明,瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)并非常數(shù),而是溫度的函數(shù)。文獻(xiàn)[7]研究認(rèn)為,在10℃~-30℃的溫度區(qū)間內(nèi),瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù)隨溫度降低而先增加后減小,在0℃附近有最大值,收縮系數(shù)約為35×10-6/℃~20×10-6/℃,并得到了瀝青混凝土、瀝青砂石和瀝青碎石不同降溫速率下的低溫收縮系數(shù)-溫度曲線。文獻(xiàn)[8]的研究也表明,瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)是關(guān)于溫度的非線性函數(shù)。相對于道路瀝青混凝土,水工瀝青混凝土的瀝青含量較高。文獻(xiàn)[9]研究了不同瀝青品種、瀝青含量及溫度對水工瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)的影響,結(jié)果表明,瀝青品種對低溫收縮系數(shù)影響較大,瀝青含量及升溫降溫過程的影響較小,同一瀝青混凝土不同溫度段其低溫收縮系數(shù)不同,并實(shí)測出某一級配的瀝青混凝土在5℃~-14.9℃時其收縮系數(shù)值為40.8×10-6/℃,在-14.9℃~-35.1℃時其收縮系數(shù)值為25.4×10-6/℃,但該文獻(xiàn)并沒有對瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)與溫度的具體關(guān)系進(jìn)行深入研究。本文對水工瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究,以期取得了一些有意義的結(jié)果。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程(DL/T5362-2006)》[4]中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法。瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)由高低溫箱、精密數(shù)字位移傳感器、位移傳感器夾具、銦鋼棒、石英基準(zhǔn)棒和采集系統(tǒng)組成,見圖1。

高低溫箱:工作室尺寸1000mm×1000mm×1000mm,工作溫度范圍:+100℃~-70℃,溫度不均勻度不大于±0.5℃,降溫速度可控制在0~50℃/h范圍內(nèi)。采用的瀝青混凝土試件尺寸為200mm×40mm×40mm,試件兩側(cè)安裝位移傳感器,配合采用銦鋼棒量測試件的溫度收縮位移。精密數(shù)字位移傳感器量程為30mm,線性度不小于95%,額定輸出信號0~2V,分辨率0.01mm/字,工作溫度-55℃~70℃,且在該溫度范圍內(nèi)的增益溫度系數(shù)能滿足高穩(wěn)定度和高分辨率的測量要求。銦鋼棒尺寸為?8mm×120mm,收縮系數(shù)約為1.0×10-6/℃[10]。

瀝青混凝土低溫收縮試驗(yàn)的關(guān)鍵是在降溫過程中,保證采集到的數(shù)據(jù)僅為試件的位移量。由于銦鋼棒、位移傳感器及傳感器夾具材料都有一定的溫度收縮系數(shù),位移量測系統(tǒng)的變形隨溫度的變化也不可忽略。因此試驗(yàn)之前對量測系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定。標(biāo)定采用石英玻璃棒作為基準(zhǔn)器,其尺寸為200mm×25mm×25mm,石英玻璃的溫度收縮系數(shù)約為0.54×10-6/℃[11]。將銦鋼棒、位移傳感器及夾具安裝在石英玻璃基準(zhǔn)器上,如圖1所示。在降溫過程中,量測出位移傳感器和夾具隨溫度變化的位移曲線,并進(jìn)行曲線回歸,將回歸關(guān)系作為修正曲線S量輸入計算機(jī)。由于石英玻璃的低溫收縮系數(shù)為瀝青混凝土的1/(15~40),標(biāo)定中忽略了石英玻璃的變形。標(biāo)定前,首先在常溫下對使用的兩個位移傳感器進(jìn)行了標(biāo)定,結(jié)果表明傳感器的輸出電壓值和輸入位移值存在線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均為1.0。經(jīng)試驗(yàn)測定,S量與環(huán)境溫度T有關(guān),其溫度變化率與溫度呈線性關(guān)系,ΔS量/ΔT=[0.0372T(℃)+6.84]×10-4mm/℃。

進(jìn)行低溫收縮試驗(yàn)時,位移傳感器給出的變形總量S總由兩部分組成,一部分是試件的變形量S試,另一部分是量測系統(tǒng)的變形量S量。將變形總量S總減去量測系統(tǒng)的變形量S量,即可得到試件的變形量S試=S總-S量。

在溫度量測方面,試驗(yàn)中采用了兩個溫度傳感器。除將一個溫度傳感器置于試驗(yàn)試件表面,以量測試件表面的環(huán)境溫度,同時在高低溫箱中另放置一個試件作為伴隨試件,將另一個溫度傳感器插入伴隨試件內(nèi)部,以了解試件內(nèi)部的溫度。試驗(yàn)開始時,在初始溫度T0下恒溫至少1h,待兩個溫度傳感器的讀數(shù)相差不到1℃時方可進(jìn)行降溫試驗(yàn)。試驗(yàn)中降溫速率為10℃/h,達(dá)到要求溫度值時需恒溫不小于35min,方可記錄兩個位移傳感器的位移讀數(shù),并以兩個位移傳感器讀數(shù)的平均值為試件位移值。試件的溫度收縮系數(shù)α按下式計算

式中:α為溫度收縮系數(shù),1/℃;ΔS試為試件在溫度變化范圍內(nèi)的位移變化,mm;L為位移傳感器夾具間的標(biāo)距,mm;ΔT為溫度變化值,℃。

表1 瀝青性能指標(biāo)

為進(jìn)一步了解試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性,以瀝青為試驗(yàn)對象,分別采用本試驗(yàn)系統(tǒng)和DIL 402C熱膨脹系數(shù)測定儀進(jìn)行試驗(yàn),并將結(jié)果進(jìn)行對比。DIL 402C熱膨脹系數(shù)測定儀的溫度范圍為-150℃~500℃,溫度變化速率0~20K/min,位移量測范圍為500~5000μm,讀數(shù)分辨值為0.125~1.250nm/digit。試驗(yàn)中將瀝青制成?6mm×20mm的小圓棒進(jìn)行試驗(yàn)。采用前述標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法時[4],將瀝青制成200mm×40mm×40mm的棱柱體,按照前述方法測試溫度收縮系數(shù)。試驗(yàn)中瀝青采用克拉瑪依水工瀝青,其性能指標(biāo)見表1。

兩種方法的溫度收縮系數(shù)結(jié)果見圖2,從中可見,在-17℃~-47.5℃范圍內(nèi),二者基本是吻合的;同時在0℃~-50℃范圍內(nèi),瀝青的溫度收縮系數(shù)在290×10-6/℃~85×10-6/℃之間變化。

3 瀝青混凝土試驗(yàn)結(jié)果

本文試驗(yàn)礦料采用某工程的石灰石骨料,瀝青混凝土配合比見表2。

按照前述的方法,得到瀝青混凝土低溫試驗(yàn)結(jié)果,見表3,表中溫度收縮系數(shù)α值根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果按三次多項(xiàng)式分段計算。由于在T=-47℃附近試件應(yīng)變變動較大,為避免α異常,該處的α值按式(1)線性差值計算。三次試驗(yàn)結(jié)果的平均值見表4和圖3。從中可以看出,瀝青混凝土的溫度收縮系數(shù)在0℃~-47℃范圍內(nèi)呈非線性變化,在-17℃~-37℃范圍內(nèi)近似呈線性變化。

表2 瀝青混凝土配合比

表3 瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)

表4 瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

Jones提出的瀝青混凝土低溫收縮系數(shù)公式見下式[5]

式中:α為瀝青混凝土的溫度收縮系數(shù),1/℃;αAC為瀝青的溫度收縮系數(shù),1/℃;αAGG為礦料的溫度收縮系數(shù),1/℃;VMA為礦料間隙率,礦料間隙率=孔隙率+瀝青體積百分比-被礦料吸收的瀝青體積百分比,%;VAGG為礦料體積百分比,%;V為瀝青混凝土總體積百分比,為100%。

本研究中瀝青的溫度收縮系數(shù)見圖2,石灰石礦料的溫度收縮系數(shù)采用DIL 402C熱膨脹系數(shù)測定儀測試,結(jié)果見表5,其值基本不隨溫度變化。

表5 石灰石礦料低溫收縮系數(shù)

經(jīng)試驗(yàn)測定,表2瀝青混凝土的孔隙率VV=0.93%。根據(jù)表2可以計算出瀝青的體積百分率VA=18.64%,骨料體積百分率VAGG=81.2%。如忽略被礦料吸收的瀝青體積,則可以得出瀝青混凝土的礦料間隙率VMA=VA+VV=0.196。將這些參數(shù)及圖2、表5的溫度收縮系數(shù)代入式(2),可計算出瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù),結(jié)果見圖4。從中看出公式法與實(shí)測結(jié)果相差很大,不能反映實(shí)際。當(dāng)溫度低至-47℃時,瀝青混凝土的低溫收縮系數(shù)已降至10.1×10-6/K,與石灰石礦料的低溫收縮系數(shù)已十分接近。

類似的現(xiàn)象也可見于圖5的瀝青瑪蹄脂的對比,實(shí)測的低溫收縮系數(shù)和公式計算的低溫收縮系數(shù)相差也很大。這些結(jié)果表明,在低溫溫變過程中,瀝青與各種礦料的相互作用很強(qiáng)烈,不能簡單地用Jones公式進(jìn)行計算。

5 結(jié)語

本文進(jìn)行了瀝青混凝土、瀝青瑪蹄脂的低溫收縮系數(shù)試驗(yàn)研究,其結(jié)果均隨溫度的降低而降低。在-15℃~-35℃,瀝青混凝土的溫度收縮系數(shù)隨溫度的降低近似呈線性變化,在-35℃以下,溫度收縮系數(shù)隨溫度的降低趨勢逐漸減緩,并逐漸接近礦料的低溫收縮系數(shù)。同時,由試驗(yàn)方法和Jones公式法[5]得到的瀝青混凝土和瀝青瑪蹄脂的溫度收縮系數(shù)差別較大,低溫時不能采用Jones方法估算這類瀝青混凝土的溫度收縮系數(shù)。

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