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水工瀝青混凝土低溫抗裂性能的影響因素研究

文檔作者：汪正興1’2劉增宏1’2郝巨濤1’2 文檔來(lái)源： 1．中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 2．北京中水科海利工程技術(shù)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年03月05日
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第14卷第4期中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)V01．14 No．4
2016年8月Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research August，2016
文章編號(hào)：1672—3031(2016)04—031 1-05
水工瀝青混凝土低溫抗裂性能的影響因素研究
汪正興1’2劉增宏1’2郝巨濤1’2
(1．中國(guó)水利水電科學(xué)研究院。北京100038；2．北京中水科海利工程技術(shù)有限公司。北京100038)
摘要：水工瀝青混凝土的低溫抗裂性能是影響其工程應(yīng)用的一個(gè)重要因素，目前國(guó)內(nèi)采用凍斷溫度來(lái)評(píng)價(jià)水工瀝
青混凝土低溫抗裂性能。本文依托呼和浩特抽水蓄能電站瀝青混凝土面板的配合比設(shè)計(jì)，研究了不同瀝青品種、
瀝青含量、骨料級(jí)配、填料含量等對(duì)瀝青混凝土凍斷溫度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青性能是影響瀝青混凝土低
溫凍斷溫度的關(guān)鍵因素，其中瀝青的脆點(diǎn)和5。C延度與瀝青混凝土的凍斷溫度有較好的相關(guān)性，而配合比對(duì)對(duì)凍
斷溫度的影響較小。得到的結(jié)論可供相關(guān)工程及后續(xù)科研工作參考。
關(guān)鍵詞：瀝青混凝土；低溫抗裂；凍斷溫度
中圖分類號(hào)：TV543 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1研究背景
doi：10．13244／j．cnki．jiwhr．2016．04．012
瀝青混凝土具有優(yōu)異的防滲性能¨。1，適用于各種水利防滲工程。瀝青混凝土是一種黏彈塑性材
料，其性能受溫度影響非常明顯。當(dāng)其用于寒冷地區(qū)的水利工程時(shí)，在溫度的作用下，瀝青混凝土
內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的收縮溫度應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂，如1979年建成的奧地利0sche．
niksee瀝青混凝土面板壩壩高81 m，位于海拔2 391 m的阿爾匹斯山地區(qū)，運(yùn)行中曾經(jīng)歷一35。C的低
溫，導(dǎo)致面板出現(xiàn)了裂縫怕1，因此研究瀝青混凝土低溫抗裂性能具有重要的意義。在道路工程中，一
般采用低溫彎曲應(yīng)變來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混凝土的低溫抗裂性能"圳。在水工領(lǐng)域，主要采用數(shù)值分析法n¨¨
和模型試驗(yàn)法，由于瀝青混凝土的本構(gòu)關(guān)系非常復(fù)雜，目前數(shù)值分析法還不能很好的評(píng)價(jià)瀝青混凝
土的低溫抗裂性能。而模型試驗(yàn)法具有簡(jiǎn)單直觀的特點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。模型試驗(yàn)法一般采用美國(guó)
SHRP計(jì)劃提出的約束試件的溫度應(yīng)力試驗(yàn)TSRsT(the瑚al stress restrained specimen test)，國(guó)內(nèi)稱其為
凍斷試驗(yàn)?。1 3|。
呼和浩特抽水蓄能電站(簡(jiǎn)稱呼蓄)位于內(nèi)蒙古呼和浩特市東北部的大青山區(qū)，上水庫(kù)全庫(kù)盆采
用瀝青混凝土面板防滲，防滲總面積為24．48萬(wàn)m2，庫(kù)區(qū)極端最低氣溫一41．8℃，上庫(kù)瀝青混凝土面
板設(shè)計(jì)凍斷溫度為≤一45．0℃。為目前最低溫度，對(duì)瀝青混凝土的低溫抗裂性能有極高的要求，本文
結(jié)合該工程的配合比設(shè)計(jì)通過(guò)凍斷試驗(yàn)研究了不同瀝青品種、瀝青含量、骨料級(jí)配、填料含量等對(duì)
瀝青混凝土低溫抗裂性能的影響。
2試驗(yàn)方法及內(nèi)容
2．1試驗(yàn)方法瀝青混合料制備、試件成型及凍斷試驗(yàn)按照《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL／
T5362—2006)中有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。瀝青混合料拌合溫度控制在150。170℃，成型溫度控制在140。
1500C。瀝青混凝土凍斷試件切割為40 minx40 mmx220 am的棱柱體。
凍斷試驗(yàn)裝置采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所的瀝青混凝土凍斷試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備由溫
控箱、凍斷試驗(yàn)機(jī)、量測(cè)系統(tǒng)、控制器、采集裝置、軟件及計(jì)算機(jī)組成。溫控箱控制的溫度范圍
為一70℃～+100℃，精度0．1℃，溫控曲線可編程。位移傳感器精度1 am，力傳感器精度1N，采集裝
收稿日期：2015—12—14
作者簡(jiǎn)介：汪正興(1984-)，男，安徽人，碩士，工程師，主要從事水工瀝青混凝土防滲研究。E-mail：johnnywzx@163．com
一311—
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
水工瀝青混凝土低溫抗裂性能的影響因素研究汪正興劉增宏郝巨濤
置和軟件能實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)力、位移的實(shí)時(shí)采集和顯示。；
凍斷試驗(yàn)的原理是：隨著環(huán)境溫度降低，瀝青混凝土
試件產(chǎn)生收縮變形，位移傳感器檢測(cè)到試件收縮變形量
后，通過(guò)軟件控制凍斷機(jī)對(duì)試件進(jìn)行拉伸／停止控制，補(bǔ)。
償產(chǎn)生的收縮變形，使試件標(biāo)距內(nèi)的長(zhǎng)度保持不變，直到善
試件破壞。以此來(lái)模擬實(shí)際環(huán)境條件下，當(dāng)環(huán)境溫度降低瑙
時(shí)，瀝青混凝土產(chǎn)生的收縮變形受到下層無(wú)限連續(xù)板體的
約束作用。
本文溫控過(guò)程是10℃下恒溫1 h，然后按照30℃，Il降
溫，記錄位移、溫度及應(yīng)力過(guò)程曲線。典型的凍斷試驗(yàn)溫
度一應(yīng)力曲線見(jiàn)圖1。
．t’
7
．，
．／‘
lO O 一10 —20 —30 一40 —50
溫度／。C
圖1凍斷試驗(yàn)溫度一應(yīng)力曲線
2．2試驗(yàn)內(nèi)容為了研究不同瀝青品種、瀝青含量、骨料級(jí)配、填料含量等對(duì)瀝青混凝土低溫抗裂
性能的影響，以單參數(shù)作為變量，分多階段進(jìn)行試驗(yàn)。
具體試驗(yàn)程序如下：
(1)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選定1個(gè)配合比(見(jiàn)表1)采用幾個(gè)廠家10種不同的瀝青，拌制瀝青混凝土，進(jìn)
行瀝青混凝土凍斷試驗(yàn)。研究瀝青性能對(duì)瀝青混凝土凍斷溫度的影響。所用瀝青品種及主要性能指
標(biāo)見(jiàn)表2。
表1 瀝青混凝土初選配合比
(2)選取上一步試驗(yàn)中凍斷溫度相對(duì)較低的1種瀝青，通過(guò)改變不同的配合比參數(shù)，研究瀝青混
凝土配合比對(duì)其凍斷溫度的影響。瀝青混凝土礦料級(jí)配采用西安理工大學(xué)丁樸榮¨41教授提出的礦料
級(jí)配公式進(jìn)行計(jì)算：
d．7—0．0757
Pi廿oo，s+(100-Po．075)寺五麗(1)
式中：D為礦料最大粒徑(mm)；d為篩孔尺寸(mm)；P；為礦料在di篩孔上的總通過(guò)率(％)；r為級(jí)配
指數(shù)，表示礦料粗細(xì)程度的一個(gè)參數(shù)；P。m，為填料含量(％)。
(3)選取瀝青含量7．5％、填料含量12％，采用0．15、0．2、0．3、0．4等4種不同級(jí)配指數(shù)組成瀝青
混凝土進(jìn)行低溫凍斷試驗(yàn)，研究礦料級(jí)配對(duì)凍斷溫度的影響。礦料級(jí)配計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
(4)在上一步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取凍斷溫度相對(duì)較低的一種級(jí)配指數(shù)，并保持其他參數(shù)變，采用
6．9％、7．2％、7．5％、7．8％、8．1％等5種瀝青含量組成瀝青混凝土進(jìn)行低溫凍斷試驗(yàn)，研究瀝青含
一31 2—
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
水工瀝青混凝土低溫抗裂性能的影響因素研究汪正興劉增宏郝巨濤
量對(duì)凍斷溫度的影響。
(5)在上一步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取凍斷溫度相對(duì)較低的一種瀝青含量，并保持其他參數(shù)變，采用
10％、11％、12％、13％等4種填料含量組成瀝青混凝土進(jìn)行低溫凍斷試驗(yàn)，研究填料含量對(duì)凍斷
溫度的影響。
表3礦料級(jí)配指數(shù)選擇
水工改性瀝青1#(SBS改性) 一24 77 96 83 —44．3
水工改性瀝青2#(SBS改性) 一21 66 86 82 —39．9
水工改性瀝青3撐(SBS改性) 一25 78 102 81 —44．3
水工改性瀝青5#(SBS改性) 一29 94．8 119 86 —45．4
水工瀝青(SBS改性) 一17 56 103 75 —34．2
改性瀝青l(xiāng)# 一18 54 105 63 —36．1
改性瀝青2# 一18 46 76 59 —34．7
改性瀝青3# 一17 24 65 56 —35．7
改性瀝青5# 一22 75 108 79 —42．2
SK一2型改性瀝青一28 95．4 1 15 75 —46．6
-50
-45
p
魁一40
贈(zèng)
落
蜷一35
—30
———1 ／ r
I／
／-
r o
y=0．07257x“2+4．3 1 852x4 18．1 153l
R=O．964li
—15 —20 —25 —30
瀝青脆點(diǎn)，℃
圖2凍斷溫度與瀝青脆點(diǎn)的關(guān)系
?；>
＼≮
>人
＼ ＼
y=0．175x一23．29 ＼＼
R=O．1 1095
■ ■
60 70 80 90 100 llO 120
針入度
圖4凍斷溫度與瀝青針入度的關(guān)系
p
越
贈(zèng)
婚
送
p
魁
贈(zèng)
餐
始
20 30 40 50 60 70 80 90 loo
5℃延度／cm
圖3凍斷溫度與瀝青5。C延度的關(guān)系
●
-＼。＼ ≮ ＼ ＼
y： ：0．175x-23． 29 ．＼
R=O．3095 ■
-
50 55 60 65 70 75 80 85 90
軟化點(diǎn)
圖5凍斷溫度與瀝青軟化點(diǎn)的關(guān)系
一313一
O
2
4
6
8
0
2
4
6
8
O
o
o
o
0
o
o
o
4
o
4
o
護(hù)、越贈(zèng)罄婚
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
水工瀝青混凝土低溫抗裂性能的影響因素研究汪正興劉增宏郝巨濤
3試驗(yàn)結(jié)果及分析
3．1瀝青性能對(duì)凍斷溫度的影響10種改性瀝青成型的瀝青混凝土各自凍斷溫度結(jié)果見(jiàn)表4，凍斷
溫度與瀝青指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖2。圖5。
從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，瀝青的脆點(diǎn)和5℃延度對(duì)瀝青混凝土的凍斷溫度影響較大，瀝青的脆
點(diǎn)越低、5℃延度越大，則相應(yīng)的瀝青混凝土凍斷溫度越低。針入度和軟化點(diǎn)與凍斷溫度相關(guān)性較
差，可以認(rèn)為沒(méi)有明顯相關(guān)關(guān)系。
瀝青的針入度和軟化點(diǎn)都是衡量瀝青黏度的指標(biāo)，和瀝青混凝土低溫抗裂性能的關(guān)系不大。
瀝青的5℃延度反映了瀝青在低溫下的變形性能，5℃延度越大低溫抗裂性能越好。瀝青的脆點(diǎn)也是
度量瀝青在低溫下變形能力的指標(biāo)，因而和凍斷溫度相關(guān)性較好；
3．2骨料級(jí)配對(duì)凍斷溫度的影響4種級(jí)配指數(shù)的瀝青混凝土各自凍斷溫度結(jié)果見(jiàn)表5，凍斷溫度與
級(jí)配指數(shù)的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖6。
表5骨料級(jí)配對(duì)凍斷溫度的影響
-40
—4l
-42
p-43
惻
贈(zèng)一44
落
蜷一45
-46
／k＼
／ 、、● 。＼． ／
表6填料含量對(duì)凍斷溫度的影響
p
越
贈(zèng)
痞
蠅
I、
I
＼
＼
● ＼
＼
＼
0．10 O．15 O．20 0．25 O．30 O．35 0．40 0．45 9．5 lO．O 10．5 l 1．O l 1．5 12．O 12．5 13．0 13．5
級(jí)配指數(shù)填料含量，％
圖6凍斷溫度與級(jí)配指數(shù)的關(guān)系圖7凍斷溫度填與料含量的關(guān)系
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在所選的骨料級(jí)配指數(shù)范圍內(nèi)，凍斷溫度變化不大，在試驗(yàn)誤差范圍之
內(nèi)。說(shuō)明采用連續(xù)密級(jí)配時(shí)，骨料級(jí)配指數(shù)對(duì)凍斷溫度影響不大。
3．3填料含量對(duì)凍斷溫度的影響4種填料含量的瀝青混凝土各自凍斷溫度結(jié)果見(jiàn)表6，凍斷溫度與
填料含量的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖7。
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著填料含量增加，凍斷溫度逐漸降低，但當(dāng)填料含量增加到12％以上
時(shí)，凍斷溫度較變化不大。
3．4瀝青含量對(duì)凍斷溫度的影響5種瀝青含量
的瀝青混凝土各自凍斷溫度結(jié)果見(jiàn)表7，凍斷溫
度與瀝青含量的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖8。
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)瀝青含量為7．5％
時(shí)，凍斷溫度最低，說(shuō)明存在一最佳瀝青含量。
瀝青混合料中的瀝青主要有三種狀態(tài)：一是
固定狀態(tài)的瀝青，是指滲入碎石內(nèi)部孔隙或和碎
石緊密結(jié)合的部分瀝青。這部分瀝青一般數(shù)量較
一314一
表7瀝青含量對(duì)凍斷溫度的影響
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
水工瀝青混凝土低溫抗裂性能的影響因素研究汪正興劉增宏郝巨濤
少。二是結(jié)合狀態(tài)的瀝青，是指和細(xì)小顆粒填料等結(jié)
合形成膠漿或依附在碎石等顆粒表明形成瀝青膜的部
分瀝青。這部分瀝青較多，而且很重要，它是瀝青混
凝土黏結(jié)性和延性的主要來(lái)源，過(guò)少會(huì)影響瀝青混凝，、
土性能。三是自由瀝青，它是瀝青混合料中多余的瀝題
青，自由瀝青過(guò)多時(shí)，也會(huì)影響瀝青混凝土的性能。§
當(dāng)填料含量在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，會(huì)增加瀝青膜一
和減少自由瀝青含量含量，從而降低凍斷溫度。
當(dāng)瀝青含量少于7．5％時(shí)，瀝青混凝土中的結(jié)合瀝
青較少，瀝青混凝土的凍斷溫度會(huì)升高。當(dāng)瀝青含量
高于7．5％時(shí)，瀝青混凝土中出現(xiàn)了自由瀝青，因而凍
斷溫度也升高。
4結(jié)論
■、
一|
’＼ r／一●
＼ ／
6．75 7．00 7．25 7．50 7．75 8．00 8．25
瀝青含量『％
圖8凍斷溫度與瀝青含量的關(guān)系
(1)瀝青性能對(duì)凍斷溫度影響最大，瀝青的脆點(diǎn)和5℃延度與瀝青混凝土的凍斷溫度有很大關(guān)
系，瀝青的脆點(diǎn)越低、5℃延度越大，則相應(yīng)的瀝青混凝土凍斷溫度越低。針入度和軟化點(diǎn)與凍斷溫
度沒(méi)有明顯關(guān)系；(2)采用連續(xù)密級(jí)配時(shí)，骨料級(jí)配指數(shù)對(duì)凍斷溫度影響不大；(3)對(duì)于填料含量，
當(dāng)其低于某一極限值時(shí)，凍斷溫度隨著填料含量增加而降低。當(dāng)超過(guò)該極限值時(shí)，凍斷溫度變化不
大；(4)瀝青含量存在一個(gè)最佳值，當(dāng)?shù)陀诨蚋哂谠撝禃r(shí)，凍斷溫度都會(huì)升高；(5)相對(duì)于瀝青混凝
土配合比，瀝青品種對(duì)瀝青混凝土凍斷溫度的影響更大，尤其是瀝青脆點(diǎn)和5℃延度。因此對(duì)瀝青混
凝土低溫抗裂性能要求高的工程，首先要考慮瀝青選材，必要時(shí)采用改性瀝青。否則，依靠配合比
優(yōu)化是解決不了工程問(wèn)題的。
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(下轉(zhuǎn)第320頁(yè))
一31 5一
O
l
2
3
4
5
6
4
4
o
4
o
o
4
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
仿真系統(tǒng)圖形化建模技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)張衛(wèi)君張顯兵王崢瀛李亦凡
Graphic modeling research and application for simulation system
ZHANG Weijun，ZHANG Xianbing，WANG Zhengying，LI Yifan
(Beijing IWHR Technology CO．，Ltd，Beifing 100038，China)
Abstract：Hydropower plant is a large complex system including the interaction with the water，mechanical
and electrical systems．The complete mathematical model is important for its overall process simulation．
Based on the research of hydropower simulation modeling for years，a graphic modeling software named Si·
muStudio was developed．According to object-oriented and building block design concept，this software was
designed for hydropower engineering and technical staff who are unskilled on programming．The engineers
do not need to remember any command character and they can build a hydropower system model by dragging，
and configuration linking the different algorithm block which are pre-saved in SimuStudio．The model
can be automatically generated by this software and operated directly without compiling．Because of graphical
modularity modeling method，SimuStndio greatly reduces the difficulty in modeling，improves the efficiency
of development and debugging，and thus the construction period can be shortened．
Key words：hydropower plant；simulation modeling；graphic modeling；OTS2000
(責(zé)任編輯：楊虹)
(上接第315頁(yè))
Research of factors affecting the low-temperature cracking
resistance of hydraulic asphalt concrete
WANG Zhengxin91'2 LIU Zenghon91一．HAO Juta01’2
(1．ChinaInstitute ofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing 100038，China；
2．Beijing IWHR-KHL Co．，Ltd，Beijing 100038，China)
Abstract：The low—temperature cracking resistance of hydraulic asphalt concrete is an important factor that
affects its engineering application．Currently，cracking temperature is used to evaluate the low-temperature
cracking resistance of hydraulic asphalt concrete in China．This article researched the influence of different
bifferent bitumen type，bitumen content，aggregate gradation and filler content on the cracking temperature
based on the mix ratio design of asphalt concrete face slab of Hohhot pumped storage power station．Test
results show that the bitumen performance is the key factor affecting the cracking temperature．Especially，
the brittle point and ductility at 5℃of bitumen have a good correlation with the cracking temperature of asphah
concrete，but the mix ratio has little influence on the cracking temperature．The results can provide
reference for related projects and further study．
Key words： asphah concrete； low—temperature cracking resistance； cracking temperature
---——320·-———
(責(zé)任編輯：祁偉)

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