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水工沥青混凝土低温抗裂性能的影响因素研究

文档作者：汪正兴1’2刘增宏1’2郝巨涛1’2 文档来源： 1．中国水利水电科学研究院 2．北京中水科海利工程技术有限公司		点击数：	更新时间： 2024年03月05日
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第14卷第4期中国水利水电科学研究院学报V01．14 No．4
2016年8月Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research August，2016
文章编号：1672—3031(2016)04—031 1-05
水工沥青混凝土低温抗裂性能的影响因素研究
汪正兴1’2刘增宏1’2郝巨涛1’2
(1．中国水利水电科学研究院。北京100038；2．北京中水科海利工程技术有限公司。北京100038)
摘要：水工沥青混凝土的低温抗裂性能是影响其工程应用的一个重要因素，目前国内采用冻断温度来评价水工沥
青混凝土低温抗裂性能。本文依托呼和浩特抽水蓄能电站沥青混凝土面板的配合比设计，研究了不同沥青品种、
沥青含量、骨料级配、填料含量等对沥青混凝土冻断温度的影响。试验结果表明，沥青性能是影响沥青混凝土低
温冻断温度的关键因素，其中沥青的脆点和5。C延度与沥青混凝土的冻断温度有较好的相关性，而配合比对对冻
断温度的影响较小。得到的结论可供相关工程及后续科研工作参考。
关键词：沥青混凝土；低温抗裂；冻断温度
中图分类号：TV543 文献标识码：A
1研究背景
doi：10．13244／j．cnki．jiwhr．2016．04．012
沥青混凝土具有优异的防渗性能¨。1，适用于各种水利防渗工程。沥青混凝土是一种黏弹塑性材
料，其性能受温度影响非常明显。当其用于寒冷地区的水利工程时，在温度的作用下，沥青混凝土
内部可能会产生相当大的收缩温度应力，严重时可能会导致开裂，如1979年建成的奥地利0sche．
niksee沥青混凝土面板坝坝高81 m，位于海拔2 391 m的阿尔匹斯山地区，运行中曾经历一35。C的低
温，导致面板出现了裂缝怕1，因此研究沥青混凝土低温抗裂性能具有重要的意义。在道路工程中，一
般采用低温弯曲应变来评价沥青混凝土的低温抗裂性能"圳。在水工领域，主要采用数值分析法n¨¨
和模型试验法，由于沥青混凝土的本构关系非常复杂，目前数值分析法还不能很好的评价沥青混凝
土的低温抗裂性能。而模型试验法具有简单直观的特点，因而应用广泛。模型试验法一般采用美国
SHRP计划提出的约束试件的温度应力试验TSRsT(the瑚al stress restrained specimen test)，国内称其为
冻断试验⋯。1 3|。
呼和浩特抽水蓄能电站(简称呼蓄)位于内蒙古呼和浩特市东北部的大青山区，上水库全库盆采
用沥青混凝土面板防渗，防渗总面积为24．48万m2，库区极端最低气温一41．8℃，上库沥青混凝土面
板设计冻断温度为≤一45．0℃。为目前最低温度，对沥青混凝土的低温抗裂性能有极高的要求，本文
结合该工程的配合比设计通过冻断试验研究了不同沥青品种、沥青含量、骨料级配、填料含量等对
沥青混凝土低温抗裂性能的影响。
2试验方法及内容
2．1试验方法沥青混合料制备、试件成型及冻断试验按照《水工沥青混凝土试验规程》(DL／
T5362—2006)中有关规定执行。沥青混合料拌合温度控制在150。170℃，成型温度控制在140。
1500C。沥青混凝土冻断试件切割为40 minx40 mmx220 am的棱柱体。
冻断试验装置采用中国水利水电科学研究院结构材料所的沥青混凝土冻断试验机，该设备由温
控箱、冻断试验机、量测系统、控制器、采集装置、软件及计算机组成。温控箱控制的温度范围
为一70℃～+100℃，精度0．1℃，温控曲线可编程。位移传感器精度1 am，力传感器精度1N，采集装
收稿日期：2015—12—14
作者简介：汪正兴(1984-)，男，安徽人，硕士，工程师，主要从事水工沥青混凝土防渗研究。E-mail：johnnywzx@163．com
一311—
万方数据
水工沥青混凝土低温抗裂性能的影响因素研究汪正兴刘增宏郝巨涛
置和软件能实现温度、应力、位移的实时采集和显示。；
冻断试验的原理是：随着环境温度降低，沥青混凝土
试件产生收缩变形，位移传感器检测到试件收缩变形量
后，通过软件控制冻断机对试件进行拉伸／停止控制，补。
偿产生的收缩变形，使试件标距内的长度保持不变，直到善
试件破坏。以此来模拟实际环境条件下，当环境温度降低瑙
时，沥青混凝土产生的收缩变形受到下层无限连续板体的
约束作用。
本文温控过程是10℃下恒温1 h，然后按照30℃，Il降
温，记录位移、温度及应力过程曲线。典型的冻断试验温
度一应力曲线见图1。
．t’
7
．，
．／‘
lO O 一10 —20 —30 一40 —50
温度／。C
图1冻断试验温度一应力曲线
2．2试验内容为了研究不同沥青品种、沥青含量、骨料级配、填料含量等对沥青混凝土低温抗裂
性能的影响，以单参数作为变量，分多阶段进行试验。
具体试验程序如下：
(1)根据工程经验选定1个配合比(见表1)采用几个厂家10种不同的沥青，拌制沥青混凝土，进
行沥青混凝土冻断试验。研究沥青性能对沥青混凝土冻断温度的影响。所用沥青品种及主要性能指
标见表2。
表1 沥青混凝土初选配合比
(2)选取上一步试验中冻断温度相对较低的1种沥青，通过改变不同的配合比参数，研究沥青混
凝土配合比对其冻断温度的影响。沥青混凝土矿料级配采用西安理工大学丁朴荣¨41教授提出的矿料
级配公式进行计算：
d．7—0．0757
Pi廿oo，s+(100-Po．075)寺五丽(1)
式中：D为矿料最大粒径(mm)；d为筛孔尺寸(mm)；P；为矿料在di筛孔上的总通过率(％)；r为级配
指数，表示矿料粗细程度的一个参数；P。m，为填料含量(％)。
(3)选取沥青含量7．5％、填料含量12％，采用0．15、0．2、0．3、0．4等4种不同级配指数组成沥青
混凝土进行低温冻断试验，研究矿料级配对冻断温度的影响。矿料级配计算结果见表3。
(4)在上一步试验的基础上，选取冻断温度相对较低的一种级配指数，并保持其他参数变，采用
6．9％、7．2％、7．5％、7．8％、8．1％等5种沥青含量组成沥青混凝土进行低温冻断试验，研究沥青含
一31 2—
万方数据
水工沥青混凝土低温抗裂性能的影响因素研究汪正兴刘增宏郝巨涛
量对冻断温度的影响。
(5)在上一步试验的基础上，选取冻断温度相对较低的一种沥青含量，并保持其他参数变，采用
10％、11％、12％、13％等4种填料含量组成沥青混凝土进行低温冻断试验，研究填料含量对冻断
温度的影响。
表3矿料级配指数选择
水工改性沥青1#(SBS改性) 一24 77 96 83 —44．3
水工改性沥青2#(SBS改性) 一21 66 86 82 —39．9
水工改性沥青3撑(SBS改性) 一25 78 102 81 —44．3
水工改性沥青5#(SBS改性) 一29 94．8 119 86 —45．4
水工沥青(SBS改性) 一17 56 103 75 —34．2
改性沥青l# 一18 54 105 63 —36．1
改性沥青2# 一18 46 76 59 —34．7
改性沥青3# 一17 24 65 56 —35．7
改性沥青5# 一22 75 108 79 —42．2
SK一2型改性沥青一28 95．4 1 15 75 —46．6
-50
-45
p
魁一40
赠
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
沥青脆点，℃
图2冻断温度与沥青脆点的关系
⋯；>
＼≮
>人
＼ ＼
y=0．175x一23．29 ＼＼
R=O．1 1095
■ ■
60 70 80 90 100 llO 120
针入度
图4冻断温度与沥青针入度的关系
p
越
赠
婚
送
p
魁
赠
餐
始
20 30 40 50 60 70 80 90 loo
5℃延度／cm
图3冻断温度与沥青5。C延度的关系
●
-＼。＼ ≮ ＼ ＼
y： ：0．175x-23． 29 ．＼
R=O．3095 ■
-
50 55 60 65 70 75 80 85 90
软化点
图5冻断温度与沥青软化点的关系
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
护、越赠罄婚
万方数据
水工沥青混凝土低温抗裂性能的影响因素研究汪正兴刘增宏郝巨涛
3试验结果及分析
3．1沥青性能对冻断温度的影响10种改性沥青成型的沥青混凝土各自冻断温度结果见表4，冻断
温度与沥青指标的相关关系见图2。图5。
从以上试验结果可以看出，沥青的脆点和5℃延度对沥青混凝土的冻断温度影响较大，沥青的脆
点越低、5℃延度越大，则相应的沥青混凝土冻断温度越低。针入度和软化点与冻断温度相关性较
差，可以认为没有明显相关关系。
沥青的针入度和软化点都是衡量沥青黏度的指标，和沥青混凝土低温抗裂性能的关系不大。
沥青的5℃延度反映了沥青在低温下的变形性能，5℃延度越大低温抗裂性能越好。沥青的脆点也是
度量沥青在低温下变形能力的指标，因而和冻断温度相关性较好；
3．2骨料级配对冻断温度的影响4种级配指数的沥青混凝土各自冻断温度结果见表5，冻断温度与
级配指数的相关关系见图6。
表5骨料级配对冻断温度的影响
-40
—4l
-42
p-43
恻
赠一44
落
蜷一45
-46
／k＼
／ 、、● 。＼． ／
表6填料含量对冻断温度的影响
p
越
赠
痞
蝇
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
级配指数填料含量，％
图6冻断温度与级配指数的关系图7冻断温度填与料含量的关系
从试验结果可以看出，在所选的骨料级配指数范围内，冻断温度变化不大，在试验误差范围之
内。说明采用连续密级配时，骨料级配指数对冻断温度影响不大。
3．3填料含量对冻断温度的影响4种填料含量的沥青混凝土各自冻断温度结果见表6，冻断温度与
填料含量的相关关系见图7。
从试验结果可以看出，随着填料含量增加，冻断温度逐渐降低，但当填料含量增加到12％以上
时，冻断温度较变化不大。
3．4沥青含量对冻断温度的影响5种沥青含量
的沥青混凝土各自冻断温度结果见表7，冻断温
度与沥青含量的相关关系见图8。
从试验结果可以看出，当沥青含量为7．5％
时，冻断温度最低，说明存在一最佳沥青含量。
沥青混合料中的沥青主要有三种状态：一是
固定状态的沥青，是指渗入碎石内部孔隙或和碎
石紧密结合的部分沥青。这部分沥青一般数量较
一314一
表7沥青含量对冻断温度的影响
万方数据
水工沥青混凝土低温抗裂性能的影响因素研究汪正兴刘增宏郝巨涛
少。二是结合状态的沥青，是指和细小颗粒填料等结
合形成胶浆或依附在碎石等颗粒表明形成沥青膜的部
分沥青。这部分沥青较多，而且很重要，它是沥青混
凝土黏结性和延性的主要来源，过少会影响沥青混凝，、
土性能。三是自由沥青，它是沥青混合料中多余的沥题
青，自由沥青过多时，也会影响沥青混凝土的性能。§
当填料含量在一定范围内增加时，会增加沥青膜一
和减少自由沥青含量含量，从而降低冻断温度。
当沥青含量少于7．5％时，沥青混凝土中的结合沥
青较少，沥青混凝土的冻断温度会升高。当沥青含量
高于7．5％时，沥青混凝土中出现了自由沥青，因而冻
断温度也升高。
4结论
■、
一|
’＼ r／一●
＼ ／
6．75 7．00 7．25 7．50 7．75 8．00 8．25
沥青含量『％
图8冻断温度与沥青含量的关系
(1)沥青性能对冻断温度影响最大，沥青的脆点和5℃延度与沥青混凝土的冻断温度有很大关
系，沥青的脆点越低、5℃延度越大，则相应的沥青混凝土冻断温度越低。针入度和软化点与冻断温
度没有明显关系；(2)采用连续密级配时，骨料级配指数对冻断温度影响不大；(3)对于填料含量，
当其低于某一极限值时，冻断温度随着填料含量增加而降低。当超过该极限值时，冻断温度变化不
大；(4)沥青含量存在一个最佳值，当低于或高于该值时，冻断温度都会升高；(5)相对于沥青混凝
土配合比，沥青品种对沥青混凝土冻断温度的影响更大，尤其是沥青脆点和5℃延度。因此对沥青混
凝土低温抗裂性能要求高的工程，首先要考虑沥青选材，必要时采用改性沥青。否则，依靠配合比
优化是解决不了工程问题的。
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(下转第320页)
一31 5一
O
l
2
3
4
5
6
4
4
o
4
o
o
4
万方数据
仿真系统图形化建模技术研究与实现张卫君张显兵王峥瀛李亦凡
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
(责任编辑：杨虹)
(上接第315页)
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·-———
(责任编辑：祁伟)

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