吳聰

摘要：文章以復(fù)合水泥膠漿為主要補(bǔ)強(qiáng)劑，瀝青混合料為基體，不同級配礦料為填充劑，通過機(jī)械灌注方法制備了灌注式瀝青混合料半剛性路面復(fù)合材料，其中三者界面以物理交聯(lián)的結(jié)合方式形成了骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)，基體瀝青混合料則屬于骨架-空隙結(jié)構(gòu)，復(fù)合水泥膠漿均勻分散在瀝青混合料基體中，使其兼具有瀝青混凝土路面與水泥混凝土路面特點(diǎn)。同時結(jié)合半剛性混合料粘結(jié)界面上的SEM掃描電鏡和傅立葉紅外光譜圖，對灌注式瀝青混合料半剛性路面的路用性能進(jìn)行測試分析。研究結(jié)果表明：半剛性路面具有優(yōu)良的耐水腐性、高溫穩(wěn)定性及較好的低溫抗裂性;基體瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率為28.3%時路用性能最優(yōu);水泥膠漿的加入增強(qiáng)了瀝青膠漿與級配骨料間粘結(jié)界面的特性，沒有改變?yōu)r青的特性;瀝青與礦料之間的物理吸附作用、水泥漿體與瀝青之間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及礦料與水泥晶體之間的粘結(jié)是復(fù)合材料增強(qiáng)增韌的原因。

關(guān)鍵詞：道路工程;瀝青混合料;灌注式半剛性;路用性能;機(jī)理分析

0 引言

灌注式瀝青混合料半剛性路面（下面簡稱復(fù)合材料路面）指的是當(dāng)瀝青混合料基體空隙率較大時，往瀝青混合料基體中澆灌注入特殊材料的砂漿，形成的一種路面結(jié)構(gòu)[1-4]，該結(jié)構(gòu)是通過骨料之間相互嵌擠、瀝青粘結(jié)和水泥膠漿凝結(jié)等共同作用下形成，其具有良好的韌性與剛度。對照常見的一般性瀝青混合料路面，此路面結(jié)構(gòu)在抵抗高溫變形、低溫抗裂、抗水腐和抗疲勞等方面性能都有不錯的表現(xiàn);對照水泥混凝土路面，該材料路面具有不錯的應(yīng)變松弛能力，在其路面上行車較為舒適，且在持久性、耐熱性和修補(bǔ)性方面與水泥混凝土路面相較更為優(yōu)良，是一種性能優(yōu)越的新型材料路面[5-8]。本文通過對不同空隙度基體性能測試和不同空隙度的復(fù)合材料路面試件性能測試，得出現(xiàn)場施工所用的礦料級配組合，結(jié)合傅里葉紅外光譜圖和復(fù)合材料粘結(jié)界面上的SEM掃描電鏡，對復(fù)合材料路面進(jìn)行試驗(yàn)、檢測、增強(qiáng)機(jī)理分析，所得結(jié)果對復(fù)合材料路面室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和工程施工應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

SBS改性瀝青來源為中國石化煉油銷售有限公司（各項(xiàng)指標(biāo)如表1），其余的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足對應(yīng)的規(guī)范要求。粗集料為輝綠巖，粒徑分布為5～10 mm、10～15 mm，來源為廣西某某公司的石料場;細(xì)集料則是石灰?guī)r的機(jī)制砂，粒徑分布五檔：0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm，來源為廣西某公司的石料場。錳渣礦粉（化學(xué)成分見表2），來源為南寧新路建材科技公司。橡膠粉復(fù)合水泥漿，材料的配比為：水泥∶膨脹劑∶細(xì)砂∶橡膠粉∶水=100∶5∶25∶5∶40[9]，水泥為P.O42.5;細(xì)沙為普通河沙，細(xì)度模數(shù)為1.4;采用硫鋁酸鈣型水泥砂漿膨脹劑;橡膠粉，粒徑為0.84 mm，纖維含量≥3%[10];另加入以萘系（UNF-5H）為主的緩凝性減水劑和粘稠劑。

1.2 復(fù)合材料路面試件制備

（1）瀝青混合料基體試件成型：本試驗(yàn)設(shè)計(jì)五種不同孔隙率（A1=28.3%、A2=28.4%、A3=28.6%、A4=28.7%、A5=29%）瀝青混合料基體試件，要求制作的試件在成型后其表面平整。制備的試件直徑大小應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件標(biāo)準(zhǔn)[11]，試件的高度要求在63.5±2.0 mm。制作好標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件之后，迅速地把試件兩端的吸油紙抽走，再橫向放置12 h以上，等待試件溫度下降到室溫，用預(yù)先準(zhǔn)備的橡膠軟皮墊于試件底部并整平，以免灌注時出現(xiàn)漏漿。

（2）灌注水泥膠漿：先把基體試件放到振動臺上夾緊，再將配制好的橡膠粉水泥復(fù)合砂漿在1 h之內(nèi)澆注到基體試件中，利用砂漿自重在靜止?fàn)顟B(tài)下灌入3/5砂漿，1 min后啟動振動臺，在振動過程中灌入剩余2/5砂漿外加50 g砂漿，使混合料中空隙率能夠被填滿，直到水泥砂漿不能灌注為止，并記錄下振動時間（不超過30 s）。待振動結(jié)束后，將表層砂漿整平。

（3）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)生：將制作好的復(fù)合材料路面標(biāo)準(zhǔn)試件在室溫中放置24 h，試件凝固之后脫模處理，再放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，經(jīng)過一段時間養(yǎng)護(hù)成型的復(fù)合材料路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料半剛性路面優(yōu)良的使用性能機(jī)制分析

復(fù)合材料路面具有復(fù)雜的組成結(jié)構(gòu)，是一種多層次（細(xì)觀、微觀、宏觀）的復(fù)合體系，其微觀結(jié)構(gòu)決定其具有優(yōu)良的宏觀力學(xué)路用性能。在復(fù)合材料界面理論中有一種說法認(rèn)為在微觀上復(fù)合材料路面的結(jié)構(gòu)與水泥混凝土類似，即在粗細(xì)集料中以網(wǎng)絡(luò)交錯的形式，構(gòu)成骨架并均勻分散在瀝青、水泥與瀝青水泥漿的兩側(cè)界面，其結(jié)構(gòu)是漸變過渡、非均質(zhì)的;改變界面區(qū)的組成、形態(tài)等結(jié)構(gòu)是影響復(fù)合材料性能的重要因素之一，也是能有效地提高瀝青混合料路用性能的關(guān)鍵點(diǎn)。

圖2為復(fù)合材料路面的切面圖及其典型結(jié)構(gòu)示意圖，從中可知，其有三種理想結(jié)合形態(tài)：

（1）第一種在瀝青和集料間相互作用，經(jīng)過瀝青的粘結(jié)，集料與瀝青成為一個整體的結(jié)構(gòu)。

（2）第二種是在基體中澆入水泥膠漿，其中的晶體結(jié)構(gòu)能跟瀝青膜相互作用，水泥漿體逐漸凝固，由原來的可塑狀慢慢變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水泥顆粒間的空隙被水泥水化產(chǎn)物（硅酸鈣凝膠）充滿，水泥在慢慢凝固的過程中，水泥水化產(chǎn)物慢慢填充到基體里面“骨架-空隙”結(jié)構(gòu)的空隙中，提高了瀝青混合料的緊密度、結(jié)實(shí)度。除此之外，在灌入水泥顆粒的過程中，部分水泥顆粒也會被瀝青所包覆，因此會在顆粒表層形成一層瀝青結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)空間內(nèi)自由的瀝青含量降低，結(jié)構(gòu)瀝青比重提高，復(fù)合材料路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粘聚力變大。

（3）第三種是水泥硬化而形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對集料間接地包裹，從而增加瀝青膜對集料的包裹性。

以上作用造成三種界面的結(jié)合形態(tài)是影響復(fù)合材料路面強(qiáng)度的重要因素，進(jìn)而直接影響復(fù)合材料路面的一系列重要性能指標(biāo)，如強(qiáng)度、耐久性、高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性等。

為了更深層次了解復(fù)合材料路面性能，對其機(jī)理進(jìn)行研究，通過掃描電鏡觀察復(fù)合材料界面微觀結(jié)構(gòu)。通過圖3中SEM電鏡照片可知，對比普通的瀝青混合料，復(fù)合材料路面中因添加了水泥膠漿，礦料與瀝青之間的粘結(jié)界面得以增強(qiáng)，且柱棒狀晶體充滿了粘結(jié)界面的孔洞。良好的界面粘結(jié)極大提高了半復(fù)合材料路面的力學(xué)路用性能[12-13]。

在瀝青混合物中將水泥膠漿混入，水泥膠漿產(chǎn)生出的晶體與水泥里的活性材料結(jié)合，再加上瀝青中所含的芳香分、飽和分、瀝青質(zhì)及膠質(zhì)等官能團(tuán)，粘結(jié)界面上就形成了相互鑲嵌的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而增加了界面過渡區(qū)的厚度[14-15]。圖4為瀝青混合料與復(fù)合材料半剛性路面材料紅外光譜圖，瀝青基體峰值沒有發(fā)生明顯的增加和偏移，瀝青與水泥并無明顯的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，也未加速瀝青的老化，僅是增強(qiáng)了混合料之間的粘結(jié)性能。

綜上分析復(fù)合材料路面的微觀結(jié)構(gòu)組成，可知其是由水泥膠漿在基體內(nèi)灌漿生成，基體為骨架-空隙結(jié)構(gòu)，水泥漿的灌入填充了空隙，通過硬化作用使基體混合料形成完整的一體，最終呈現(xiàn)骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)，兩者之間又呈現(xiàn)雙重網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)體系，使復(fù)合材料同時具有了剛性和柔性的功能。瀝青與礦料之間的物理吸附作用、水泥漿體與瀝青之間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及礦料與水泥晶體之間的粘結(jié)為復(fù)合材料提供了強(qiáng)度。隨著復(fù)合材料路面材料孔隙率不斷增大，水泥膠漿水化后形成的晶體與瀝青膜的界面相互作用（結(jié)構(gòu)瀝青）會減少，其路用性能降低。為了證明其界面作用機(jī)理對其宏觀路用性能的影響，進(jìn)行了一系列測試。

2.2 不同空隙率基體性能

圖5是五種空隙率基體材料馬歇爾試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，先看圖5（a），可以明顯知道A5空隙度基體的表觀密度低于指標(biāo)要求，而A1、A2、A3、A4的空隙率基體表觀密度符合要求。綜合5（a）、5（b）兩圖來看，隨著空隙度逐漸變大，其各項(xiàng)性能逐漸減小，當(dāng)空隙率為A1（28.3%）時，其馬歇爾試驗(yàn)性能最優(yōu)，此時三者界面結(jié)合效果為最佳。

2.3 不同空隙率復(fù)合材料路面水腐性能

圖6為不同空隙率復(fù)合材料路面浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果。圖中顯示，隨著基體材料空隙率慢慢增大，試件材料的殘留穩(wěn)定度慢慢降低，但都滿足建議指標(biāo)要求。A1、A2、A3空隙率試件殘留穩(wěn)定度均>100%，主要原因是A1、A2、A3空隙率試件中礦料的自由瀝青偏少，且復(fù)合水泥砂漿在60 ℃浸泡環(huán)境下其水化反應(yīng)加速，所以導(dǎo)致其浸水后的穩(wěn)定度大于浸水前。而A4、A5空隙率試件浸水后的穩(wěn)定度略小于浸水前，其原因是A4、A5空隙率試件中礦料的粘結(jié)存在足夠的自由瀝青（高溫會軟化）。結(jié)果表明，自由瀝青含量存在越多，其浸水后的穩(wěn)定度越小于浸水前穩(wěn)定度。

圖7為不同空隙率新材料路面凍融劈裂的試驗(yàn)結(jié)果。從圖可知，基體的空隙率越高，其凍融劈裂的性能就會越低，其中A5空隙率試件凍融劈裂抗拉強(qiáng)度低于指標(biāo)，其他空隙率試件全部符合指標(biāo)要求。

綜合以上兩個試驗(yàn)結(jié)果，不同空隙率復(fù)合材料路面水腐性能中，A1最強(qiáng)，A5最弱，具體排序大小為：A1>A2>A3>A4>A5。

2.4 不同空隙率復(fù)合材料路面高溫穩(wěn)定性

圖8為不同空隙率復(fù)合材料路面車轍試驗(yàn)結(jié)果。隨著基體空隙率慢慢變大，試件動穩(wěn)定度降低。以建議的動穩(wěn)定度指標(biāo)為基準(zhǔn)，A1、A2、A3、A4、A5空隙率試件動穩(wěn)定度分別為建議動穩(wěn)定度指標(biāo)的161.54%、138.46%、121.15%、107.69%、88.10%，說明A1空隙率的路面性能最優(yōu)，A5組最差。

根據(jù)車轍試驗(yàn)45 min和60 min車轍深度數(shù)據(jù)曲線分析，A1空隙率試件車轍深度最小，A5空隙率試件車轍深度最大。影響復(fù)合材料路面浸水車轍試驗(yàn)結(jié)果的主要原因與礦料間主要粘結(jié)材料和空隙率大小有關(guān)。由于A5空隙率試件中礦料間粘結(jié)存在足夠的自由瀝青，高溫、水環(huán)境、車輪荷載等因素的共同作用下，瀝青膠砂會發(fā)生軟化和變形的情況，從而導(dǎo)致試件抵抗變形下降。隨著基體空隙率降低，能促進(jìn)礦料間粘結(jié)的自由瀝青含量減少，結(jié)構(gòu)瀝青及水泥膠砂在礦料間粘結(jié)作用增多，該路面抵抗高溫、水環(huán)境、車輪荷載共同作用能力增加，即抵抗變形能力增加。

2.5 不同空隙率復(fù)合材料路面低溫抗裂性

圖9為不同空隙率復(fù)合材料路面低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果。由圖9可知，隨著基體空隙率增大，試件劈裂強(qiáng)度、破壞拉伸應(yīng)變性能慢慢降低，A1效果最佳;當(dāng)試件空隙率為A1時，破壞勁度模量最小，其低溫柔韌性好，抗裂性能最佳。

綜合分析得到，復(fù)合材料路面結(jié)構(gòu)的低溫抗裂性能跟基體瀝青膜的厚薄以及空隙率有關(guān)，即路面結(jié)構(gòu)中存有自由的瀝青，低溫環(huán)境下該材料的溫縮系數(shù)與水泥、礦料不同，在這三者之間產(chǎn)生了強(qiáng)大的拉縮應(yīng)力，當(dāng)拉縮應(yīng)力大于材料能承受的范圍之外，就會產(chǎn)生微小裂痕，進(jìn)而使復(fù)合材料路面結(jié)構(gòu)低溫性能降低。A1基體空隙率最低，其路面結(jié)構(gòu)的瀝青膜厚度適中，并且由于沒有自由的瀝青，其路面結(jié)構(gòu)的低溫抗裂性能達(dá)到了最佳狀態(tài)。

3 結(jié)語

（1）結(jié)合不同空隙率復(fù)合材料路面水腐性、高穩(wěn)性、低抗性等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，瀝青混合料基體設(shè)計(jì)孔隙率為28.3%時，其路用性能最佳。

（2）加入的水泥提高了瀝青與骨料間界面粘結(jié)特性，沒有改變?yōu)r青原有性質(zhì)，未促進(jìn)瀝青老化。優(yōu)良的界面粘結(jié)很好地提高了半剛性混合料的力學(xué)、路用性能。

（3）根據(jù)復(fù)合材料路面優(yōu)良使用性能的機(jī)制分析，瀝青與礦料之間的物理吸附作用、水泥漿體與瀝青之間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及礦料與水泥晶體之間的粘結(jié)為復(fù)合材料提供了強(qiáng)度。

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收稿日期：2020-06-10