王黎明，雋海文

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

半柔性路面是以大空隙瀝青混合料為基體，灌入特制的水泥基灌漿料填充其內(nèi)部空隙而形成的一種剛?cè)岵?jì)的路面材料[1-3]。該材料具有優(yōu)異的抗車轍性能，近年來(lái)備受關(guān)注。然而，已有實(shí)際工程應(yīng)用表明：低溫縮裂是半柔性路面的主要破壞形式[4-6]。半柔性路面材料的低溫縮裂及其引起的進(jìn)一步損傷嚴(yán)重地影響路面耐久性[7]。因此，提高半柔性路面材料低溫抗裂性對(duì)于延長(zhǎng)其使用壽命、改善服役階段性能具有十分重要的意義。半柔性路面低溫縮裂主要受外部環(huán)境、路面結(jié)構(gòu)幾何尺寸和材料構(gòu)成等因素影響[8]。就材料本身而言，瀝青性能、基體的級(jí)配、灌漿料的性能等都可能對(duì)半柔性路面材料的低溫性能有重要影響。丁慶軍等[9]研究發(fā)現(xiàn)基體以均勻級(jí)配設(shè)計(jì)較以連續(xù)級(jí)配設(shè)計(jì)的半柔性材料性能優(yōu)越。趙國(guó)強(qiáng)等[10]研究發(fā)現(xiàn)基體采用改性瀝青后半柔性材料的低溫抗裂性有所提高，但該研究并未展開(kāi)討論基體瀝青的增粘和增彈哪方面對(duì)半柔性材料低溫抗裂性提高更有利。凌天清等[11]研究發(fā)現(xiàn)添加聚合物的灌漿料能改善半柔性材料低溫性能。然而，灌漿料的增彈對(duì)提高半柔性材料低溫抗裂性的貢獻(xiàn)文中并未論述。因此，上述因素對(duì)半柔性材料低溫抗裂性的影響規(guī)律還有待進(jìn)一步探討。

凍斷試驗(yàn)可以較好地模擬路面低溫縮裂受力過(guò)程，從而全面、直觀地反映多種因素對(duì)路面低溫性能的影響[12-14]。本研究基于凍斷試驗(yàn)，研究了基體設(shè)計(jì)空隙率、瀝青類型、水泥基灌漿料類型對(duì)凍斷溫度的影響，以評(píng)估目標(biāo)空隙率大小、瀝青增黏增彈效益、灌漿料增彈效益對(duì)半柔性材料低溫抗裂性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 瀝青

試驗(yàn)選用了90#基質(zhì)、SBS改性、TPS高黏改性等3種瀝青，具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 集料與礦粉

試驗(yàn)選用玄武巖集料及石灰石礦粉。依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的相關(guān)要求。

表1 瀝青的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of asphalts

表2 集料與礦粉的技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of aggregates and mineral powder

1.3 水泥基灌漿料

試驗(yàn)選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)砂采用天然河砂，過(guò)0.6 mm方孔篩后使用；外加劑分別采用UEA膨脹劑和FDN減水劑，其推薦摻量分別為膠凝材料用量的5%和1%；橡膠粉粒徑大小為40目，表觀密度為0.58 g/cm3；采用中裂型陽(yáng)離子乳化瀝青，濃度為62%。以上各材料性能指標(biāo)均滿足相關(guān)技術(shù)要求。

2 試件配合比設(shè)計(jì)

2.1 水泥基灌漿料配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)3種灌漿料，分別為普通型、橡膠粉型、乳化瀝青型。參照日本半柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范給出的水泥基灌漿料主要性能目標(biāo)值[15]，并以流動(dòng)度10～14 s、抗壓強(qiáng)度20～60 MPa、抗折強(qiáng)度>3 MPa為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)正交試驗(yàn)確定了上述3種水泥基灌漿料的配合比，見(jiàn)表3。各項(xiàng)性能均符合日本半柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范給出的技術(shù)參數(shù)要求。

表3 水泥基灌漿料配合比及技術(shù)參數(shù)Tab.3 Cement-based grout mix proportion and technical parameters

注：橡膠粉替代灌漿料中同體積的細(xì)砂；乳化瀝青的摻量按內(nèi)摻計(jì)。

2.2 基體瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

基體材料設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)分別是集料用量和油石比。借鑒體積法擬定20%～32%的4個(gè)目標(biāo)空隙率，以4%為變化步長(zhǎng)；對(duì)每個(gè)級(jí)配初擬2.5%～4.5%的油石比，以0.5%為步長(zhǎng)；按粉膠比1.15計(jì)算每個(gè)瀝青用量下礦粉用量。將目標(biāo)空隙率、初擬油石比、礦粉用量、材料密度、粗集料骨架間隙率等幾方面的參數(shù)代入方程組(1)即可求出不同目標(biāo)空隙率下的粗、細(xì)集料用量。

(1)

式中，qc，qf，qp為粗集料、細(xì)集料、礦粉的含量；qa為油石比；ρsc，ρtf，ρtp，ρa(bǔ)分別為粗集料自然堆積密度、細(xì)集料、礦粉的表觀密度和瀝青的密度；VVC，VVS分別為搗實(shí)狀態(tài)下的粗集料骨架間隙率、設(shè)計(jì)空隙率。

基體最佳瀝青用量的設(shè)計(jì)原則為既提供足夠膠結(jié)，又不流淌。因此采用謝倫堡析漏與肯塔堡飛散試驗(yàn)共同確定，以目標(biāo)空隙率24%為例，不同瀝青用量下的試驗(yàn)結(jié)果繪于圖1、圖2。

圖1 目標(biāo)空隙率24%析漏損失Fig.1 Leakage loss of 24% target void rate

圖2 目標(biāo)空隙率24%飛散損失Fig.2 Scattering loss of 24% target void rate

由圖1可知：曲線在3.6%處出現(xiàn)拐點(diǎn)，分別從曲線左右兩點(diǎn)做切線，相交點(diǎn)油石比約為3.6%，該處即為最大瀝青用量。由圖2可知：曲線在3.5%處出現(xiàn)拐點(diǎn)，分別從曲線左右兩點(diǎn)做切線，相交點(diǎn)油石比約為3.5%，該處即為最小瀝青用量。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，最佳瀝青用量的取值范圍為3.5%～3.6%，以3.6%作為最佳瀝青用量。同理，按上述方法即可獲取其他空隙率下的最佳瀝青用量。相應(yīng)級(jí)配曲線見(jiàn)圖3。

圖3 基體瀝青混合料級(jí)配曲線Fig.3 Gradation curves of matrix asphalt mixture

對(duì)最佳瀝青用量下的基體混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件進(jìn)行3組平行的空隙率檢驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果表明壓實(shí)基體試件的空隙率與目標(biāo)設(shè)計(jì)值差異較小，最大差異為0.7%，證明基體設(shè)計(jì)準(zhǔn)確。

表4 基體混合料空隙率測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test result of matrix mixture void ratio

3 試驗(yàn)方法與方案

3.1 試驗(yàn)方法

凍斷試驗(yàn)按照(AASHTO-TP10-93)進(jìn)行，采用輪碾成型試件，并利用振動(dòng)臺(tái)輔助達(dá)到飽滿灌漿，待膠漿快要凝固用工具刮去試件表面多余的灌漿料。養(yǎng)生28 d后切割成40 mm×40 mm×250 mm的棱柱體試件，之后將試件用環(huán)氧樹(shù)脂粘接在夾具上，待黏結(jié)劑固化后，在IPC UTM-30多功能材料試驗(yàn)機(jī)內(nèi)以5 ℃恒溫6 h。恒溫后試驗(yàn)的降溫速率為10 ℃/h，試驗(yàn)終止條件為試件斷裂。

每組試驗(yàn)安排6個(gè)平行試驗(yàn)(3個(gè)板式試件每個(gè)切取7條，隨機(jī)選擇其中2條)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的溫度-應(yīng)力變化過(guò)程曲線可得凍斷溫度、轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度、凍斷強(qiáng)度、斜率這4個(gè)指標(biāo)，如圖4所示。相關(guān)文獻(xiàn)表明：凍斷溫度指標(biāo)與低溫開(kāi)裂相關(guān)性最好，能較直觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)出混合料的低溫性能[16-17]。因此，本研究主要以凍斷溫度作為半柔性路面材料低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖4 溫度-應(yīng)力變化過(guò)程曲線Fig.4 Temperature-stress curve

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)分別考慮如表5所列的因素變化對(duì)半柔性材料低溫抗裂性的影響。凍斷試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，為便于試驗(yàn)和分析，設(shè)計(jì)未安排因素交叉影響，僅安排一組不接受處理的控制變量(空隙率24%、90#基質(zhì)瀝青、普通灌漿料)。既遵循單一變量原則，在考察某一因素影響時(shí)，安排其他因素為控制變量。

表5 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的因素Tab.5 Design factors of experiment scheme

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 空隙率對(duì)低溫性能的影響

本試驗(yàn)條件下采用基質(zhì)瀝青和普通灌漿料，只改變?cè)O(shè)計(jì)空隙率。綜合表6和圖5結(jié)果可知：隨著基體空隙率的逐漸增大，凍斷溫度呈先降低后升高的變化趨勢(shì)。其中在空隙率為24%時(shí)的凍斷溫度最低，即對(duì)半柔性路面材料來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)空隙率最佳值使得低溫抗裂性最優(yōu)。

表6 不同空隙率的半柔性材料凍斷試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Freezing test result of semi-flexible material with different void ratios

圖5 不同空隙率的半柔性材料溫度-應(yīng)力曲線Fig.5 Temperature-stress curves of semi-flexible material with different void ratios

當(dāng)空隙率處于20%～24%的較低區(qū)間時(shí)，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度之下的斜率明顯大于28%～32%的較高區(qū)間，且前者凍斷溫度顯著低于后者。這說(shuō)明過(guò)高的空隙率會(huì)使低溫抗裂性顯著降低。

4.2 灌漿料對(duì)低溫性能的影響

由表7和圖6可以看出：灌漿料的不同所對(duì)應(yīng)的凍斷溫度結(jié)果差異性較明顯，與普通型灌漿料相比較，橡膠粉型和乳化瀝青型的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度下斜率顯著降低，凍斷溫度分別降低了16.4%，24.6%。表明在普通灌漿料體系內(nèi)添加彈性聚合物或乳化瀝青時(shí)半柔性混合料的低溫抗裂性有所改善。

表7 不同灌漿料的半柔性材料凍斷試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Freezing test result of semi-flexible material with different grouts

圖6 不同灌漿料的半柔性材料溫度-應(yīng)力曲線Fig.6 Temperature-stress curves of semi-flexible material with different grouts

由于基體材料多孔且連通，瀝青材料的彈性模量又遠(yuǎn)低于灌漿料，材料降溫時(shí)的收縮應(yīng)力必然主要作用在硬化后模量較大的灌漿料上[18]。膠粉砂漿在拌和時(shí)有明顯上浮現(xiàn)象，需要借助表面活性劑增加相容性，體積替代率在本試驗(yàn)中無(wú)法設(shè)定為更高。在保證灌漿料流動(dòng)性和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)前提下，橡膠粉對(duì)灌漿料的模量調(diào)整作用不如乳化瀝青，其對(duì)半柔性材料低溫抗裂性的改善效果也不如乳化瀝青。

4.3 瀝青類型對(duì)低溫性能的影響

由表8和圖7可以看出：TPS和SBS改性瀝青半柔性混合料的凍斷溫度較基質(zhì)瀝青分別降低了31.4%和38.3%。二者對(duì)半柔性材料凍斷溫度的影響幅度都遠(yuǎn)大于灌漿料(最大24.6%)。

表8 不同瀝青類型的半柔性材料凍斷試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Freezing test results of semi-flexible materials with different asphalt types

圖7 不同瀝青類型半柔性材料溫度-應(yīng)力曲線Fig.7 Temperature-stress curves of semi-flexible material with different asphalt types

高黏的TPS和SBS都能顯著增強(qiáng)基體混合料黏附體系的黏結(jié)強(qiáng)度，而同時(shí)二者也對(duì)低溫彈性性質(zhì)有貢獻(xiàn)。原材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示TPS的增黏效果相對(duì)更強(qiáng)，SBS的增彈效益更好。而凍斷試驗(yàn)結(jié)果表明，采用SBS改性瀝青組的凍斷溫度降低幅度更大，即改性瀝青的增彈效果對(duì)改善半柔性材料低溫抗裂性更有利。

5 結(jié)論

研究以凍斷試驗(yàn)考察了基體設(shè)計(jì)空隙率、灌漿料、瀝青3種因素對(duì)半柔性路面材料低溫性能的影響。研究結(jié)果表明：

(1)凍斷試驗(yàn)可有效地區(qū)分出不同瀝青種類、不同灌漿料、不同空隙率半柔性混合料的低溫抗裂性改善效益。

(2)在20%～32%空隙率范圍內(nèi)，凍斷溫度隨著空隙率的增大呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，空隙率高于28%時(shí)低溫抗裂性顯著降低。存在一個(gè)最佳空隙率使半柔性路面材料低溫性能達(dá)到最佳，在24%附近。

(3)灌漿料增彈對(duì)低溫抗裂性的改善效果明顯。在保證流動(dòng)性和強(qiáng)度的前提下，乳化瀝青砂漿的改善效果好于膠粉砂漿。

(4)基體采用改性瀝青后對(duì)凍斷溫度的降低幅度達(dá)到31.4%～38.3%，遠(yuǎn)大于灌漿料影響。同時(shí)基體瀝青的增彈比增黏對(duì)改善半柔性材料低溫抗裂性更有利。