不同类型浆料对半柔性材料路用性能的影响研究

蔡玉斌， 熊子佳， 龚明辉， 邓 成， 彭 刚， 张立华， 洪锦祥

(1.盐城市公路处养护科， 江苏 盐城 224000； 2.江苏苏博特新材料股份有限公司， 江苏 南京 210000；3.高性能土木工程材料国家重点实验室， 江苏 南京 210000)

0 引言

沥青路面是目前我国最常见的一种路面结构形式。沥青属黏弹性材料[1-3]，夏季高温时，路面的强度和抗变形能力降低[4]，当受到车辆荷载的反复作用，路面出现车辙、拥包等病害[5]。经研究发现，在大空隙基体沥青混合料(空隙率为20%～28%)中灌入水泥基灌浆材料，形成的路面材料兼具刚性和柔性[6]，这种半柔性路面能有效减少车辙病害的产生[7]。

半柔性路面抗车辙能力远优于沥青路面[8]，且其抗裂能力[9]、行车舒适性优于水泥混凝土路面[10]。另外，半柔性路面材料具有耐油[11]、耐酸、耐热、耐水、抗滑和易着色等特性[12]。半柔性路面材料应用极为广泛，可用于十字路口、公交车专用道、长大纵坡路段[13]、机场道面、港口码头、加油站、收费站等车辙严重的道面[14]，不仅适用于车辙病害路面的处治维修，也可用于新建路面。

近年来，国内外学者对半柔性路面材料进行了广泛研究。Abolfazl等[15]对半柔性路面的设计、施工和性能进行研究，结果表明半柔性路面因其显著的特点和机械性能，有可能替代部分沥青和混凝土路面。Zarei[16]发现在沥青乳液与水泥比(AE/C)约为0.4时，具有乳化沥青的半柔性路面材料比仅有水泥浆料的半柔性材料更适合于夏季炎热和冬季寒冷的潮湿地区。Cai等[17]研究了高性能浆体与普通水泥浆对半柔性材料的影响，结果表明高性能浆体具有更好的路用性能，高性能水泥浆体基体的空隙率应为21%，而纯水泥浆体的基体空隙率应为24%。潘大林等[18]提出了通过计算主骨架空隙率再确定沥青和细集料用量的方法，保证沥青混合料基体有效空隙率达20%～25%。程磊等[19]将均匀设计法和SPSS统计软件相结合，探明了影响水泥灌浆料性能的关键因素，并确定了其最佳配比。张荣鹍[20]基于材料结构组成，分析了沥青相与浆料相间的相互作用关系，阐释了半柔性路面材料的强度形成机理及关键影响因素，并开发了具有高渗透性、低收缩率的水泥胶浆。袁高明等[21]采用钢渣集料制备的半柔性路面材料基体，发现其高温稳定性与采用玄武岩集料制备的半柔性路面材料相当。

现有的研究主要聚焦于半柔性路面沥青混合料基体的设计方法、水泥基材料设计等方向，对于影响半柔性材料刚柔特性的浆料强度研究较少。

本文基于两种特征浆料(早强型ES和高强型HS)的半柔性路面材料，与普通AC型沥青混合料对比分析，研究了半柔性材料的高温、低温、抗水损性能和疲劳性能，表征了不同浆料对半柔性材料路用性能的影响规律，探明了半柔性材料的路用性能特性。

1 试验方案

1.1 原材料

1.1.1SBS沥青

采用SBS沥青，其性能指标按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[22]要求测试，均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[23]要求。具体指标如表1所示。

表1 SBS沥青性能指标项目针入度(25 ℃)/0.1 mm延度(5 ℃)/cm软化点/℃结果试验6530.656.8测试方法T0604-2011T0605-2011T0606-2011项目薄膜烘箱试验(163 ℃/5 h)质量变化/%针入度比/%试验结果<154测试方法T0610-2011T0610-2011

1.1.2矿料

采用玄武岩集料和石灰石矿粉。基本指标按《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)[24]进行测试，集料的基本性能均满足规范[23]要求。

1.1.3改性剂

采用界面改性剂MA100，为淡黄色球形颗粒，颗粒直径为2～3 mm。

1.1.4水泥基灌浆料

水泥基灌浆料为实验室自制材料，将水泥、矿粉、外加剂等按一定比例混合制得。ES早强型灌浆料的强度前期发展增长较快，养护7 d达到稳定强度为35 MPa；HS高强型灌浆料的强度发展较平稳，养护7 d达到稳定强度为90 MPa。试件灌浆后均放入标养室(20 ℃、90%湿度)养护7 d。

1.2 沥青混合料制备方法

混合料级配类型为SFP-13型，油石比为3.5%，级配见表2。集料加热温度175 ℃，沥青加热温度160 ℃，混合料拌和温度175 ℃，改性剂MA100以直投法加入拌锅中，掺量占沥青混合料质量的0.3%。

表2 SFP-13级配表以下筛孔(mm)的通过率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075100.079.0157.06.35.25.65.04.63.9

为与普通沥青混合料进行对比分析，同时成型AC-13型级配沥青混合料，油石比为5.0%，级配如表3所示。集料加热温度175 ℃，沥青加热温度160 ℃，混合料拌和温度175 ℃，加入抗车辙改性剂，以直投法加入拌锅中，掺量占沥青混合料质量的0.3%。

表3 AC-13级配表以下筛孔(mm)的通过率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075100.0 94.8 80.9 57.0 31.6 24.1 20.1 15.5 11.4 7.0

1.3 试验方法

1)车辙试验。按照规程[22]要求成型车辙板，尺寸为300 mm×300 mm×50 mm。采用QCZ-2型全自动车辙试验仪测试动稳定度和最大车辙深度。试验温度为60 ℃和70 ℃，轮压为0.7 MPa，橡胶轮碾压速度为(42±1)次/min。

2)单轴贯入试验。旋转压实成型试件后取芯并切割，实验试件尺寸为100 mm(直径)×100 mm(高)圆柱。采用28.5 mm钢制平面压头，实验温度为15 ℃、30 ℃、45 ℃和60 ℃。

3)小梁弯曲试验。采用IPC UTM-30型试验机，通过低温弯曲试验测定沥青混合料的低温性能。按照规程[22]要求，将轮碾成型的车辙板用切割机制成尺寸为250 mm×30 mm×35 mm和300 mm×50 mm×50 mm的棱柱体，作为沥青混合料小梁试件。试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min。

4)抗水损害性能试验。采用浸水马歇尔实验和冻融劈裂试验评价材料的抗水损害性能。按照规程[22]要求，成型为63.5 mm(高)×101.6 mm(直径)的小马歇尔试件。马歇尔试验温度为60℃，冻融劈裂试验温度为15 ℃。

5)SCB试验。将半圆试件预切缝(缝宽为0.5 mm，深为10 mm)，模拟路面开裂。将直径100 mm的半圆试件平均切半，厚度为50 mm，两支点间距为0.8 mm，加载速率为10 mm/min。

2 试验结果分析

2.1 车辙试验

成型的车辙板待沥青基体冷却后可直接灌浆，如图1所示。试验结果如表4所示。

由表4可知，半柔性路面材料ES和HS的动稳定度分别为26 250次/mm和37 059次/mm，是AC型沥青路面材料抗车辙性能的9.9～14倍。半柔型材料在45～60 min的车辙发展期，车辙深度仅有微小增加。当温度升高时，材料的动稳定度均减小。为表征温度升高对动稳定度的影响，引入动稳定度损失率指标DS0，即:

由表4可知，HS损失率仅为AC型的45%，ES损失率为AC型的71%。由此可知，半柔性材料有较好的高温稳定性。这是因为半柔性路面材料中柔性沥青基体与刚性水泥基材料形成双网络结构，在高温条件下不易发生骨料转动和位移。HS型浆料比ES型浆料具有更好的抗车辙能力。

a) 灌浆前

b) 灌浆后图1 灌浆前后试件外观图

表4 60 ℃和70 ℃动稳定度值编号60 ℃70 ℃d1/mmd2/mmDS/(次·mm-1)d1/mmd2/mmDS/(次·mm-1)DS损失率DS0/%AC2.5412.6257 500 3.5493.7872 647 64.71ES0.7580.77148 462 0.9540.97826 250 45.83HS0.5250.53752 500 0.6590.67637 059 29.41

2.2 单轴贯入试验

采用单轴抗剪强度试验对不同类型的沥青混合料抗剪性能进行研究，如图2所示。试验温度为15 ℃、30 ℃、45 ℃和60 ℃。试验结果如图3所示。

图2 单轴贯入试验及试件破坏形式图

图3 抗剪强度曲线

由图3可知，随着温度增加，材料的抗剪强度减小。高强型HS与普通AC型的抗剪强度较大，但温度低于45 ℃时，早强型ES抗剪强度较小，温度达60 ℃时，3种材料抗剪强度基本相当。由于早强型ES浆料强度较小，在压力荷载时承载能力较小，且骨架间的沥青膜较薄，支承能力较弱。但在60 ℃高温时，沥青达到软化点温度，沥青胶结料面首先发生破坏，骨架结构失效，此时抗剪强度主要受沥青胶结料性能影响，与浆料性能相关性不大。

2.3 低温小梁弯曲试验

采用低温小梁试验表征半柔性路面材料的低温抗裂性。由于半柔性材料中浆体填充于沥青混合料基体连通的空隙，当浆体固化后，其在基体骨架中呈上下贯穿分布。为减小尺寸效应的影响，除成型切割传统尺寸为25 mm×35 mm×250 mm的小梁外，还成型切割了50 mm×50 mm×300 mm的大尺寸小梁试件。试验结果如表5所示，其中R为抗弯拉强度，ε为最大弯拉应变，S为弯曲劲度模量。

由表5可知，AC型普通沥青混合料ε为半柔性材料的1.1～1.3倍。这是因为AC型沥青混合料中集料骨架是由较多黏弹性的沥青砂浆粘结，为柔性材料，变形能力较强。

表5 -10 ℃小梁弯曲试验结果编号25 mm×35 mm×250 mm50 mm×50 mm×300 mmR/MPaε/μεS/MPaR/MPaε/μεS/MPaAC7.041 9853 5478.896 2331 426ES7.271 5814 59811.565 6482 047HS7.371 7394 23810.085 2951 904

图4为不同试件断裂面。由图4可知，HS标准试件弯拉断裂失效面是沿浆料或沥青内部，而HS大尺寸试件断裂失效面出现了浆料与沥青的脱粘，说明HS浆料内聚力大于浆料与沥青的粘附力，从而导致大尺寸试件试验中HS强度小于ES强度。

根据应力-应变曲线计算-10 ℃不同尺寸小梁的应变能密度，结果如图5所示。

图4 不同试件断裂面

图5 不同尺寸试件断裂能

由图5可知，不同尺寸试件的断裂能密度不同，大尺寸试件断裂能密度大于标准尺寸试件断裂能密度，且半柔性试件断裂能密度较大，这是因为半柔性试件断裂中存在刚性的浆料断裂。比较不同浆料试件可知，标准尺寸试件ES断裂能密度仅为HS断裂能密度的63%；大尺寸试件ES断裂能密度为HS断裂能密度的1.2倍，这是因为HS浆料强度高，内聚力强，大尺寸试件因HS浆料与沥青面脱附而失效。

2.4 抗水损害性能

评价材料的抗水损性能，试验试件如图6所示。试验结果如表6、表7所示。

由表6可知，ES和HS半柔性试件的残留稳定度值高于AC型沥青混合料。这是因为半柔性试件由沥青骨料与水泥基材料形成双网络结构，荷载强度高。高温和湿润环境会加速水泥基材料的水化过程，对于早强型ES半柔性材料，由于水泥浆料水化过程在养护时已基本完成，而高强型HS为半柔性材料，其水泥浆料水化过程较慢，7 d的养护期强度虽已基本稳定，但在高温湿润环境下水化不充分的组分进一步水化，产生强度，所以，高强型HS半柔性材料的残留稳定度较高，在浸水阶段试件进行了二次水化。

a) 封边

b) 灌浆

a) 养护图6 马歇尔试件封边、灌浆与养护

表6 浸水马歇尔稳定度及残留稳定度值编号浸水马歇尔稳定度/kN标准试样稳定度/kN残留稳定度/%AC9.6811.6982.81ES15.8618.1887.24HS21.9422.497.95

表7 劈裂强度及劈裂强度比编号劈裂强度/MPa标准试样劈裂强度/MPa劈裂强度比/%AC0.840.9885.71ES0.951.0987.16HS1.191.2198.35

由表7可知，半柔性试件的劈裂强度比大于AC型普通沥青混合料的劈裂强度比。主要是因为浆料灌注后，其空隙基本被填满，水分难以进入沥青膜内部形成剥离破坏。HS半柔性试件在60 ℃浸泡过程中发生二次水化，劈裂强度比达到98.35%。

2.5 SCB试验

SCB试验表征路面材料在弯拉作用下的柔韧性(FI值)和抗裂能力(断裂能E)。试验结果如图7所示。

图7 断裂能值与柔性指数图

由图7可知，在25 ℃试验条件下，ES和HS的E和FI值明显小于AC型沥青混合料，AC型沥青混合料为柔性，骨料间通过变形性强的沥青胶体连接，具有较好的柔韧性和抗裂能力。而半柔性材料因为空隙中填充了刚性的水泥基材料，在荷载作用下变形能力较差，易发生断裂，其力-位移曲线下的面积较小，断裂能较小。比较ES和HS可知，早强型半柔性材料E和FI值均大于高强型半柔性材料，说明早强型半柔性材料具有较好的抗弯拉性能。

3 结论

基于早强型ES和高强型HS两种特征浆料的半柔性路面材料，与普通AC型沥青混合料对比分析，研究结果表明：

1) 高温性能方面，半柔性路面材料高温稳定性明显优于普通沥青混合料，且温度升高10 ℃，动稳定度损失率仅为普通沥青混合料的45%～71%。HS动稳定度高于ES。半柔性材料60 ℃高温剪切破坏与浆料强度无关。

2) 低温性能方面，AC型沥青混合料最大弯拉应变大于半柔性材料。为减小尺寸效应，采用大尺寸试件试验，ES断裂能密度为32.77 kJ，优于HS的抗裂能力。

3) 抗水损方面，半柔性试件的残留稳定度为87.24%和97.95%，劈裂强度比为87.16%和98.35%；沥青残留稳定度为82.82%，劈裂强度比为85.71%。半柔性材料的抗水损害能力明显高于AC沥青混合料。

4) 抗裂性方面，AC沥青混合料断裂能为2682 kJ，大于半柔性材料的断裂能2 300 kJ。半柔性材料中ES材料E和FI值均稍大于HS，ES型半柔性材料具有较好的抗弯拉性能。