陳遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(陽光學(xué)院 土木工程學(xué)院,福建 福州 350015)

半柔性路面具備剛性路面和柔性路面材料的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于各等級(jí)公路、城市道路、收費(fèi)廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、港口碼頭以及機(jī)場(chǎng)的路面。目前，關(guān)于半柔性路面的研究取得了一定成果。孫雅珍等[1]通過正交試驗(yàn)法，分析了不同因素、不同摻量對(duì)水泥砂漿材料性能的影響規(guī)律，進(jìn)而確定了具有高強(qiáng)度、高流動(dòng)性和低膨脹特點(diǎn)的高性能水泥砂漿(HPCM)最佳配合比范圍，并通過車轍試驗(yàn)研究了水泥砂漿的灌漿效果。陳湘華等[2]評(píng)價(jià)了半柔性路面材料的抗裂性能，分析其開裂機(jī)理，采用半圓彎曲試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)不同溫度、不同母體孔隙率下半柔性路面材料的抗裂性能。邱鈺婷[3]采用ABAQUS有限元分析法建立了半柔性路面計(jì)算模型，模擬計(jì)算了水泥混凝土路面加鋪半柔性路面應(yīng)力，分析了不同因素對(duì)單層和雙層加鋪結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響。對(duì)半柔性材料路用性能的研究，大多集中在探討孔隙率、漿體灌入率、瀝青種類及材料級(jí)配對(duì)半柔性材料路用性能的影響規(guī)律，目的在于為半柔性路面材料工程設(shè)計(jì)與施工提供相關(guān)建議[4-7]，而關(guān)于不同灌入率對(duì)半柔性路面材料路用性能的影響研究較少。石磊等[8]研究了不同漿體灌入率對(duì)半柔性路面材料性能的影響，提出了漿體灌入率的最低要求，但未研究影響灌入率的因素及這些因素的影響程度。本文針對(duì)灌入率的影響因素及不同灌入率對(duì)半柔性路面材料路用性能的影響展開研究，對(duì)其高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，從濕熱地區(qū)路用性能角度提出對(duì)膠漿灌入率的最低要求。

1 原材料

1.1 瀝青混合料原材料

選用緊裝密度為1.665 g/cm3、表觀密度為2.684 g/cm3的輝綠巖礦料為粗集料，連續(xù)級(jí)配瀝青混合料的粗集料級(jí)配見表1；間斷級(jí)配瀝青混合料的粗集料級(jí)配為表1中的9.5～13.2 mm單一粒徑集料；選用表觀密度2.694 g/cm3的輝綠巖石屑為細(xì)集料，細(xì)集料的級(jí)配見表2；選用70#重載交通基質(zhì)瀝青，25 ℃針入度63.4(0.1 mm)，10 ℃延度68.3 cm，軟化點(diǎn)54.4 ℃；選用石灰?guī)r經(jīng)磨細(xì)后的礦粉，表觀密度為2.646 g/cm3。

表1 連續(xù)級(jí)配瀝青混合料的粗集料級(jí)配Tab.1 Gradation of continuous graded coarse aggregate

表2 細(xì)集料級(jí)配Tab.2 Gradation of fine aggregates

1.2 水泥膠漿原材料

選用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5、粒徑范圍分別為0～0.3 mm和0.3～0.6 mm的細(xì)砂及水，選用TW-3(F)早強(qiáng)高效減水劑和AEA膨脹劑。

2 半柔性路面材料配合比研究

2.1 連續(xù)級(jí)配基體瀝青混合料配合比

采用經(jīng)驗(yàn)法擬定級(jí)配曲線進(jìn)行試配，通過不斷調(diào)整粗、細(xì)集料的用量，測(cè)出其空隙率，將實(shí)測(cè)空隙率與設(shè)計(jì)空隙率相比較，最終獲得空隙率20%、25%、30%的連續(xù)級(jí)配瀝青混合料級(jí)配，見表3。

表3 連續(xù)級(jí)配瀝青混合料級(jí)配表Tab.3 GradationTable of continuous graded asphalt mixtures

2.2 間斷級(jí)配基體瀝青混合料配合比

采用體積法設(shè)計(jì)25%空隙率的間斷級(jí)配瀝青混合料，細(xì)集料、瀝青及礦粉的體積與瀝青混合料最終設(shè)計(jì)空隙率體積之和應(yīng)等于主骨架空隙體積[9]。將粗集料緊裝密度與粗集料表觀密度代入式(1)，得出粗集料的空隙率Vvc，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定礦粉用量為4.0%，設(shè)置5組瀝青用量分別為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%。聯(lián)立式(2)和式(3)，代入各已知量計(jì)算，得到粗集料用量和細(xì)集料用量見表4。

(1)

qc+qf+qp=100

(2)

(3)

式中：qc、qf、qp及qa分別為粗集料、細(xì)集料、礦粉及瀝青質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；Vvc、Vvs分別為粗集料緊裝空隙率和瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率；ρtc、ρtf、ρtp分別為粗集料、細(xì)集料和礦粉的表觀密度；ρsc為粗集料緊裝密度；ρa(bǔ)為瀝青密度。

表4 不同瀝青用量的集料計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results for aggregates of different asphalt content

采用謝倫堡析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)確定瀝青用量。將瀝青混合料倒入燒杯中放入烘箱，60 min±1 min后從烘箱取出燒杯，將混合料向下扣倒在玻璃板上，析漏量以圖1所示的黏附在燒杯上的瀝青結(jié)合料、細(xì)集料、瑪蹄脂等的總質(zhì)量占高溫受熱前的瀝青混合料總質(zhì)量的百分率表示。飛散損失以瀝青混合料馬歇爾試件在圖2所示洛杉磯試驗(yàn)機(jī)中旋轉(zhuǎn)撞擊達(dá)規(guī)定的次數(shù)后，瀝青混合料試件散落材料質(zhì)量的百分率表示。分別繪制上述5種瀝青用量的瀝青混合料的析漏量、飛散損失與瀝青用量的關(guān)系曲線(見圖3)，由曲線的“拐點(diǎn)”處得到最大(小)瀝青用量。

圖1 高溫狀態(tài)下的瀝青混合料析出Fig.1 Precipitation of asphalt mixture at high temperature

圖2 洛杉磯試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Los Angeles testing machine

(a)析漏量

(b)飛散損失圖3 析漏量、飛散損失與瀝青用量的關(guān)系曲線Fig.3 Curves of leakage, scattering loss and asphalt dosage

由圖3可知，謝倫堡析漏試驗(yàn)關(guān)系曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大瀝青用量為3.7%，肯塔堡飛散試驗(yàn)關(guān)系曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最小瀝青用量為3.5%，綜合二者結(jié)果，取3.6%為最佳瀝青用量。因此，間斷級(jí)配瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配見表5，瀝青用量為3.6%，礦粉用量為4.0%。

表5 間斷級(jí)配瀝青混合料級(jí)配表Tab.5 GradationTable of discontinuous graded asphalt mixtures

2.3 水泥膠漿配合比設(shè)計(jì)

針對(duì)0～0.3 mm和0.3～0.6 mm這兩種粒徑的細(xì)砂分別設(shè)計(jì)兩個(gè)砂膠比，另外再設(shè)計(jì)一組不加細(xì)砂的膠漿配比，水泥膠漿配合比見表6。

表6 水泥膠漿材料配比Tab.6 Ratio of cement mortar materials

3 灌入率的影響因素分析

3.1 灌入率測(cè)試方法

制作基體瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，測(cè)得其灌漿前的連通空隙率V1；采用光滑的防水材料包裹試件四周和底面，只留出其中一個(gè)灌漿平面；灌入水泥膠漿，等到其初凝以后、終凝之前，刮掉多余膠漿，使膠漿與混合料骨料齊平，測(cè)得其灌漿后的連通空隙率V2。則水泥膠漿的灌入率n為

(4)

3.2 灌入率測(cè)試結(jié)果

利用表6的5組水泥膠漿配合比與表3、表5的4種基體瀝青混合料配合比進(jìn)行組合，按上述方法測(cè)試其灌入率，結(jié)果見表7及圖4。

表7 灌入率試驗(yàn)結(jié)果 Tab.7 Test results of filling rate 單位：%

圖4 灌入率試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖Fig.4 Histogram of the filling rate test results

分析以上試驗(yàn)結(jié)果可知：

1)瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率對(duì)灌入率的影響

(1)對(duì)于不同空隙率的瀝青混合料，當(dāng)灌入同類型膠漿時(shí)，水泥膠漿的灌入率隨著設(shè)計(jì)空隙率增大而增大，這是因?yàn)榭障堵试酱?，封閉孔越小，水泥膠漿更容易灌入基體瀝青混合料。

(2)當(dāng)空隙率大于25%時(shí)，瀝青混合料空隙率對(duì)灌入率影響較小。以A型膠漿為例，空隙率25%的混合料灌入率比空隙率20%的混合料灌入率提高了18.5%，空隙率30%的混合料灌入率比空隙率25%的混合料灌入率提高了5.0%，提高幅度明顯降低，其他類型膠漿也是這種變化規(guī)律。

2)級(jí)配類型

對(duì)比空隙率為25%的連續(xù)級(jí)配和間斷級(jí)配瀝青混合料可知，其灌入率十分接近，說明空隙率25%時(shí)，級(jí)配類型對(duì)膠漿灌入率基本沒有影響。

3)細(xì)砂粒徑

(1)對(duì)于同一級(jí)配的瀝青混合料，當(dāng)灌入砂膠比相同但細(xì)砂粒徑不同的水泥膠漿(B-D、C-E)時(shí)，灌入率隨細(xì)砂粒徑增大而降低。砂膠比越大，灌入率降低的程度越明顯。

(2)使用粒徑為0.3～0.6mm的細(xì)砂時(shí)，即使灌入空隙率30%的瀝青混合料，其灌入率也僅為88.7%，其余空隙率瀝青混合料的灌入率大部分都小于75%；而使用粒徑為0～0.3mm的細(xì)砂時(shí)，可以顯著提高灌入率。因而本文建議水泥膠漿的細(xì)砂粒徑宜選用0～0.3mm。

4)砂膠比

對(duì)于同一級(jí)配的瀝青混合料，當(dāng)灌入細(xì)砂粒徑相同但砂膠比不同的水泥膠漿(B-D、C-E)時(shí)，灌入率隨砂膠比增大而減小。細(xì)砂粒徑越大，砂膠比對(duì)膠漿灌入率的影響越大。

4 灌入率對(duì)半柔性材料路用性能的影響分析

4.1 高溫穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

基于對(duì)灌入率的研究可知，C型膠漿和A型膠漿在空隙率25%的連續(xù)級(jí)配瀝青混合料中的灌入率約為90%，以此灌入率為飽和灌漿，以50%灌入率為半飽和灌漿。為評(píng)價(jià)高溫穩(wěn)定性能，制作空隙率25%的瀝青混合料車轍板，配制凈漿(A型膠漿)和砂漿(C型膠漿)兩種水泥膠漿灌入車轍板中作為車轍試驗(yàn)試件，灌入量分為未灌漿、半飽和灌漿以及飽和灌漿，同時(shí)設(shè)置未灌漿試件進(jìn)行對(duì)比。由于濕熱地區(qū)高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、極值溫度高，因此將車轍試驗(yàn)試件在20 ℃下養(yǎng)生7d后放入70 ℃環(huán)境下保持5h，在該溫度環(huán)境下進(jìn)行圖5所示的車轍試驗(yàn)，結(jié)果見表8及圖6。

圖5 半柔性路面材料車轍試驗(yàn)Fig.5 Rutting test of semi flexible pavement materials

表8 半柔性路面材料車轍試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Test results of semi-flexible pavement material rutting

圖6 半柔性路面材料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Dynamic stability test results of semi-flexible pavement materials

分析表8和圖6可知：在70 ℃試驗(yàn)溫度下，由于未灌漿試件在試驗(yàn)過程中，車轍深度迅速增大，在2min內(nèi)已達(dá)到15mm，因而將未灌漿試件動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)為0 次/mm；而半飽和灌漿與飽和灌漿的試件，動(dòng)穩(wěn)定度均達(dá)到了12 000 次/mm以上。說明水泥膠漿可以顯著提高半柔性路面材料的高溫穩(wěn)定性，且膠漿灌入率50%時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度已高于各類瀝青混合料的最高要求，也達(dá)到了《半柔性路面應(yīng)用技術(shù)指南》對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度大于10 000 次/mm的要求[10]。建議半柔性路面材料7d齡期，動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)為10 000 次/mm，灌入率應(yīng)不小于50%。

4.2 水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

制作兩批空隙率25%的瀝青混合料馬歇爾試件，配制凈漿(A型膠漿)和砂漿(C型膠漿)兩種水泥膠漿灌入試件，灌入量也分為未灌漿、半飽和灌漿以及飽和灌漿。一批試件灌入膠漿后在20 ℃下養(yǎng)生5d齡期后浸水48h，另一批試件不浸水，進(jìn)行圖7所示的馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)以測(cè)浸水馬歇爾穩(wěn)定度和標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度，計(jì)算出的半柔性路面材料殘留穩(wěn)定度見表9，浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖如圖8所示。

圖7 半柔性路面材料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)Fig.7 Marshall stability test of semi-flexible pavement materials

表9 半柔性路面材料殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Residual stability test results of semi-flexible pavement materials

圖8 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of water saturated Marshall stability

分析表9和圖8可知：

1)由于未灌漿試件在60 ℃熱水浸泡48h后已經(jīng)散掉，故未灌漿試件的殘留穩(wěn)定度即為0，半飽和灌漿試件殘留穩(wěn)定度為80%～90%，飽和灌漿試件殘留穩(wěn)定度為120%以上，說明水泥膠漿的灌入可以明顯提高半柔性路面材料的水穩(wěn)定性。

2)飽和灌漿試件的殘留穩(wěn)定度達(dá)到了100%以上，這是因?yàn)樗嘣嚰酿B(yǎng)生齡期僅為7d，在60 ℃熱水中浸泡48h后，膠漿強(qiáng)度快速增長(zhǎng)，使得浸水馬歇爾穩(wěn)定度比標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度還要高。建議半柔性路面材料7d水穩(wěn)定性指標(biāo)應(yīng)不小于100%;結(jié)合圖8分析可知,膠漿灌入率應(yīng)至少不小于70%。

5 結(jié)論

通過對(duì)灌入率的影響因素研究，以及不同灌入率半柔性路面材料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性的評(píng)估，可以得到以下結(jié)論：

1)采用增大瀝青混合料的空隙率、選用較小砂膠比和較細(xì)粒徑的細(xì)砂拌制水泥膠漿等方式均可提高膠漿灌入率。

2)當(dāng)空隙率大于25%時(shí)，瀝青混合料空隙率對(duì)灌入率影響較小，而級(jí)配類型對(duì)膠漿灌入率基本沒有影響。

3)灌入率顯著影響半柔性材料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，為保證半柔性路面材料路用性能，建議膠漿灌入率應(yīng)至少不低于70%。