汪 成，宋 志

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.山東高速股份有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

我國《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)中規(guī)定，高速公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限為15 a，而實(shí)際情況下，瀝青路面在運(yùn)營2～3 a后就開始出現(xiàn)早期病害，大部分路面在5～8 a時(shí)開始進(jìn)入大面積維修階段。高溫永久變形和車轍是瀝青路面在重載和高溫條件下最易產(chǎn)生的病害[1-4]。利用水泥混凝土路面剛度大的特性可有效改善路面車轍問題，但其本身存在的接縫復(fù)雜、養(yǎng)生時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)同樣難以克服[5-6]。

灌入式路面是結(jié)合水泥混凝土和瀝青混凝土兩種路面特點(diǎn)博采眾長(zhǎng)而形成的一種新型路面結(jié)構(gòu)型式，混合料中骨架比例因水泥砂漿存在而增大[7]，通過耦合集料間嵌擠作用和水泥凝結(jié)硬化形成的強(qiáng)度來提升結(jié)構(gòu)層抵御荷載的能力，使灌入式路面具備“剛?cè)岵?jì)”的特性，同時(shí)水泥砂漿的加入相對(duì)而言減少了瀝青的相對(duì)比例，從而降低混合料的溫度敏感性[8-9]。法國在20世紀(jì)50年代開始研究半柔性路面，因其耐熱性良好，主要應(yīng)用于飛機(jī)跑道[10]。20世紀(jì)90年代，美國在混合料中引入了3%的波特蘭水泥，提升了材料的各項(xiàng)性能，并廣泛應(yīng)用于各類型道路上[11]。國內(nèi)對(duì)水泥砂漿灌入式復(fù)合路面研究較晚，主要還是在針對(duì)某一性能進(jìn)行研究，缺乏基于實(shí)體工程的深入研究[12]。填充在基體混合料中的水泥砂漿充分水化后可提升路面的抗滑、抗裂和抗車轍性能[13-14]，但發(fā)現(xiàn)灌入式路面仍存在易開裂、飛散的缺陷。目前國內(nèi)僅江蘇、河南、陜西等地開展了水泥砂漿灌入式半柔性路面小面積試驗(yàn)段鋪筑，尚未達(dá)到大面積應(yīng)用階段[15-18]。

為提升灌入式路面綜合服役性能，本研究引入乳膠改性劑，利用乳膠水泥砂漿灌入開級(jí)配瀝青混合料制備乳膠水泥砂漿灌入式復(fù)合路面混合料，使路面同時(shí)具備高強(qiáng)、高溫抗車轍、抗剪等特性。

1 原材料性能

采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、特細(xì)砂和乳膠粉復(fù)配得到灌入效果好、高溫抗變形及界面性能優(yōu)異的乳膠水泥砂漿，水泥、特細(xì)砂、乳膠粉基本性能如表1～3所示。

表1 水泥試驗(yàn)項(xiàng)目及技術(shù)要求

表2 砂試驗(yàn)項(xiàng)目及技術(shù)要求

表3 乳膠粉試驗(yàn)項(xiàng)目及技術(shù)要求

使用滿足技術(shù)規(guī)范要求的SBS 改性瀝青和集料，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

2 乳膠水泥砂漿配比優(yōu)化研究

水灰比、細(xì)料和礦料的用量會(huì)影響到水泥砂漿的工作性和強(qiáng)度，從而影響后續(xù)水泥砂漿的灌入效果，為保證砂漿兼具性能和灌入度要求，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，通過不同配比水泥砂漿下的流動(dòng)度、7 d抗折和7 d抗壓強(qiáng)度指標(biāo)確定乳膠水泥砂漿的最優(yōu)配比，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同配合比下乳膠水泥砂漿性能

試驗(yàn)結(jié)果表明，較大的水灰比有利于砂漿流動(dòng)性的提高，但是會(huì)使得砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度有一定損失。拌和水泥砂漿過程中加入乳膠粉，拌和物流動(dòng)性有所降低，但硬化后會(huì)提升砂漿的7 d抗折強(qiáng)度，同時(shí)，水泥砂漿的離析現(xiàn)象也因加入乳膠粉得到有效緩解。因此，確定水∶水泥∶細(xì)砂∶礦粉∶乳膠粉=720∶1 000∶497∶249∶30的比例作為灌入基體瀝青混合料的水泥砂漿質(zhì)量配比。

3 開級(jí)配瀝青混凝土設(shè)計(jì)

前期研究表明，現(xiàn)有排水瀝青路面的大孔隙瀝青混合料級(jí)配不適合進(jìn)行水泥砂漿的灌入，為提升砂漿灌入效果，本研究在借鑒具有30多年成功經(jīng)驗(yàn)的日本半柔性路面級(jí)配組成設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適合于水泥砂漿灌入要求的GOAC-13和GOAC-16級(jí)配。

3.1 GOAC-13配合比設(shè)計(jì)

參考GOAC-13級(jí)配設(shè)計(jì)范圍設(shè)計(jì)粗、中、細(xì)3種級(jí)配A，B，C級(jí)配設(shè)計(jì)組成結(jié)果如表6所示。以3.4%為初始油石比制備不同級(jí)配下的馬歇爾試件，通過測(cè)試3種混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、流值和空隙率確定設(shè)計(jì)級(jí)配，穩(wěn)定度要求>3.5 kN，流值要求范圍為20～40(0.1 mm)，空隙率要求為20%～28%，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

表6 3種級(jí)配設(shè)計(jì)組成

圖1 級(jí)配A，B，C的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖1表明，級(jí)配A，B，C下制備馬歇爾試件均滿足穩(wěn)定度和流值要求，而B，C不滿足空隙率在20%～28%的范圍要求，故以級(jí)配A作為GOAC-13混合料設(shè)計(jì)級(jí)配。采用3.4%為基礎(chǔ)油石比，0.3%為步長(zhǎng)成型馬歇爾試件，以馬歇爾穩(wěn)定度、流值和空隙率確定級(jí)配A的最佳油石比，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，確定GOAC-13混合料的最佳油石比為3.4%。

圖2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3.2 GOAC-16配合比設(shè)計(jì)

參考GOAC-16級(jí)配設(shè)計(jì)范圍設(shè)計(jì)粗、中、細(xì)3種級(jí)配D，E，F(xiàn)級(jí)配設(shè)計(jì)組成結(jié)果如表7所示。以3.2%為初始油石比制備不同級(jí)配的馬歇爾試件，通過測(cè)試3種混合料馬歇爾穩(wěn)定度、流值和空隙率確定設(shè)計(jì)級(jí)配，穩(wěn)定度要求>3.5 kN，流值要求為20～40(0.1 mm)，空隙率要求為20%～28%，為后續(xù)基體混合料與乳膠水泥砂漿復(fù)配做準(zhǔn)備，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

表7 3種級(jí)配的設(shè)計(jì)組成

圖3表明，級(jí)配D的穩(wěn)定度和流值均不滿足GOAC-16技術(shù)要求，故并排除。級(jí)配D和級(jí)配E在滿足穩(wěn)定度和流值的前提下，后者空隙率更大，更適合作為水泥砂漿灌入材料的基體材料，因而選用級(jí)配E作為GOAC-16混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配。以3.2%為基礎(chǔ)油石比，步長(zhǎng)0.3%制備馬歇爾試件，養(yǎng)護(hù)后通過馬歇爾穩(wěn)定度、流值和空隙率確定GOAC-16混合料的最佳油石比為3.2%，結(jié)果見圖4。

圖3 級(jí)配D，E，F(xiàn)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

4 灌入式復(fù)合路面混合料路用性能研究

成型好的乳膠水泥砂漿灌入式瀝青混合料試件，采用溫度為(20±1)℃，濕度為90%的條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，7 d后脫模進(jìn)行水穩(wěn)定性能、高溫性能、低溫抗裂性、抗剪和疲勞性能等路用性能試驗(yàn)，與AC-13和AC-16級(jí)配的SBS改性瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)乳膠水泥砂漿灌入式復(fù)合路面混合料的路用性能。為減小乳膠水泥砂漿的灌入效果對(duì)混合料性能的影響，以灌漿飽和度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在不同級(jí)配的最佳灌漿飽和度下進(jìn)行后續(xù)性能試驗(yàn)。

4.1 水穩(wěn)定性能

以殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

注：GOAC-13的灌漿飽和度均值為97.2%，GOAC-16的灌漿飽和度均值為96.7%。

注：GOAC-13的灌漿飽和度均值為95.9%，GOAC-16的灌漿飽和度均值為96.5%。

經(jīng)過圖5和圖6的試驗(yàn)結(jié)果分析可知，乳膠水泥砂漿灌入式瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比都保持在較高水準(zhǔn)，整體表現(xiàn)出較好的水穩(wěn)定性能。乳膠水泥砂漿灌入式瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度高于SBS改性瀝青混合料，而劈裂強(qiáng)度比則呈現(xiàn)相反的規(guī)律。分析可知，水泥為水硬性膠凝材料，即使在高溫和高濕環(huán)境下也可水化形成強(qiáng)度，灌入材料強(qiáng)度的增長(zhǎng)可彌補(bǔ)基體混合料因溫度上升導(dǎo)致的界面黏結(jié)力下降，使得乳膠砂漿灌入式復(fù)合路面混合料較SBS改性瀝青混合料相比強(qiáng)度損失較小，表現(xiàn)為水穩(wěn)定性較好。而在凍融劈裂試驗(yàn)中，試件需在-18 ℃環(huán)境條件下靜置16 h，低溫下水泥水化進(jìn)程停止，水泥砂漿強(qiáng)度無法形成，且已形成的水化產(chǎn)物在低溫和外力作用下呈現(xiàn)易脆裂的特性，造成混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致乳膠水泥砂漿灌入式瀝青混合料強(qiáng)度大幅降低，其凍融劈裂結(jié)果較SBS改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比相比更低。因而，乳膠水泥砂漿灌入式瀝青混合料更適合在南方高溫地區(qū)應(yīng)用，避免因凍融循環(huán)導(dǎo)致混合料水穩(wěn)定性劣化。

4.2 高溫性能

以車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同混合料類型和不同級(jí)配下的車轍試件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

注：GOAC-13的灌漿飽和度均值為96.6%，GOAC-16的灌漿飽和度均值為96.8%。

由圖7可知，瀝青作為典型的黏彈性材料，高溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生流變特性，而水泥砂漿作為剛性材料，溫度敏感性較差，水泥水化完全后在混合料內(nèi)部形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成骨架作用的同時(shí)限制瀝青流動(dòng)，從而改善混合料的高溫性能。在灌漿飽滿度相近的情況下，經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GOAC-13混合料的高溫性能優(yōu)于GOAC-16，不同于以往AC-16混合料高溫性能優(yōu)于AC-13的認(rèn)知，說明細(xì)料更容易被水泥砂漿裹附形成強(qiáng)度，混合料整體剛度增大，表現(xiàn)為動(dòng)穩(wěn)定度增大，混合料的高溫性能優(yōu)異。

4.3 低溫抗裂性

以-10 ℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)的破壞彎拉應(yīng)變作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同混合料類型和級(jí)配下的小梁試件進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果如圖8所示。

注：GOAC-13的灌漿飽和度均值為96.9%，GOAC-16的灌漿飽和度均值為96.0%。

由圖8分析可知，GOAC-13的抗彎拉強(qiáng)度最高，GOAC-16次之，而AC-13和 AC-16相差無幾，強(qiáng)度最低。勁度模量與抗彎拉強(qiáng)度的趨勢(shì)一致，而破壞應(yīng)變則相反。分析可知，水泥砂漿凝結(jié)硬化后剛度大，模量大，低溫環(huán)境下收外力作用容易開裂，混合料產(chǎn)生脆裂現(xiàn)象。而SBS改性劑所具備的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可有效提升混合料的低溫抗裂性能，一定程度上彌補(bǔ)了強(qiáng)度的損失，混合料的低溫抗裂性能雖有降低，但仍滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

4.4 抗剪性能

為評(píng)價(jià)乳膠水泥砂漿灌入式瀝青混合料的抗剪性能，采用萬能試驗(yàn)機(jī)以直接剪切試驗(yàn)的最大剪切力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同混合料類型和級(jí)配下的試件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 混合料剪切試驗(yàn)結(jié)果

由表8分析可知，灌入乳膠水泥砂漿可顯著提升混合料20 ℃和60 ℃下的抗剪切能力，尤其是在60 ℃下的改善效果更為顯著。瀝青作為典型的黏彈性材料，隨著溫度升高其流變特性更加明顯，而水泥水化產(chǎn)物和乳膠形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以限制瀝青的流動(dòng)，從而在荷載作用下提升混合料的抗變形能力。同時(shí)，高溫可以促進(jìn)水泥水化產(chǎn)物的生成，使混合料結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，大大提升混合料的抗變形能力。

4.5 疲勞性能

采用UTM試驗(yàn)機(jī)開展疲勞性能試驗(yàn)，以疲勞壽命作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同混合料類型和級(jí)配下的試件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用應(yīng)力控制的方式，預(yù)壓力為10 kPa，預(yù)壓時(shí)間為1 min。施加的荷載為正弦脈沖荷載，荷載為混合料劈裂強(qiáng)度的30%，50%，70%；脈沖時(shí)間0.1 s，間隔0.9 s，試驗(yàn)溫度為20 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖9～圖10所示。

圖9 混合料劈裂強(qiáng)度結(jié)果

圖10 混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由圖9和圖10數(shù)據(jù)可知，混合料級(jí)配對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響較小，累計(jì)變形也相差不大。加入乳膠水泥砂漿可以顯著提升混合料的劈裂強(qiáng)度，減小同種應(yīng)力水平下的累計(jì)變形，但卻降低了材料的循環(huán)次數(shù)，即疲勞壽命。分析可知，水泥砂漿硬化后是一種剛性材料，模量大，硬度高，但易產(chǎn)生裂縫。雖與柔性材料復(fù)合，界面連接處裂縫風(fēng)險(xiǎn)仍舊較高，易破壞結(jié)構(gòu)完整性。為了降低水泥砂漿對(duì)灌入式路面混合料抗疲勞性能的影響，在實(shí)際工程中，應(yīng)選用黏結(jié)效果更好的膠結(jié)料，提高水泥砂漿對(duì)瀝青混合料界面的黏附性能，以避免混合料出現(xiàn)界面破壞和內(nèi)部裂縫，造成疲勞性能的降低。

5 灌入式路面力學(xué)特性模擬研究

本研究采用ABAQUS有限元軟件的力學(xué)分析部分深入了解灌入式復(fù)合路面結(jié)構(gòu)這種新型路面的力學(xué)特性。

5.1 有限元模型

針對(duì)我國現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)高速公路路面厚度的設(shè)計(jì)規(guī)范，上面層采用4 cm，下面層采用8 cm，水穩(wěn)基層厚度為40 cm，土基厚度為500 cm。設(shè)計(jì)3種路面混合料方案，設(shè)計(jì)方案如下。

(1)雙層改性瀝青：上、下面層均采用SBS改性瀝青混合料。

(2)單層灌入式復(fù)合路面：上面層采用細(xì)粒式SBS改性瀝青混合料，下面層采用乳膠水泥砂漿灌入式復(fù)合混合料。

(3)雙層灌入式復(fù)合路面：上、下面層均采用乳膠水泥砂漿灌入式復(fù)合混合料。

為更好模擬路面受力情況，采用長(zhǎng)5 m，寬4 m的平面模擬路面面層，擴(kuò)大尺寸反映半無限大空間基礎(chǔ)特性。有限元模型如圖11所示。荷載模型如圖12所示。

圖11 三維有限元模型

圖12 雙圓均布荷載(單位：MPa)

5.2 力學(xué)性能數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過模擬得到雙層改性瀝青路面、單層灌入式復(fù)合路面、雙層灌入式復(fù)合路面在不同結(jié)構(gòu)層厚度下各層層底橫向和縱向拉應(yīng)力及頂面最大位移，結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同路面混合料層底應(yīng)力

由圖13層底橫向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力可知，水泥砂漿可有效降低路面的層底拉應(yīng)力，保證路面結(jié)構(gòu)安全，且乳膠改性砂漿復(fù)合路面的對(duì)縱向拉應(yīng)力的貢獻(xiàn)更為顯著，且單、雙層灌入式應(yīng)力值差別較小。由圖14頂面最大位移可知，乳膠水泥砂漿灌入式瀝青路面的位移較小，水泥砂漿作為剛性材料，可有效抵抗路面變形，證明其可以應(yīng)用于公路各結(jié)構(gòu)層中。

圖14 不同路面混合料頂面位移

6 結(jié)論

本研究通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值仿真，對(duì)乳膠水泥砂漿灌入式復(fù)合路面進(jìn)行了較為深入的研究，主要結(jié)論如下。

(1)乳膠水泥砂漿灌入式瀝青路面中乳膠水泥砂漿最優(yōu)質(zhì)量配比為水∶水泥∶細(xì)砂∶礦粉∶乳膠粉=720∶1 000∶497∶249∶30。

(2)設(shè)計(jì)出適合于乳膠水泥砂漿灌入要求的GOAC-13和GOAC-16混合料，確定了兩種混合料的最佳油石比分別為3.4%和3.2%，且兩種級(jí)配下的大孔隙瀝青混合料的灌漿飽和度均在96%以上，實(shí)現(xiàn)水泥砂漿的飽滿灌入。

(3)以動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比、破壞彎拉應(yīng)變、最大剪應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)分別評(píng)價(jià)混合料的高溫、抗水損害、低溫、抗剪和疲勞性能。結(jié)果表明，加入乳膠水泥砂漿可明顯改善混合料的高溫穩(wěn)定性和抗剪性能，水穩(wěn)定性需要結(jié)合實(shí)際情況做出適當(dāng)調(diào)整，低溫性能雖略有降低，仍可滿足規(guī)范最低要求?；旌狭系钠趬勖欢ǔ潭壬嫌兴档?。

(4)對(duì)SBS改性瀝青面層、單層和雙層灌入式復(fù)合路面結(jié)構(gòu)的路面彎沉、彎拉應(yīng)力/應(yīng)變、剪應(yīng)力/應(yīng)變等進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)灌入式復(fù)合路面各層層底應(yīng)力、荷載作用下最大位移更小，表明該種結(jié)構(gòu)具有更好的抗變形能力。

(5)下一步研究方向：進(jìn)一步研究乳膠水泥砂漿基體瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)理論和方法；乳膠水泥砂漿包含水、水泥、礦粉、細(xì)砂、乳膠粉、改性劑，需進(jìn)一步研究水膠比、砂種類、砂膠比等對(duì)乳膠水泥砂漿性能的影響，研究乳膠水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)方法；進(jìn)一步研究齡期、水膠比、砂膠比、瀝青膠結(jié)料、乳膠等的加入對(duì)乳膠水泥砂漿灌入式瀝青路面路用性能的影響。