公路半柔性路面材料路用性能分析研究

2022-07-14史亚峰

粘接 2022年7期

史亚峰

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037)

随着我国经济的不断增长，国家越来越重视道路交通的施工建设，对高等级公路路面性能的要求也越来越高。传统路面主要包括沥青和水泥路面，在外界恶劣环境的干扰下，2种路面材料均易出现车辙、低温开裂等现象，如何有效解决传统道路存在的问题成为人们关注的焦点之一。本研究提出一种半柔性路面材料，并对该材料的性能进行测试，验证其性能的优劣；将其用在公路建设中，有利于提升公路施工建设的经济效益。

1 公路灌注式半柔性路面材料制备

半柔性路面材料主要由沥青混合料及灌浆材料共同组成。本研究为验证半柔性路面材料的性能，采用A、B型2种灌浆料完成半柔性路面材料的制备，对该路面材料进行不同时间的养护，以此提升半柔性路面材料的性能，并将半柔性路面材料与3种常规沥青路面材料进行对比分析。3种常规沥青路面材料包括SMA-13、AC-13C和SUP-13。

1.1 半柔性路面材料试件制备

由于灌浆材料流动性较高，需要在30 min内将灌浆材料灌注于半柔性路面材料中。为此，本研究采用振动下渗法完成灌浆材料的灌注，并按照规范要求完成半柔性路面材料试件的制备，待制成的试件完全冷却后，对该试件进行脱模。为验证半柔性路面材料的不同性能，分别制备成型马歇尔、车辙板以及旋转压实等试件。试件制备完毕后，采用保鲜膜或者透明胶带将试件的四周完全密封，仅留出一个未封闭的面进行灌浆，该方式可有效防止试件内浆液渗出。将试件放置于水泥振动台上端，启动水泥振动台，采用边震动边灌浆的方式完成半柔性路面灌浆，直至浆体无明显下渗后，关闭水泥振动台，清理试件表面多余的浆体，使试件不受外界环境的干扰，有利于保证试验结果的精准度。试件凝固时间达一天后，将脱模后的试件放入温度为20 ℃、湿度为90%的标养室进行养护，养护时间到达规定龄期后，即为试件制备成功，对该试件进行性能测试即可。

1.2 地聚合物灌浆量确定

为检验半柔性路面材料内沥青混合料级配的合理性，将灌注率作为检验沥青混合料级配的重要指标，同时灌注率对半柔性路面材料的性能具有重要影响。为此本研究对半柔性路面材料内沥青混合料的连通孔隙率进行计算，连通孔隙率实际上指的是沥青混合料中存在的空隙，连通孔隙率的数值可直接决定灌浆材料的体积，该数值越大，可表明沥青混合料的可填充性能越强。半柔性路面材料内沥青混合料的连通孔隙率计算公式为：

(1)

式中：代表沥青混合料的连通孔隙率；代表试件体积，cm；代表计算直径，cm；代表试件计算高度，cm；代表密闭空隙体积，cm；代表完全干燥的试件在空气中的质量，kg；代表试件在水中的质量，kg；代表水的密度，g/cm。

试件完成灌浆操作一天后，对试件表面多余的浆体进行清理，以此保证试件表面的平整性。试件清理完毕后，完成试件灌注率的计算，其计算公式为：

(2)

式中：代表沥青混合料的灌注率；代表清理表面不规则浆体后试件的实际质量，g；代表沥青混合料毛体积密度，g/cm；代表清理表面不规则浆体后试件的实际毛体积，cm；代表灌浆材料的表观密度，g/cm。半柔性路面材料试验结果如表1所示。

表1 半柔性路面材料试验结果

通过对半柔性路面材料的灌注率进行测试可知，该材料内部沥青混合料含有闭口空隙，对地聚合物灌浆材料的灌注具有一定影响，但是灌注率仍可达到90%。该数据表明地聚合物可提升半柔性路面材料的填充性，有利于改善半柔性路面材料的灌浆效果。

2 公路半柔性路面材料路用性能的研究

2.1 半柔性路面材料的高温稳定性

本研究为验证半柔性路面材料的高温稳定性，利用车辙试验对该材料进行性能测试。在该材料高温稳定性试验开始之前，应对半柔性路面材料进行准备工作。首先完成车辙板试件的灌浆，灌浆操作完毕后，将车辙板试件静置1 d，并完成车辙试件的脱模养护，直至标准龄期后，对车辙试件进行装模，全部准备工作均完毕后，即可开始车辙试验。试验过程中将温度控制在60 ℃，轮压为0.7 MPa，SFP-13沥青混合料车辙试验结果如图1所示。

图1 SFP-13沥青混合料车辙试验结果

由图1可知，B型灌浆材料的性能最优，2种灌浆材料的高温性能均与标准龄期之间呈正比关系变化，随着标准龄期的不断增长，可使材料的高温性能得到改善。产生该现象的主要原因：龄期的增加可使材料强度不断增长，有利于试验初期减小车辙的深度，并提高半柔性路面材料的动稳定度。在试验后期的地聚合物强度的增长速度逐渐放缓，此时材料的动稳定度趋于稳定状态。采用对比分析的方式对半柔性路面材料和常规沥青路面材料进行比较可知，半柔性路面材料的性能明显优于普通材料，当试验龄期达到7 d时，该材料的动稳定度超过常规材料的2倍，由此可证明半柔性路面材料的高温稳定性符合试验要求。由于半柔性路面材料内灌注了地聚合物灌浆材料，可有效填补半柔性路面材料间存在的孔隙。随着灌浆材料的不断灌入，使半柔性路面材料的结构更加密实，有利于降低半柔性路面材料对温度的敏感性，通过该方式即可提升半柔性路面材料的抗高温变形能力。

2.2 半柔性路面材料低温抗开裂性

本研究为验证半柔性路面材料的低温抗开裂性，利用低温小梁弯曲试验对该材料进行性能测试。在试验开始之前，应对半柔性路面材料进行准备工作。首先完成低温小梁弯曲试件的灌浆，等待试件静置1 d后，将其切割成多个试件，对其进行脱模养护。全部准备工作均完毕后，即可开始低温小梁弯曲试验。试验的温度应控制在-10 ℃、加载速率为50 mm/min；SFP-13沥青混合料低温小梁弯曲试验结果如图2所示。

图2 SFP-13沥青混合料低温小梁弯曲试验结果

由图2可知，B型灌浆材料的性能最优，两种灌浆材料的低温抗开裂性均与标准龄期之间呈正比关系变化，随着标准龄期的不断增长，可使材料的低温抗开裂性得到改善。采用对比分析的方式对半柔性路面材料和常规沥青路面材料进行比较可知，半柔性路面材料的抗弯拉强度较强、最大弯拉应变能力逊于常规沥青路面材料，产生该现象的主要原因：半柔性路面材料内部含有较高含量的地聚合物，该地聚合物实际上是一种刚性材料，将地聚合物应用于半柔性路面材料的制备，可有效提高半柔性路面材料的可填充性以及刚度。随着半柔性路面材料刚度的不断增强，在一定程度上可降低该材料的变形能力，使该材料在低温环境下易出现开裂现象；但是B型灌浆材料属于一种有机聚合物乳液，该材料在性质方面趋近于沥青，可与沥青混合料之间充分融合。由此可知，B型灌浆材料的界面强度优于A型。

2.3 半柔性路面材料的水稳定性

本研究为验证半柔性路面材料的水稳定性，利用浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验对该材料进行性能测试。在测试开始前，对灌浆后的试件养护至标准龄期。由测试结果可知，该材料的残留稳定度高达100%，可满足设计要求，主要原因：将试件置于温度为60 ℃的水中浸泡，试件中地聚合物在高温环境下快速反应，试件表面出现凝结硬化现象，由此提升该试件的残留稳定度。随着龄期的不断增长，在一定程度上可提高试件的水稳定性。通过对试件的冻融劈裂强度比进行分析可知，将材料放置于冰箱内存储18 h，地聚合物的强度不断增长，这有利于提高该材料的水稳定性。综合半柔性路面材料水稳定性能的2项指标，在后期对半柔性路面材料进行制备时，为最大限度地提升半柔性路面材料的水稳定性，应保证灌浆量的充足。