郭庆林, 张博昊, 高颖*, 李冷雪, 汲治鹏, 刘佳怡

(1. 河北工程大学土木工程学院, 邯郸 056038; 2． 中建路桥集团有限公司, 石家庄 050000; 3. 大连理工大学莱斯特国际学院, 盘锦 124221)

半柔性路面多用于重交通和重载路段,如道路交叉口和重工业厂区等。半柔性路面主要包括灌入式半柔性路面、水泥沥青混凝土路面和水泥乳化沥青混凝土路面等[1],灌入式半柔性路面主要是通过在大空隙母体沥青混合料中灌注水泥基灌浆材料制备得到,从而形成具有超强抗车辙性能的复合路面,其中,母体沥青混合料属于骨架-空隙结构[2]。

母体沥青混合料是灌入式半柔性路面材料的重要组成部分,一些研究[3-5]通过分析母体沥青混合料的级配和沥青用量得出2.36 mm筛孔通过率对空隙率影响较大,沥青用量范围为2%～5%,另外,试错法|6]也被研究人员用来优化级配和油石比。张东亮[7]通过马歇尔稳定度试验确定母体沥青混合料的最佳油石比,实验结果符合工程需求。刘长翛[8]通过空隙率、油石比、混合料密度对母体沥青混合料质量进行控制。母体沥青混合料应具有足够空隙,使灌浆料充分灌注,研究表明沥青骨架应至少有18%的空隙[9],灌浆后还应控制剩余空隙不超过5%,以保证半柔性路面较好的整体性。严守靖等[10]通过灌浆试验得到灌注率与预留灌浆深度计算公式,发现半柔性路面预留灌浆深度对其路用性能有一定影响。与传统开级配相比还应具有合理的强度。王伟明[11]选择间断级配设计的母体沥青混合料具有优良渗透性,但其强度较低对路用性能有一定影响。此外,众多研究也证明半柔性路面材料有优良的高温稳定性和水稳定性,但其抗疲劳性能不如普通沥青混合料[12-14]。综上,国内外学者已对半柔性路面的基本性能开展了诸多研究,母体沥青混合料性能对半柔性路面的力学性能有显著影响,而沥青性能好坏对沥青混合料性能的影响不容忽视。

因此,现通过室内试验方式,进行不同种类沥青下的级配优选,并对不同种类沥青制备的灌入式半柔性材料的灌注率、路用性能和强度进行分析。最终提出针对不同地区半柔性路面材料沥青种类的选择方法。

1 半柔性沥青路面试验设计

1.1 原材料

试验采用AH-70#沥青,集料为玄武岩,填料为矿粉通过石灰岩磨细得到,相应技术指标按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》进行试验,粗集料、细集料的性能指标结果如表1、表2所示。

表1 粗集料性能指标Table 1 Coarse aggregate performance index

表2 细集料性能指标Table 2 Fine aggregate performance index

依据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》制备SBS改性沥青(styrene-butadiene-styrene)、高黏沥青:SBS改性剂质量掺量为4.3%,高速剪切仪温度设置为175 ℃转速为3 000 r/min,将适量基质沥青和SBS改性剂按1∶0.43比例倒入高速剪切仪,剪切30 min,再将剪切好的SBS改性沥青在180 ℃烘箱发育30 min。高黏沥青改性剂质量掺量为17.6%,高速剪切仪温度为180 ℃转速为5 000 r/min,剪切30 min,最后在180 ℃烘箱发育30 mim完成制备。对后续试验采用的AH-70#沥青、SBS改性沥青和高黏沥青性能 指标根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》测试,AH-70#基质沥青、SBS改性沥青、高黏沥青性能指标如表3所示。

灌入式半柔性路面的灌浆料应具有良好的流动度和强度,良好的流动度能保证充分填充母体沥青混合料的空隙,但灌浆料不能出现“泌水现象”所以对灌浆料的流动度和泌水率进行测试,灌浆料的强度通过测试其7 d抗压强度、抗折强度来反映,各个技术指标依据JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行试验,结果如表4所示。

由表4可知,选取的灌浆料符合试验规程要求。

表3 不同种类沥青性能指标Table 3 Performance index of different kinds of asphalt

1.2 母体沥青混合料设计

母体沥青混合料是灌入式半柔性路面的重要组成部分,其结构为骨架-空隙结构,所以其级配不同于普通沥青混合料。为了在保证母体沥青混合料在有足够空隙的同时具有较好的强度,细集料的含量为重要的控制指标。本文中矿料级配要求参考DB23T 2799—2021《灌入式复合混凝土路面设计与施工技术规范》进行设计,结合前期工作和文献[3]发现对灌入式半柔性母体沥青混合料影响较大的因素为:2.36 mm集料含量和4.75 mm集料含量,所以本文在级配设计时选择2.36 mm集料含量≤4.5%、4.75 mm集料含量≤6%来保证母体沥青混合料的质量;本研究设计三种级配,级配关键筛孔通过率如表5所示。

母体沥青混合料油石比是影响空隙率、稳定度的主要因素;确定母体沥青混合料最佳油石比是半柔性路面配合比设计主要内容之一[15]。主要以空隙率、稳定度为优选指标,对母体沥青混合料的最佳油石比进行分析。根据实际工程经验拟定采用2.8%、3.2%、3.6%、4%这四种油石比成型马歇尔试件,然后将成型的试件通过体积法[16]测定其空隙率,通过马歇尔试验测定其马歇尔稳定度,优选表现优良的母体沥青混合料以确定最佳油石比。

表5 三种级配的设计组成结果Table 5 Three kinds of gradation design composition results

1.3 制备方法

依据马歇尔试件制备方法,成型大空隙母体沥青混合料,静置12 h后将试模底部用保鲜膜和胶带封死,之后固定在振动台上,将拌好的灌浆料立即灌注,边振动边灌浆,等浆体不下渗关闭振动台,用橡胶耙刮掉表面灌浆料,直至露出混合料最大粒径沥青骨料70%深度[10],因为灌浆料灌入太多会造成路面构造深度减小影响路面的抗滑性能,灌入太少会造成灌不满的现象不利于路面形成完整的整体,预留混合料最大粒径70%深度半柔性沥青路面性能最佳,静置24 h后脱膜放入温度为(20±3) ℃,湿度大于等于90%的养护室内养生。

采用轮碾法成型大空隙母体沥青混合料车辙板试件,灌浆过程与马歇尔试件相同,如图1所示。

为了检验本文设计方案的有效性,对母体沥青混合料的灌注效率进行了测算,灌注率的大小反映了母体沥青混合料的灌注情况,因此,对灌注率的检测是十分有必要的,灌注率即为灌注空隙率与总空隙率之间的比例[17]。通过水泥基灌浆材料密度与灌注质量,计算灌注体积,灌注体积与总空隙体积之差为灌注空隙率;灌注率计算公式为

图1 灌入式半柔性车辙板成型过程Fig.1 Forming process of semi flexible rutting plate

(1)

(2)

(3)

式中:β为灌注率;Vremain为母体沥青混合料灌浆后残留空隙率;Vmatrix为母体沥青混合料总空隙率;ρf为母体沥青混合料毛体积密度;ρt为母体沥青混合料最大理论密度;mc为灌注水泥基灌浆材料的质量;ρc为水泥基灌浆材料密度;V为试件体积。

1.4 路用性能研究

通过对比分析基质沥青、SBS改性沥青和高黏沥青对灌入式半柔性沥青路面路用性能的影响。半柔性路面的高温稳定性是指路面在荷载作用下抵抗永久变形的能力。路面高温稳定性差常常导致出现车辙,采用车辙试验对灌入式半柔性路面的高温稳定性能进行评价[18]。另外,路面的水稳定性是路面抵抗水损害的性能,水损坏是路面常见的病害,采用冻融劈裂试验对半柔性路面的水稳定性能进行评价[19]。通过试验结果,对基质沥青、SBS改性沥青和高黏沥青制备的半柔性材料的路用性能进行评价,并分别对不同种类沥青制备的半柔性材料养生3 d和7 d的试件性能表现进行对比分析。

2 结果分析

2.1 级配优选

为了确定灌注效果最好的级配,参照文献[3]的沥青用量,对不同级配的混合料进行对比分析,依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行马歇尔试验,结果如表6所示。

由表6可知:级配1、2的稳定度大于级配3,级配2的连通空隙率大于级配1。母体沥青混合料较高的稳定度能起更好的支撑作用,较大的连通空隙能使灌浆材料充分灌注、填充,所以综合考虑选择级配2。分别用基质沥青、SBS改性沥青和高黏沥青的2.8%、3.2%、3.6%、4%这四种油石比成型马歇尔试件,研究其空隙率和马歇尔稳定度以确定最佳油石比。稳定度、空隙率与油石比关系如图2、图3所示。

图2 稳定度-油石比关系图Fig.2 Stability asphalt-aggregate ratio diagram

图3 空隙率-油石比关系图Fig.3 Porosity asphalt-aggregate ratio diagram

由图2、图3可知:无论是基质沥青、SBS改性沥青还是高黏沥青,稳定度都在油石比为3.2%时达到“峰值”,空隙率随着油石比的增大呈现逐渐减小的趋势。相对于基质沥青,SBS改性沥青和高黏沥青能提升混合料的稳定度且提升程度相差不大,但改性沥青制备的母体沥青混合料空隙率有所下降。母体沥青混合料在半柔性材料中主要起支撑作用,SBS改性沥青、高黏沥青是灌入式半柔性材料的较好选择,通过对比分析,在空隙率满足条件的情况下,综合考虑采用3.2%为最佳油石比。

2.2 沥青种类对灌注率影响分析

用基质沥青、SBS改性沥青和高黏沥青制备的半柔性材料进行灌浆,并测试其灌注率,测试结果如图4所示。

图4 不同种类沥青混合料灌注率和空隙率Fig.4 Perfusion rate and porosity of different asphalt mixtures

由图4可知基质沥青、SBS改性沥青和高黏沥青制备的母体沥青混合料灌注率都比较高,在95%左右,且相差不大。沥青种类对灌注率影响不大的原因在于几种不同沥青种类的混合料沥青用量都较少,沥青全部包裹集料没有多余沥青填补空隙,此时灌注率与混合料级配有关,而这几种不同沥青种类的混合料级配相同。

2.3 路用性能分析

采用车辙试验对灌入式半柔性路面的高温稳定性能进行评价,试验结果如图5所示。灌入式半柔性路面水稳定性是影响道路性能和使用寿命的重要因素,本文采用冻融劈裂试验测试冻融劈裂强度比(TSR)检验半柔性路面的水稳定性能,试验结果如图6所示。

由图5可知,不同种类沥青制备的灌入式半柔性材料灌浆后动稳定度均在15 000 次/mm以上,高温性能表现为高黏沥青>SBS改性沥青>基质沥青。对于灌浆前的大空隙母体沥青混合料,沥青种类对其高温稳定性影响较大,改性沥青能明显提升母体沥青混合料的高温稳定性,这是因为大空隙母体沥青混合料中沥青膜较薄,不能提供足够的黏结力,但SBS改性沥青和高黏沥青本身的高温稳定性优于基质沥青,所以有更好的高温稳定性。灌浆后混合料和灌浆料共同抵抗车辙变形,使灌入式半柔性路面具有优良的高温稳定性,根据实验结果发现相较于基质沥青,SBS改性沥青和高黏沥青制备的半柔性材料仍具有更好的高温性能。

图5 车辙试验结果Fig.5 Rut test results

图6 冻融劈裂试验结果Fig.6 Results of freeze-thaw splitting test

由图6可知,大空隙母体沥青混合料灌浆后TSR>85%说明其具有较好的水稳定性。通过对比分析,改性沥青能提高半柔性路面材料的水稳定性,但提升效果不明显,冻融劈裂试验结果表明,SBS改性沥青、高黏沥青制备的半柔性材料的TSR仅提升了2.2%和2.8%。这是因为本研究设计的半柔性材料灌注率高,剩余空隙小,而水损坏大多发生在空隙处,所以高灌注率避免了水损坏。

2.4 强度分析

灌浆前后灌入式半柔性路面材料的马歇尔稳定度如图7所示。

由图7可知,母体沥青混合料灌浆后马歇尔稳定度显著升高。三种沥青制备的半柔性路面材料养护7 d后的马歇尔稳定度在17～25 kN,均满足T/CECS G:D51-01—2019《道路灌注式半柔性路面技术规程》中对路面通车要求的大于15 kN,当使用改性沥青时,养护3 d即可满足半柔性路面通车要求。SBS改性沥青和高黏沥青制备的半柔性路面材料养护7 d后马歇尔稳定度分别比基质沥青高32.8%和42.4%。说明改性沥青的使用提升了灌入式半柔性路面的稳定度,且两种改性沥青提升效果相近,由于高黏沥青造价远高于SBS改性沥青,综合考虑优先选择SBS改性沥青。

图7 灌浆前后马歇尔稳定度变化图Fig.7 Marshall stability change diagram before and after grouting

3 结论

通过室内试验的方式对不同种类沥青制备的灌入式半柔性路面材料的设计、制备进行阐述,并进一步研究其级配、灌注率、路用性能和强度,通过分析得出如下结论。

(1)沥青种类对母体沥青混合料性能影响较大,SBS改性沥青和高黏沥青能提高半柔性母体沥青混合料的稳定度、高温稳定性和水稳定性,但会减小空隙率。

(2)沥青种类对灌注率影响较小,但连通空隙率对灌注率影响较大,当半柔性路面施工时要严格控制混合料质量和路面压实情况,防止离析和过压实对后续灌浆工作造成影响。

(3)沥青种类对灌入式半柔性路面的路用性能有一定影响,沥青改性剂较好的物理化学性能可以弥补基质沥青本身的缺陷,提高了半柔性路面材料的高温稳定性能,在半柔性路面混合料设计时应结合地区的温度条件,合理选择沥青种类。半柔性路面材料本身具有较好的水稳定性,所以只考虑水稳定性时建议采用基质沥青。

(4)沥青种类对灌入式半柔性路面强度有影响,当使用SBS改性沥青和高粘沥青时,均能提升灌入式半柔性路面的强度。当使用改性沥青时能达到快速通车的效果。