灌注式瀝青混合料半剛性路面路用性能試驗及機制分析

吳聰

摘要：文章以復合水泥膠漿為主要補強劑，瀝青混合料為基體，不同級配礦料為填充劑，通過機械灌注方法制備了灌注式瀝青混合料半剛性路面復合材料，其中三者界面以物理交聯(lián)的結(jié)合方式形成了骨架-密實結(jié)構(gòu)，基體瀝青混合料則屬于骨架-空隙結(jié)構(gòu)，復合水泥膠漿均勻分散在瀝青混合料基體中，使其兼具有瀝青混凝土路面與水泥混凝土路面特點。同時結(jié)合半剛性混合料粘結(jié)界面上的SEM掃描電鏡和傅立葉紅外光譜圖，對灌注式瀝青混合料半剛性路面的路用性能進行測試分析。研究結(jié)果表明：半剛性路面具有優(yōu)良的耐水腐性、高溫穩(wěn)定性及較好的低溫抗裂性;基體瀝青混合料設計空隙率為28.3%時路用性能最優(yōu);水泥膠漿的加入增強了瀝青膠漿與級配骨料間粘結(jié)界面的特性，沒有改變?yōu)r青的特性;瀝青與礦料之間的物理吸附作用、水泥漿體與瀝青之間形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及礦料與水泥晶體之間的粘結(jié)是復合材料增強增韌的原因。

關(guān)鍵詞：道路工程;瀝青混合料;灌注式半剛性;路用性能;機理分析

0 引言

灌注式瀝青混合料半剛性路面（下面簡稱復合材料路面）指的是當瀝青混合料基體空隙率較大時，往瀝青混合料基體中澆灌注入特殊材料的砂漿，形成的一種路面結(jié)構(gòu)[1-4]，該結(jié)構(gòu)是通過骨料之間相互嵌擠、瀝青粘結(jié)和水泥膠漿凝結(jié)等共同作用下形成，其具有良好的韌性與剛度。對照常見的一般性瀝青混合料路面，此路面結(jié)構(gòu)在抵抗高溫變形、低溫抗裂、抗水腐和抗疲勞等方面性能都有不錯的表現(xiàn);對照水泥混凝土路面，該材料路面具有不錯的應變松弛能力，在其路面上行車較為舒適，且在持久性、耐熱性和修補性方面與水泥混凝土路面相較更為優(yōu)良，是一種性能優(yōu)越的新型材料路面[5-8]。本文通過對不同空隙度基體性能測試和不同空隙度的復合材料路面試件性能測試，得出現(xiàn)場施工所用的礦料級配組合，結(jié)合傅里葉紅外光譜圖和復合材料粘結(jié)界面上的SEM掃描電鏡，對復合材料路面進行試驗、檢測、增強機理分析，所得結(jié)果對復合材料路面室內(nèi)實驗和工程施工應用具有重要的指導意義。

1 實驗方法

1.1 試驗原材料

SBS改性瀝青來源為中國石化煉油銷售有限公司（各項指標如表1），其余的各項指標均滿足對應的規(guī)范要求。粗集料為輝綠巖，粒徑分布為5～10 mm、10～15 mm，來源為廣西某某公司的石料場;細集料則是石灰?guī)r的機制砂，粒徑分布五檔：0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm，來源為廣西某公司的石料場。錳渣礦粉（化學成分見表2），來源為南寧新路建材科技公司。橡膠粉復合水泥漿，材料的配比為：水泥∶膨脹劑∶細砂∶橡膠粉∶水=100∶5∶25∶5∶40[9]，水泥為P.O42.5;細沙為普通河沙，細度模數(shù)為1.4;采用硫鋁酸鈣型水泥砂漿膨脹劑;橡膠粉，粒徑為0.84 mm，纖維含量≥3%[10];另加入以萘系（UNF-5H）為主的緩凝性減水劑和粘稠劑。

1.2 復合材料路面試件制備

（1）瀝青混合料基體試件成型：本試驗設計五種不同孔隙率（A1=28.3%、A2=28.4%、A3=28.6%、A4=28.7%、A5=29%）瀝青混合料基體試件，要求制作的試件在成型后其表面平整。制備的試件直徑大小應符合標準馬歇爾試件標準[11]，試件的高度要求在63.5±2.0 mm。制作好標準的馬歇爾試件之后，迅速地把試件兩端的吸油紙抽走，再橫向放置12 h以上，等待試件溫度下降到室溫，用預先準備的橡膠軟皮墊于試件底部并整平，以免灌注時出現(xiàn)漏漿。

（2）灌注水泥膠漿：先把基體試件放到振動臺上夾緊，再將配制好的橡膠粉水泥復合砂漿在1 h之內(nèi)澆注到基體試件中，利用砂漿自重在靜止狀態(tài)下灌入3/5砂漿，1 min后啟動振動臺，在振動過程中灌入剩余2/5砂漿外加50 g砂漿，使混合料中空隙率能夠被填滿，直到水泥砂漿不能灌注為止，并記錄下振動時間（不超過30 s）。待振動結(jié)束后，將表層砂漿整平。

（3）在標準養(yǎng)生室養(yǎng)生：將制作好的復合材料路面標準試件在室溫中放置24 h，試件凝固之后脫模處理，再放在標準養(yǎng)護室內(nèi)進行養(yǎng)護，經(jīng)過一段時間養(yǎng)護成型的復合材料路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 復合材料半剛性路面優(yōu)良的使用性能機制分析

復合材料路面具有復雜的組成結(jié)構(gòu)，是一種多層次（細觀、微觀、宏觀）的復合體系，其微觀結(jié)構(gòu)決定其具有優(yōu)良的宏觀力學路用性能。在復合材料界面理論中有一種說法認為在微觀上復合材料路面的結(jié)構(gòu)與水泥混凝土類似，即在粗細集料中以網(wǎng)絡交錯的形式，構(gòu)成骨架并均勻分散在瀝青、水泥與瀝青水泥漿的兩側(cè)界面，其結(jié)構(gòu)是漸變過渡、非均質(zhì)的;改變界面區(qū)的組成、形態(tài)等結(jié)構(gòu)是影響復合材料性能的重要因素之一，也是能有效地提高瀝青混合料路用性能的關(guān)鍵點。

圖2為復合材料路面的切面圖及其典型結(jié)構(gòu)示意圖，從中可知，其有三種理想結(jié)合形態(tài)：

（1）第一種在瀝青和集料間相互作用，經(jīng)過瀝青的粘結(jié)，集料與瀝青成為一個整體的結(jié)構(gòu)。

（2）第二種是在基體中澆入水泥膠漿，其中的晶體結(jié)構(gòu)能跟瀝青膜相互作用，水泥漿體逐漸凝固，由原來的可塑狀慢慢變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水泥顆粒間的空隙被水泥水化產(chǎn)物（硅酸鈣凝膠）充滿，水泥在慢慢凝固的過程中，水泥水化產(chǎn)物慢慢填充到基體里面“骨架-空隙”結(jié)構(gòu)的空隙中，提高了瀝青混合料的緊密度、結(jié)實度。除此之外，在灌入水泥顆粒的過程中，部分水泥顆粒也會被瀝青所包覆，因此會在顆粒表層形成一層瀝青結(jié)構(gòu)，導致結(jié)構(gòu)空間內(nèi)自由的瀝青含量降低，結(jié)構(gòu)瀝青比重提高，復合材料路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粘聚力變大。

（3）第三種是水泥硬化而形成的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，對集料間接地包裹，從而增加瀝青膜對集料的包裹性。

以上作用造成三種界面的結(jié)合形態(tài)是影響復合材料路面強度的重要因素，進而直接影響復合材料路面的一系列重要性能指標，如強度、耐久性、高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性等。

為了更深層次了解復合材料路面性能，對其機理進行研究，通過掃描電鏡觀察復合材料界面微觀結(jié)構(gòu)。通過圖3中SEM電鏡照片可知，對比普通的瀝青混合料，復合材料路面中因添加了水泥膠漿，礦料與瀝青之間的粘結(jié)界面得以增強，且柱棒狀晶體充滿了粘結(jié)界面的孔洞。良好的界面粘結(jié)極大提高了半復合材料路面的力學路用性能[12-13]。

在瀝青混合物中將水泥膠漿混入，水泥膠漿產(chǎn)生出的晶體與水泥里的活性材料結(jié)合，再加上瀝青中所含的芳香分、飽和分、瀝青質(zhì)及膠質(zhì)等官能團，粘結(jié)界面上就形成了相互鑲嵌的空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而增加了界面過渡區(qū)的厚度[14-15]。圖4為瀝青混合料與復合材料半剛性路面材料紅外光譜圖，瀝青基體峰值沒有發(fā)生明顯的增加和偏移，瀝青與水泥并無明顯的化學反應發(fā)生，也未加速瀝青的老化，僅是增強了混合料之間的粘結(jié)性能。

綜上分析復合材料路面的微觀結(jié)構(gòu)組成，可知其是由水泥膠漿在基體內(nèi)灌漿生成，基體為骨架-空隙結(jié)構(gòu)，水泥漿的灌入填充了空隙，通過硬化作用使基體混合料形成完整的一體，最終呈現(xiàn)骨架-密實結(jié)構(gòu)，兩者之間又呈現(xiàn)雙重網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)體系，使復合材料同時具有了剛性和柔性的功能。瀝青與礦料之間的物理吸附作用、水泥漿體與瀝青之間形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及礦料與水泥晶體之間的粘結(jié)為復合材料提供了強度。隨著復合材料路面材料孔隙率不斷增大，水泥膠漿水化后形成的晶體與瀝青膜的界面相互作用（結(jié)構(gòu)瀝青）會減少，其路用性能降低。為了證明其界面作用機理對其宏觀路用性能的影響，進行了一系列測試。

2.2 不同空隙率基體性能

圖5是五種空隙率基體材料馬歇爾試驗數(shù)據(jù)圖，先看圖5（a），可以明顯知道A5空隙度基體的表觀密度低于指標要求，而A1、A2、A3、A4的空隙率基體表觀密度符合要求。綜合5（a）、5（b）兩圖來看，隨著空隙度逐漸變大，其各項性能逐漸減小，當空隙率為A1（28.3%）時，其馬歇爾試驗性能最優(yōu)，此時三者界面結(jié)合效果為最佳。

2.3 不同空隙率復合材料路面水腐性能

圖6為不同空隙率復合材料路面浸水馬歇爾試驗結(jié)果。圖中顯示，隨著基體材料空隙率慢慢增大，試件材料的殘留穩(wěn)定度慢慢降低，但都滿足建議指標要求。A1、A2、A3空隙率試件殘留穩(wěn)定度均>100%，主要原因是A1、A2、A3空隙率試件中礦料的自由瀝青偏少，且復合水泥砂漿在60 ℃浸泡環(huán)境下其水化反應加速，所以導致其浸水后的穩(wěn)定度大于浸水前。而A4、A5空隙率試件浸水后的穩(wěn)定度略小于浸水前，其原因是A4、A5空隙率試件中礦料的粘結(jié)存在足夠的自由瀝青（高溫會軟化）。結(jié)果表明，自由瀝青含量存在越多，其浸水后的穩(wěn)定度越小于浸水前穩(wěn)定度。

圖7為不同空隙率新材料路面凍融劈裂的試驗結(jié)果。從圖可知，基體的空隙率越高，其凍融劈裂的性能就會越低，其中A5空隙率試件凍融劈裂抗拉強度低于指標，其他空隙率試件全部符合指標要求。

綜合以上兩個試驗結(jié)果，不同空隙率復合材料路面水腐性能中，A1最強，A5最弱，具體排序大小為：A1>A2>A3>A4>A5。

2.4 不同空隙率復合材料路面高溫穩(wěn)定性

圖8為不同空隙率復合材料路面車轍試驗結(jié)果。隨著基體空隙率慢慢變大，試件動穩(wěn)定度降低。以建議的動穩(wěn)定度指標為基準，A1、A2、A3、A4、A5空隙率試件動穩(wěn)定度分別為建議動穩(wěn)定度指標的161.54%、138.46%、121.15%、107.69%、88.10%，說明A1空隙率的路面性能最優(yōu)，A5組最差。

根據(jù)車轍試驗45 min和60 min車轍深度數(shù)據(jù)曲線分析，A1空隙率試件車轍深度最小，A5空隙率試件車轍深度最大。影響復合材料路面浸水車轍試驗結(jié)果的主要原因與礦料間主要粘結(jié)材料和空隙率大小有關(guān)。由于A5空隙率試件中礦料間粘結(jié)存在足夠的自由瀝青，高溫、水環(huán)境、車輪荷載等因素的共同作用下，瀝青膠砂會發(fā)生軟化和變形的情況，從而導致試件抵抗變形下降。隨著基體空隙率降低，能促進礦料間粘結(jié)的自由瀝青含量減少，結(jié)構(gòu)瀝青及水泥膠砂在礦料間粘結(jié)作用增多，該路面抵抗高溫、水環(huán)境、車輪荷載共同作用能力增加，即抵抗變形能力增加。

2.5 不同空隙率復合材料路面低溫抗裂性

圖9為不同空隙率復合材料路面低溫劈裂試驗結(jié)果。由圖9可知，隨著基體空隙率增大，試件劈裂強度、破壞拉伸應變性能慢慢降低，A1效果最佳;當試件空隙率為A1時，破壞勁度模量最小，其低溫柔韌性好，抗裂性能最佳。

綜合分析得到，復合材料路面結(jié)構(gòu)的低溫抗裂性能跟基體瀝青膜的厚薄以及空隙率有關(guān)，即路面結(jié)構(gòu)中存有自由的瀝青，低溫環(huán)境下該材料的溫縮系數(shù)與水泥、礦料不同，在這三者之間產(chǎn)生了強大的拉縮應力，當拉縮應力大于材料能承受的范圍之外，就會產(chǎn)生微小裂痕，進而使復合材料路面結(jié)構(gòu)低溫性能降低。A1基體空隙率最低，其路面結(jié)構(gòu)的瀝青膜厚度適中，并且由于沒有自由的瀝青，其路面結(jié)構(gòu)的低溫抗裂性能達到了最佳狀態(tài)。

3 結(jié)語

（1）結(jié)合不同空隙率復合材料路面水腐性、高穩(wěn)性、低抗性等試驗數(shù)據(jù)的分析，瀝青混合料基體設計孔隙率為28.3%時，其路用性能最佳。

（2）加入的水泥提高了瀝青與骨料間界面粘結(jié)特性，沒有改變?yōu)r青原有性質(zhì)，未促進瀝青老化。優(yōu)良的界面粘結(jié)很好地提高了半剛性混合料的力學、路用性能。

（3）根據(jù)復合材料路面優(yōu)良使用性能的機制分析，瀝青與礦料之間的物理吸附作用、水泥漿體與瀝青之間形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及礦料與水泥晶體之間的粘結(jié)為復合材料提供了強度。

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收稿日期：2020-06-10