不同類型漿料對半柔性材料路用性能的影響研究

蔡玉斌， 熊子佳， 龔明輝， 鄧 成， 彭 剛， 張立華， 洪錦祥

(1.鹽城市公路處養(yǎng)護(hù)科， 江蘇 鹽城 224000； 2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司， 江蘇 南京 210000；3.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210000)

0 引言

瀝青路面是目前我國最常見的一種路面結(jié)構(gòu)形式。瀝青屬黏彈性材料[1-3]，夏季高溫時，路面的強(qiáng)度和抗變形能力降低[4]，當(dāng)受到車輛荷載的反復(fù)作用，路面出現(xiàn)車轍、擁包等病害[5]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在大空隙基體瀝青混合料(空隙率為20%～28%)中灌入水泥基灌漿材料，形成的路面材料兼具剛性和柔性[6]，這種半柔性路面能有效減少車轍病害的產(chǎn)生[7]。

半柔性路面抗車轍能力遠(yuǎn)優(yōu)于瀝青路面[8]，且其抗裂能力[9]、行車舒適性優(yōu)于水泥混凝土路面[10]。另外，半柔性路面材料具有耐油[11]、耐酸、耐熱、耐水、抗滑和易著色等特性[12]。半柔性路面材料應(yīng)用極為廣泛，可用于十字路口、公交車專用道、長大縱坡路段[13]、機(jī)場道面、港口碼頭、加油站、收費(fèi)站等車轍嚴(yán)重的道面[14]，不僅適用于車轍病害路面的處治維修，也可用于新建路面。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對半柔性路面材料進(jìn)行了廣泛研究。Abolfazl等[15]對半柔性路面的設(shè)計(jì)、施工和性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明半柔性路面因其顯著的特點(diǎn)和機(jī)械性能，有可能替代部分瀝青和混凝土路面。Zarei[16]發(fā)現(xiàn)在瀝青乳液與水泥比(AE/C)約為0.4時，具有乳化瀝青的半柔性路面材料比僅有水泥漿料的半柔性材料更適合于夏季炎熱和冬季寒冷的潮濕地區(qū)。Cai等[17]研究了高性能漿體與普通水泥漿對半柔性材料的影響，結(jié)果表明高性能漿體具有更好的路用性能，高性能水泥漿體基體的空隙率應(yīng)為21%，而純水泥漿體的基體空隙率應(yīng)為24%。潘大林等[18]提出了通過計(jì)算主骨架空隙率再確定瀝青和細(xì)集料用量的方法，保證瀝青混合料基體有效空隙率達(dá)20%～25%。程磊等[19]將均勻設(shè)計(jì)法和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件相結(jié)合，探明了影響水泥灌漿料性能的關(guān)鍵因素，并確定了其最佳配比。張榮鹍[20]基于材料結(jié)構(gòu)組成，分析了瀝青相與漿料相間的相互作用關(guān)系，闡釋了半柔性路面材料的強(qiáng)度形成機(jī)理及關(guān)鍵影響因素，并開發(fā)了具有高滲透性、低收縮率的水泥膠漿。袁高明等[21]采用鋼渣集料制備的半柔性路面材料基體，發(fā)現(xiàn)其高溫穩(wěn)定性與采用玄武巖集料制備的半柔性路面材料相當(dāng)。

現(xiàn)有的研究主要聚焦于半柔性路面瀝青混合料基體的設(shè)計(jì)方法、水泥基材料設(shè)計(jì)等方向，對于影響半柔性材料剛?cè)崽匦缘臐{料強(qiáng)度研究較少。

本文基于兩種特征漿料(早強(qiáng)型ES和高強(qiáng)型HS)的半柔性路面材料，與普通AC型瀝青混合料對比分析，研究了半柔性材料的高溫、低溫、抗水損性能和疲勞性能，表征了不同漿料對半柔性材料路用性能的影響規(guī)律，探明了半柔性材料的路用性能特性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1SBS瀝青

采用SBS瀝青，其性能指標(biāo)按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[22]要求測試，均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[23]要求。具體指標(biāo)如表1所示。

表1 SBS瀝青性能指標(biāo)項(xiàng)目針入度(25 ℃)/0.1 mm延度(5 ℃)/cm軟化點(diǎn)/℃結(jié)果試驗(yàn)6530.656.8測試方法T0604-2011T0605-2011T0606-2011項(xiàng)目薄膜烘箱試驗(yàn)(163 ℃/5 h)質(zhì)量變化/%針入度比/%試驗(yàn)結(jié)果<154測試方法T0610-2011T0610-2011

1.1.2礦料

采用玄武巖集料和石灰石礦粉?；局笜?biāo)按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)[24]進(jìn)行測試，集料的基本性能均滿足規(guī)范[23]要求。

1.1.3改性劑

采用界面改性劑MA100，為淡黃色球形顆粒，顆粒直徑為2～3 mm。

1.1.4水泥基灌漿料

水泥基灌漿料為實(shí)驗(yàn)室自制材料，將水泥、礦粉、外加劑等按一定比例混合制得。ES早強(qiáng)型灌漿料的強(qiáng)度前期發(fā)展增長較快，養(yǎng)護(hù)7 d達(dá)到穩(wěn)定強(qiáng)度為35 MPa；HS高強(qiáng)型灌漿料的強(qiáng)度發(fā)展較平穩(wěn)，養(yǎng)護(hù)7 d達(dá)到穩(wěn)定強(qiáng)度為90 MPa。試件灌漿后均放入標(biāo)養(yǎng)室(20 ℃、90%濕度)養(yǎng)護(hù)7 d。

1.2 瀝青混合料制備方法

混合料級配類型為SFP-13型，油石比為3.5%，級配見表2。集料加熱溫度175 ℃，瀝青加熱溫度160 ℃，混合料拌和溫度175 ℃，改性劑MA100以直投法加入拌鍋中，摻量占瀝青混合料質(zhì)量的0.3%。

表2 SFP-13級配表以下篩孔(mm)的通過率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075100.079.0157.06.35.25.65.04.63.9

為與普通瀝青混合料進(jìn)行對比分析，同時成型AC-13型級配瀝青混合料，油石比為5.0%，級配如表3所示。集料加熱溫度175 ℃，瀝青加熱溫度160 ℃，混合料拌和溫度175 ℃，加入抗車轍改性劑，以直投法加入拌鍋中，摻量占瀝青混合料質(zhì)量的0.3%。

表3 AC-13級配表以下篩孔(mm)的通過率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075100.0 94.8 80.9 57.0 31.6 24.1 20.1 15.5 11.4 7.0

1.3 試驗(yàn)方法

1)車轍試驗(yàn)。按照規(guī)程[22]要求成型車轍板，尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。采用QCZ-2型全自動車轍試驗(yàn)儀測試動穩(wěn)定度和最大車轍深度。試驗(yàn)溫度為60 ℃和70 ℃，輪壓為0.7 MPa，橡膠輪碾壓速度為(42±1)次/min。

2)單軸貫入試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件后取芯并切割，實(shí)驗(yàn)試件尺寸為100 mm(直徑)×100 mm(高)圓柱。采用28.5 mm鋼制平面壓頭，實(shí)驗(yàn)溫度為15 ℃、30 ℃、45 ℃和60 ℃。

3)小梁彎曲試驗(yàn)。采用IPC UTM-30型試驗(yàn)機(jī)，通過低溫彎曲試驗(yàn)測定瀝青混合料的低溫性能。按照規(guī)程[22]要求，將輪碾成型的車轍板用切割機(jī)制成尺寸為250 mm×30 mm×35 mm和300 mm×50 mm×50 mm的棱柱體，作為瀝青混合料小梁試件。試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。

4)抗水損害性能試驗(yàn)。采用浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評價材料的抗水損害性能。按照規(guī)程[22]要求，成型為63.5 mm(高)×101.6 mm(直徑)的小馬歇爾試件。馬歇爾試驗(yàn)溫度為60℃，凍融劈裂試驗(yàn)溫度為15 ℃。

5)SCB試驗(yàn)。將半圓試件預(yù)切縫(縫寬為0.5 mm，深為10 mm)，模擬路面開裂。將直徑100 mm的半圓試件平均切半，厚度為50 mm，兩支點(diǎn)間距為0.8 mm，加載速率為10 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 車轍試驗(yàn)

成型的車轍板待瀝青基體冷卻后可直接灌漿，如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，半柔性路面材料ES和HS的動穩(wěn)定度分別為26 250次/mm和37 059次/mm，是AC型瀝青路面材料抗車轍性能的9.9～14倍。半柔型材料在45～60 min的車轍發(fā)展期，車轍深度僅有微小增加。當(dāng)溫度升高時，材料的動穩(wěn)定度均減小。為表征溫度升高對動穩(wěn)定度的影響，引入動穩(wěn)定度損失率指標(biāo)DS0，即:

由表4可知，HS損失率僅為AC型的45%，ES損失率為AC型的71%。由此可知，半柔性材料有較好的高溫穩(wěn)定性。這是因?yàn)榘肴嵝月访娌牧现腥嵝詾r青基體與剛性水泥基材料形成雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在高溫條件下不易發(fā)生骨料轉(zhuǎn)動和位移。HS型漿料比ES型漿料具有更好的抗車轍能力。

a) 灌漿前

b) 灌漿后圖1 灌漿前后試件外觀圖

表4 60 ℃和70 ℃動穩(wěn)定度值編號60 ℃70 ℃d1/mmd2/mmDS/(次·mm-1)d1/mmd2/mmDS/(次·mm-1)DS損失率DS0/%AC2.5412.6257 500 3.5493.7872 647 64.71ES0.7580.77148 462 0.9540.97826 250 45.83HS0.5250.53752 500 0.6590.67637 059 29.41

2.2 單軸貫入試驗(yàn)

采用單軸抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)對不同類型的瀝青混合料抗剪性能進(jìn)行研究，如圖2所示。試驗(yàn)溫度為15 ℃、30 ℃、45 ℃和60 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖2 單軸貫入試驗(yàn)及試件破壞形式圖

圖3 抗剪強(qiáng)度曲線

由圖3可知，隨著溫度增加，材料的抗剪強(qiáng)度減小。高強(qiáng)型HS與普通AC型的抗剪強(qiáng)度較大，但溫度低于45 ℃時，早強(qiáng)型ES抗剪強(qiáng)度較小，溫度達(dá)60 ℃時，3種材料抗剪強(qiáng)度基本相當(dāng)。由于早強(qiáng)型ES漿料強(qiáng)度較小，在壓力荷載時承載能力較小，且骨架間的瀝青膜較薄，支承能力較弱。但在60 ℃高溫時，瀝青達(dá)到軟化點(diǎn)溫度，瀝青膠結(jié)料面首先發(fā)生破壞，骨架結(jié)構(gòu)失效，此時抗剪強(qiáng)度主要受瀝青膠結(jié)料性能影響，與漿料性能相關(guān)性不大。

2.3 低溫小梁彎曲試驗(yàn)

采用低溫小梁試驗(yàn)表征半柔性路面材料的低溫抗裂性。由于半柔性材料中漿體填充于瀝青混合料基體連通的空隙，當(dāng)漿體固化后，其在基體骨架中呈上下貫穿分布。為減小尺寸效應(yīng)的影響，除成型切割傳統(tǒng)尺寸為25 mm×35 mm×250 mm的小梁外，還成型切割了50 mm×50 mm×300 mm的大尺寸小梁試件。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，其中R為抗彎拉強(qiáng)度，ε為最大彎拉應(yīng)變，S為彎曲勁度模量。

由表5可知，AC型普通瀝青混合料ε為半柔性材料的1.1～1.3倍。這是因?yàn)锳C型瀝青混合料中集料骨架是由較多黏彈性的瀝青砂漿粘結(jié)，為柔性材料，變形能力較強(qiáng)。

表5 -10 ℃小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果編號25 mm×35 mm×250 mm50 mm×50 mm×300 mmR/MPaε/μεS/MPaR/MPaε/μεS/MPaAC7.041 9853 5478.896 2331 426ES7.271 5814 59811.565 6482 047HS7.371 7394 23810.085 2951 904

圖4為不同試件斷裂面。由圖4可知，HS標(biāo)準(zhǔn)試件彎拉斷裂失效面是沿漿料或?yàn)r青內(nèi)部，而HS大尺寸試件斷裂失效面出現(xiàn)了漿料與瀝青的脫粘，說明HS漿料內(nèi)聚力大于漿料與瀝青的粘附力，從而導(dǎo)致大尺寸試件試驗(yàn)中HS強(qiáng)度小于ES強(qiáng)度。

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算-10 ℃不同尺寸小梁的應(yīng)變能密度，結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同試件斷裂面

圖5 不同尺寸試件斷裂能

由圖5可知，不同尺寸試件的斷裂能密度不同，大尺寸試件斷裂能密度大于標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件斷裂能密度，且半柔性試件斷裂能密度較大，這是因?yàn)榘肴嵝栽嚰嗔阎写嬖趧傂缘臐{料斷裂。比較不同漿料試件可知，標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件ES斷裂能密度僅為HS斷裂能密度的63%；大尺寸試件ES斷裂能密度為HS斷裂能密度的1.2倍，這是因?yàn)镠S漿料強(qiáng)度高，內(nèi)聚力強(qiáng)，大尺寸試件因HS漿料與瀝青面脫附而失效。

2.4 抗水損害性能

評價材料的抗水損性能，試驗(yàn)試件如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果如表6、表7所示。

由表6可知，ES和HS半柔性試件的殘留穩(wěn)定度值高于AC型瀝青混合料。這是因?yàn)榘肴嵝栽嚰蔀r青骨料與水泥基材料形成雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，荷載強(qiáng)度高。高溫和濕潤環(huán)境會加速水泥基材料的水化過程，對于早強(qiáng)型ES半柔性材料，由于水泥漿料水化過程在養(yǎng)護(hù)時已基本完成，而高強(qiáng)型HS為半柔性材料，其水泥漿料水化過程較慢，7 d的養(yǎng)護(hù)期強(qiáng)度雖已基本穩(wěn)定，但在高溫濕潤環(huán)境下水化不充分的組分進(jìn)一步水化，產(chǎn)生強(qiáng)度，所以，高強(qiáng)型HS半柔性材料的殘留穩(wěn)定度較高，在浸水階段試件進(jìn)行了二次水化。

a) 封邊

b) 灌漿

a) 養(yǎng)護(hù)圖6 馬歇爾試件封邊、灌漿與養(yǎng)護(hù)

表6 浸水馬歇爾穩(wěn)定度及殘留穩(wěn)定度值編號浸水馬歇爾穩(wěn)定度/kN標(biāo)準(zhǔn)試樣穩(wěn)定度/kN殘留穩(wěn)定度/%AC9.6811.6982.81ES15.8618.1887.24HS21.9422.497.95

表7 劈裂強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度比編號劈裂強(qiáng)度/MPa標(biāo)準(zhǔn)試樣劈裂強(qiáng)度/MPa劈裂強(qiáng)度比/%AC0.840.9885.71ES0.951.0987.16HS1.191.2198.35

由表7可知，半柔性試件的劈裂強(qiáng)度比大于AC型普通瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比。主要是因?yàn)闈{料灌注后，其空隙基本被填滿，水分難以進(jìn)入瀝青膜內(nèi)部形成剝離破壞。HS半柔性試件在60 ℃浸泡過程中發(fā)生二次水化，劈裂強(qiáng)度比達(dá)到98.35%。

2.5 SCB試驗(yàn)

SCB試驗(yàn)表征路面材料在彎拉作用下的柔韌性(FI值)和抗裂能力(斷裂能E)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 斷裂能值與柔性指數(shù)圖

由圖7可知，在25 ℃試驗(yàn)條件下，ES和HS的E和FI值明顯小于AC型瀝青混合料，AC型瀝青混合料為柔性，骨料間通過變形性強(qiáng)的瀝青膠體連接，具有較好的柔韌性和抗裂能力。而半柔性材料因?yàn)榭障吨刑畛淞藙傂缘乃嗷牧希诤奢d作用下變形能力較差，易發(fā)生斷裂，其力-位移曲線下的面積較小，斷裂能較小。比較ES和HS可知，早強(qiáng)型半柔性材料E和FI值均大于高強(qiáng)型半柔性材料，說明早強(qiáng)型半柔性材料具有較好的抗彎拉性能。

3 結(jié)論

基于早強(qiáng)型ES和高強(qiáng)型HS兩種特征漿料的半柔性路面材料，與普通AC型瀝青混合料對比分析，研究結(jié)果表明：

1) 高溫性能方面，半柔性路面材料高溫穩(wěn)定性明顯優(yōu)于普通瀝青混合料，且溫度升高10 ℃，動穩(wěn)定度損失率僅為普通瀝青混合料的45%～71%。HS動穩(wěn)定度高于ES。半柔性材料60 ℃高溫剪切破壞與漿料強(qiáng)度無關(guān)。

2) 低溫性能方面，AC型瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變大于半柔性材料。為減小尺寸效應(yīng)，采用大尺寸試件試驗(yàn)，ES斷裂能密度為32.77 kJ，優(yōu)于HS的抗裂能力。

3) 抗水損方面，半柔性試件的殘留穩(wěn)定度為87.24%和97.95%，劈裂強(qiáng)度比為87.16%和98.35%；瀝青殘留穩(wěn)定度為82.82%，劈裂強(qiáng)度比為85.71%。半柔性材料的抗水損害能力明顯高于AC瀝青混合料。

4) 抗裂性方面，AC瀝青混合料斷裂能為2682 kJ，大于半柔性材料的斷裂能2 300 kJ。半柔性材料中ES材料E和FI值均稍大于HS，ES型半柔性材料具有較好的抗彎拉性能。