浆体灌入率对半柔性路面材料性能影响研究

2016-09-21李天祥于永龙

现代交通技术 2016年4期

石磊，黄冲，李天祥，邓成，于永龙

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京 211103；2.武汉市市政建设集团有限公司，湖北武汉 430023；3. 武汉市市政工程机械化施工有限公司，湖北武汉 430023）

浆体灌入率对半柔性路面材料性能影响研究

石磊1，黄冲1，李天祥2，3，邓成1，于永龙2，3

在大空隙沥青混合料中灌注50%、60%、70%、80%、90%共5种不同灌入率的高流态水泥基灌浆料，从而制得半柔性路面材料。通过车辙试验、水稳定性能、抗压回弹模量、抗压强度的测试来研究浆体灌入率对半柔性路面材料的性能影响规律。研究结果表明，仅考虑车辙性能，浆体灌入率不宜低于60%，综合考虑其他性能，半柔性路面材料的浆体灌入率不宜低于80%。

大空隙沥青混合料；水泥基灌浆料；灌入率；半柔性路面

半柔性路面是一种大空隙沥青混合料（空隙率在20%～35%）与特殊性能的水泥基材料复合组成的新型路面材料，兼具水泥混凝土刚性和沥青混凝土柔性的特点。半柔性路面已经被证明具有高承载能力、能够减薄沥青路面的厚度，是目前用来解决沥青路面水损害、车辙、延长路面服役寿命的新方法［1-4］。实际工程中，水泥基灌浆料的灌入率对半柔性路面的路用性能、工程造价影响极为关键，浆体灌入率无法实时监测，只能事后测算，因此需要在室内研究浆体灌入率的影响［5］。

为了研究浆体灌入率对半柔性路面材料的路用性能影响规律，为工程材料设计、施工、验收提供理论指导依据，本文首先制备出孔隙率为28%的大空隙沥青混合料LGAM-13，然后灌入50%、60%、70%、80%、90%共5种不同灌入率的半柔性路面专用灌浆料，从而制备出半柔性路面材料SFP-13，通过车辙试验、水稳定性能、抗压回弹模量、抗压强度的测试来研究浆体灌入率对半柔性路面材料的性能影响规律。

1 试件制备

1.1 大空隙沥青混合料LGAM-13组成

大空隙沥青混合料LGAM-13由SBS改性沥青、玄武岩粗集料、石灰岩细集料、矿粉组成。改性沥青的指标要求达到SBS I-D的技术水平，大空隙沥青混合料的级配如表1所示，油石比为2.9%，制备出的试件孔隙率为28.3%，马歇尔稳定度为3.7 kN，飞散损失为9.5%。

表1　　大空隙沥青混合料LGAM-13级配

1.2 半柔性路面材料SFP-13的组成

高流态水泥基灌浆材料由水与干粉灌浆料按质量比例1∶4通过高速搅拌而成，其中干粉灌浆料型号为润强JGM-301半柔性路面材料专用灌浆料，来自江苏苏博特新材料股份有限公司。制备出的水泥基灌浆材料性能指标如表2所示。

表2　水泥基灌浆料的性能指标

1.3 半柔性路面材料试件制备

首先采用车辙成型仪或旋转压实仪制备出相应尺寸的大空隙沥青混合料LGAM-13，待沥青混合料冷却后脱模，将混合料试件四周与底部用胶带进行包裹，使上表面露出，然后将制备好的水泥基灌浆材料灌入大空隙沥青混合料中。灌入50%、60%、70%、80%、90%不同灌入率的灌浆料，从而制备出不同的半柔性路面材料。所谓浆体灌入率是指浆体的体积与大空隙沥青混合料的空隙率的比值。几种试件灌浆前后的孔隙率指标如表3所示。

表3　半柔性路面材料马歇尔试件浆体灌入率 %

将灌入好浆体的半柔性路面材料试件放入标准养护室（温度20±1 ℃，相当湿度大于90%）中进行养生，养生12 h后将包裹的胶带清除干净，继续养生3 d后，进行试件的钻芯或切割并进行相关性能测试。

2 性能测试结果与分析

2.1 水稳定性能测试

水稳定性能测试试件尺寸为Φ101.6 m m×63.5 m m，测试了马歇尔稳定度与冻融劈裂强度，测试结果如表4所示。

表4　半柔性路面材料的室内路用性能评价结果

采用多雨区改性沥青混合料的指标来评价浆体灌入率对半柔性路面材料的水稳定性能的影响。从表4中可以看出，随着浆体灌入率的增加，半柔性路面材料的马歇尔稳定度与冻融劈裂强度逐步增加，当灌浆率达到80%时，马歇尔稳定度与冻融劈裂强度急剧增加。从浸水残留稳定度来看，当浆体灌入率达到70%时，半柔性路面材料的浸水残留稳定度为87.5%，满足改性沥青混合料大于85%的性能指标要求。从冻融劈裂强度比来看，当浆体灌入率达到80%时，半柔性路面材料的浸水残留稳定度为87.8%，满足改性沥青混合料大于80%的性能指标要求。因此，考虑半柔性路面材料的抗水稳定性能，浆体灌入率不应低于80%，此时半柔性路面材料的剩余空隙率不应大于7.1%。

2.2 高温性能测试

采用车辙试验来测试半柔性路面材料的高温稳定性，试件尺寸与沥青混合料试件一样，试验方法与JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 0719—2011沥青混合料车辙试验的试验方法相同［6］。测试结果如表5所示。

表5　半柔性路面材料试件抗车辙性能

从车辙试验结果来看，随着浆体灌入率的增加，半柔性路面材料的动稳定度急剧增加。当浆体灌入率为60%时，此时剩余空隙率为12.2%，半柔性路面材料试件的动稳定度为4 336次/mm,与SMA的抗车辙性能基本相当，具有良好的抗车辙性能。随着浆体灌入率的继续增加，半柔性路面材料的抗车辙性能更加优异，当浆体灌入率为70%时,半柔性路面材料的动稳定度为82 626次/mm,基本上达到抗车辙剂的技术水平。当浆体灌入率达到90%时，半柔性路面材料试件的动稳定度为22 860次/mm。此时半柔性路面材料的刚度远远高于沥青混凝土，路用性能指标远远高出沥青铺装层材料。仅考虑车辙性能，半柔性路面材料的浆体灌浆率应该大于60%。

2.3 力学性能测试

抗压强度与抗压回弹模量作为力学性能中非常重要的两个参数指标，用于路面结构设计中，因此，对于半柔性路面材料的抗压强度与抗压回弹模量的测试尤为关键。试件采用旋转压实仪成型的圆柱体试件，灌浆养护3 d后钻芯取样，试件规格为Φ （100±2）mm×（100±2）mm，成型8个试件并分为两组，一组进行抗压强度试验，另一组进行抗压回弹模量试验。试验温度为15 ℃，加载速率为2 mm/min。试验结果如表6所示。

表6　半柔性路面材料试件力学性能

从表6中可以看出，随着浆体灌入率的增加，半柔性路面材料的抗压强度及抗压回弹模量也随之增加。当浆体灌入率在50%～60%时，抗压强度与抗压回弹模量增长幅度小，从抗压回弹模量的值来看，处于沥青混合料的模量范围。这是由于浆体灌入率低时，浆体渗透到下半部，试件上半部灌浆料太少，所以进行力学性能测试基本上还是测试大空隙沥青混合料的性能。当浆体灌入率在70%以上时，半柔性路面材料的抗压回弹模量急剧增加。当浆体灌入率在80%以上时，灌浆料在大空隙内部分布较为均一，此时半柔性路面材料的抗压回弹模量处于半刚性基层模量范围内（3 000～4 000 MPa）。

3 经济性评价

以90%浆体灌入率的半柔性路面材料来评价经济性，半柔性路面材料的造价分为材料与施工工艺两部分，与抗车辙沥青混合料（掺抗车辙剂）的成本对比分析结果如表7所示。

从表7中可以看出，半柔性路面材料的单次造价成本均高于抗车辙沥青混合料。从十字路口与公交车站台的经验来看，半柔性路面的使用寿命一般在6年以上，而采用掺抗车辙剂的沥青混合料两年后就会出现严重的车辙。因此，需要以更加科学的全寿命周期来进行成本对比分析，可以看出半柔性路面的平均年造价仅为4.17元/m2·cm，远低于抗车辙沥青混合料年造价。另外，半柔性路面在服役期间几乎不需要养护，具有良好的经济效益，同时可减少维修带来的交通阻塞，提升城市形象，具有显著的社会效益。

表7　半柔性路面的全寿命周期成本分析

4 结论

（1）随着浆体灌入率的增加，半柔性路面材料的剩余空隙率逐步减小，当浆体灌入率在80%以上时，半柔性路面材料试件的空隙率低于7%，处于密级配沥青混合料空隙率范围。

（2）当浆体灌入率达到70%时，半柔性路面材料的浸水残留稳定度满足多雨区改性沥青混合料大于85%的性能指标要求。当浆体灌入率达到80%时，半柔性路面材料的冻融劈裂强度比满足改性沥青混合料大于80%的性能指标要求。

（3）从高温稳定性能来看，当浆体灌入率在60%以上时，即具有优异的抗车辙性能。从力学性能测试来看，当浆体灌入率低于70%时，半柔性路面材料的抗压回弹模量处于沥青的范畴，当浆体灌入率高于80%时，半柔性路面材料的抗压回弹模量处于半刚性基层的范畴。

（4）综合考虑半柔性路面材料的水稳定性能、路用性能、力学性能，半柔性路面材料的浆体灌入率应严格控制不低于80%。半柔性路面的低温性能需要进一步研究。

（5）半柔性路面单次造价虽然比较高，但是从全周期使用寿命来看，其平均年造价仅为抗车辙沥青混合料的一半，且维修次数减少，经济性十分显著。

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［4］黄冲.半柔性路面材料体积稳定性与抗裂性能研究［D］.武［1］汉：武汉理工大学，2010.

［5］张荣鹍.高性能灌注式半柔性路面材料的研究与应用［D］. ［1］武汉：武汉理工大学，2009.

［6］ JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.

Research on Performance of Semi-flexible Pavement Materials with Different Filling Rate

Shi Lei1，Huang Chong1，Li Tianxiang2,3， De Cheng1，Yu Yonglong2,3
（1.Jiangsu Sobute New Materials Co.,Ltd，Nanjing 210003, China; 2. Wuhan Municipal Constructiong Group Co.,Ltd., Wuhan 430023, China; 3. Wuhan Municipal Engineering Machinery Construction Co., Ltd., Wuhan 430023, China）

In order to study the influence of perfusion rate of the grout on the performance of semi-flexible pavement materials, five kinds of the semi flexible pavement materials were prepared by pouring the high flowing cement-based grouting material into the large gaped asphalt mixture with the perfusion rate distributed from 50% to 90% with 10% for the interval. Then the rutting performance, water stability, compressive resilient modulus and the compressive strength were tested. The results showed that the perfusion rate of the mortar should not be less than 60% only considering rutting performance, while synthetically considering the other properties, the perfusion rate of the mortar should not be less than 80%.

asphalt mixture; cement-based grout; perfusion rate; semi-flexible pavement