苯丙乳液改善灌入式半柔性路面材料性能的试验研究

王黎明，隽海文

(1.东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.黑龙江省公路勘察设计院 黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

灌入式半柔性路面是指将特制水泥基灌浆料灌入大空隙沥青混合料中而形成的一种刚柔兼备的路面材料[1-4]。水泥基灌浆料可提高混合料模量，使之具有优异的抗车辙性能，从而适用于重载、长大纵坡、收费站等局部路段。然而，模量的提高相应地会降低其柔性。实践发现低温缩裂是半柔性路面的主要破坏模式[5-7]。半柔性路面材料的低温缩裂及其引起的进一步损伤严重地影响路面的耐久性[8-10]。因此，如何调和这种材料的优缺点，提高使用性能，就成了需要解决的问题。

由于半柔性路面材料骨架-填充结构的限制，其沥青骨架基体与填充料的体积关系相对固定，则水泥基灌浆料就是决定半柔性路面材料刚柔特性的基本要素。通过添加聚合物改善灌浆料进而提高半柔性路面材料性能的技术路线清晰可行，很多研究者都做过相关的技术探索。黎振民等[11]研究发现橡胶粉可以显著改善半柔性材料低温性能，但对其力学性能会产生消极影响。孙政等[12]研究发现热固性水性环氧树脂可以明显提高半柔性材料高温抗剪性能，而对低温性能及疲劳性能的改善作用则有限。宋家楠等[13]研究发现SBR和VEA复合乳液可以显著提高半柔性材料低温抗裂性，但对其高温稳定性会产生不利影响。由此可见：由于聚合物各有优缺点，对半柔性材料性能的改善效果存在差异性。

苯丙乳液由苯乙烯和丙烯酸酯单体经乳液共聚而得，是一种重要的中间化工产品，现主要用作建筑涂料、金属表面乳胶涂料、地面涂料、胶粘剂等。苯丙乳液可以与水泥或其水化产物发生化学反应，形成特殊的化学键，优化水泥基材料的内部结构，增加混凝土或砂浆等水泥基材料的韧性，已经在土木工程材料领域得到广泛的关注与青睐[14-17]。苯丙乳液对水泥基材料性能的影响为改善半柔性材料性能提供了新的思路，但迄今为止，苯丙乳液对于改善半柔性路面材料性能的影响规律研究尚未开展。本研究通过系列试验分析探寻了苯丙乳液对半柔性路面材料多方面路用性能的影响规律，以期为改善半柔性路面材料的应用性能及拓展其应用空间提出技术依据。

1 试验原材料

1.1 沥青与集料

试验选用SBS-I-C改性沥青、玄武岩集料(9.5～13.2，4.75～9.5，0～2.36 mm)、石灰石矿粉。依据规范进行的基本技术指标测试结果如表1、2所示。

表1 SBS-I-C改性沥青的技术性能指标Tab.1 Technical performance indicators of SBS-I-C modified asphalt

1.2 水泥基灌浆料

水泥：P·O42.5普通硅酸盐水泥；细砂：过0.6 mm方孔筛后的天然河砂；外加剂：UEA膨胀剂和FDN减水剂；苯丙乳液用固含量为50%的商品，具体技术参数见表3。

表2 集料与矿粉的技术性能指标Tab.2 Technical performance indicators of aggregate and mineral powder

表3 苯丙乳液的技术参数Tab.3 Technical parameters of styrene-acrylic emulsion

2 试件配合比设计

2.1 基体沥青混合料配合比设计

基体材料设计的两个关键指标分别是集料用量和油石比。借鉴沥青混合料设计的体积法，拟定24%的目标空隙率；对级配初拟2.5%～4.5%的油石比，以0.5%为步长；按粉胶比1.15计算每个沥青用量下矿粉用量。将目标空隙率、初拟油石比、矿粉用量、材料密度、粗集料骨架间隙率等几方面的参数代入方程组(1)即可求出不同目标空隙率下的粗、细集料用量。

(1)

式中，qc，qf，qp为粗集料、细集料、矿粉的含量；qa为油石比；ρsc，ρtf，ρtp，ρa分别为粗集料堆积密度、细集料、矿粉的表观密度和沥青的密度；VVC，VVS分别为捣实状态下粗集料骨架间隙率、设计空隙率。

基体最佳沥青用量的设计原则为既提供足够胶结，又不流淌。因此采用谢伦堡析漏与肯塔堡飞散试验共同确定，不同沥青用量下的试验结果绘于图1、图2。

图1 目标空隙率为24%析漏损失Fig.1 Target void rate 24% leakage loss

图2 目标空隙率为24%飞散损失Fig.2 Target void rate 24% scattering loss

由图1可看出，曲线在3.6%左右出现突变点，分别从曲线左右两点做切线，交点油石比为3.6%，即为最大沥青用量。由图2可看出，曲线在3.5%左右出现突变点，分别从曲线左右两点做切线，交点油石比为3.5%，即为最小沥青用量。最佳沥青用量的取值范围为3.5%～3.6%，以3.6%作为最佳沥青用量。相应级配曲线见图3。

图3 基体沥青混合料级配曲线Fig.3 Gradation curve of matrix asphalt mixture

对最佳沥青用量下的基体混合料旋转压实试件进行3组平行的空隙率检验，测试结果见表4。结果表明基体试件的实测空隙率与目标空隙率差异较小，最大差异为0.8%，证明基体设计准确。

表4 基体混合料空隙率测试结果Tab.4 Tested void ratio of matrix mixture

2.2 水泥基灌浆料配合比设计

以灌浆料流动度、抗折强度、抗压强度等3项性能为目标标准，改变苯丙乳液掺量，通过正交试验确定了苯丙乳液灌浆料配合比。其中乳液掺量按外掺计，乳液中的水在用水量中扣除以保持实际水灰比不变；UEA膨胀剂和FDN减水剂掺量分别为胶凝材料用量的 5%和 1%；河砂用量20%。具体配比见表5。其各项技术参数符合文献[18]及《道路灌注式半柔性路面技术规程》(T/CECS G: D51-01—2019)等行业技术要求。

表5 水泥基灌浆料配合比及技术参数Tab.5 Mix proportion and technical parameters of cement based grouting material

3 试件制备与试验方法

3.1 试件制备

采用旋转压实成型法与轮碾成型法制备直径10 cm 圆柱体和30 cm×30 cm×5 cm基体试件。脱模后的试件用保鲜膜和透明胶带包裹周围与底面，使上表面露出。调试HZJ-1型振动台，使其振动频率为(50±2) Hz，振幅为(0.35±0.02)mm，随后将试件放置振动台上手工灌浆，当基体表面溢出灌浆料，灌浆料不再下渗且通过保鲜膜可观察到底部浆液时判断为灌注饱满，关闭振动台停止灌浆。灌浆完成待表面灌浆料凝固，刮去表面多余的灌浆料，然后将试件放在温度为(20±2)℃，湿度不小于95%的养护室内养护28 d后进行相关性能测试(弯曲试验试件也在28 d切割)。

3.2 试验方法

采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中T0738方法，使用UTM-30疲劳试验机测试圆柱体试件的单轴压缩动态模量以评价刚柔特性影响；采用T0719车辙试验评价高温稳定性影响；T0715弯曲试验评价低温抗裂性影响；T0729冻融劈裂试验评价水稳定性影响。高温稳定性采用3个试件进行平行试验；动态模量、弯曲、冻融劈裂分别采用6个试件进行平行试验。

4 试验结果分析

4.1 苯丙乳液对模量的影响

20 ℃,0.1，5，10,25 Hz这4个频率下的单轴压缩动态模量试验结果如图4和图5所示。由两图可知，随着苯丙乳液掺量的提高，半柔性路面材料的动态模量持续大幅度降低，说明苯丙乳液可有效降低混合料刚性或提高柔性。

图4 不同频率同苯丙乳液掺量下的动态模量Fig.4 Dynamic moduli with same content of styrene-acrylic emulsion at different frequencies

图5 同频率不同苯丙乳液掺量下的动态模量Fig.5 Dynamic moduli with different contents of styrene-acrylic emulsion at same frequency

图4中，6%掺量以后的模量降低趋势加快。在典型的10 Hz频率时，6%掺量相对0掺量空白组的动态模量降低16%，9%掺量相对降低39%，二者影响幅度相差2.4倍。图4中，曲线可明显分为两组，低于6%时模量随频率的变化趋势与空白组接近，9%和12%趋势一致且相对6%以下变化趋势更快。图5同频率曲线的模量在6%以后变化加快和图4曲线的分组说明6%～9%以上掺量可能影响了灌浆料微观结构使其性能有较大幅度变化。

图4中9%和12%趋势一致说明高掺量影响与低掺量影响的差异真实存在，不是来源于试验误差。

4.2 苯丙乳液对高温稳定性的影响

车辙试验的动稳定度试验结果如图6所示。由图6，高于6%的苯丙乳液可明显提高动稳定度，可进一步提高混合料高温稳定性。

图6 不同苯丙乳液掺量下的动稳定度Fig.6 Dynamic stabilities with different contents of styrene-acrylic emulsion

同时，随着乳液掺量的增加，动稳定度呈先提高后降低的变化趋势，在9%出现峰值，此时动稳定度可提高21%。表明对高温稳定性来说，存在合理乳液掺量，更高则带来不利影响。

4.3 苯丙乳液对低温抗裂性的影响

-10 ℃条件下弯曲试验的弯拉应变试验结果如图7所示。由图7，苯丙乳液可明显提高极限弯拉应变，可显著改善混合料低温抗裂性。

图7 不同苯丙乳液掺量下的弯拉应变Fig.7 Flexural strains with different contents of styrene-acrylic emulsion

随着苯丙乳液掺量的增加，弯拉应变也呈先增大后降低的变化趋势，在6%掺量时出现峰值，此时极限弯拉应变相对空白组提高54%。联系动态模量试验结果，说明存在最佳掺量使半柔性路面材料低温抗裂性最优，而并非模量越低越好。

4.4 苯丙乳液对水稳性的影响

冻融劈裂试验结果如图8所示。由图8，苯丙乳液可显著提高冻融劈裂强度比，对改善半柔性路面材料的抗水损害能力有明显贡献。

图8 不同苯丙乳液掺量下的冻融劈裂强度比Fig.8 Freeze-thaw splitting strength ratios with different styrene-acrylic emulsion contents

随着苯丙乳液掺量的增加，冻融劈裂强度比呈先增大后降低的变化趋势，在9%掺量附近出现峰值，此时冻融劈裂强度比提高到93%，比空白组高了10个百分点。可以认为苯丙乳液增强了沥青基体与灌浆料之间的黏结黏附特性，有效阻碍了水对沥青的剥离作用，且存在最佳用量。

5 结论

研究表明：苯丙乳液可显著改善灌入式半柔性路面材料性能，但对不同性能的影响存在不同的合理或最优掺量。具体表现在：

(1)随着掺量提高，苯丙乳液大幅度降低混合料的动态模量；不同试验频率下，掺量低于6%时模量随频率的变化趋势与空白组接近，高于9%时变化趋势加快，6%～9%掺量是对模量影响的转折区间。

(2)高于6%掺量的苯丙乳液可明显提高动稳定度，进一步提高高温稳定性。随着乳液掺量的增加，动稳定度呈先提高后降低的变化趋势，在9%出现峰值，此时动稳定度可提高21%。

(3)苯丙乳液可明显改善混合料低温抗裂性。随着苯丙乳液掺量的增加，弯拉应变呈先增大后降低的变化趋势，在6%掺量时出现峰值，此时改变幅度可达54%。

(4)苯丙乳液可显著提高混合料抗水损害能力。随着苯丙乳液掺量的增加，冻融劈裂强度比呈先增大后降低的变化趋势，在9%掺量附近出现峰值，此时冻融劈裂强度比比空白组高10%。