水泥灌浆半柔性沥青路面研究综述

2021-07-13陶丽萍

城市道桥与防洪 2021年6期

陶丽萍

（上海市青浦区道路运输管理事务中心，上海市201799）

0 引言

沥青混凝土路面和水泥路面作为两种使用最广泛的路面形式，有着各自的优点。但是在长期的使用过程中发现它们都有各自难以克服的问题。对于沥青路面来说，重载交通下的车辙问题严重影响了路面的质量降低了使用寿命[1]。对于水泥路面来说，由于水泥的凝结时间需要导致施工开放时间间隔较长，对道路交通和建设成本造成了巨大的影响，另外水泥路面的胀缝和缩缝的存在降低了行驶舒适度[2]。半柔性路面特指在大孔隙（25%~35%）开级配沥青混合料中灌入流动性较好的水泥浆形成的复合路面结构[3-7]，与传统沥青混凝土路面不同的是，它能够有效提高路面的高温抗车辙能力[8]，而与水泥路面相比，它不需要设置伸缩缝，提高了路面的行驶舒适度，因此引起了研究者的广泛关注[9]。本文就半柔性路面的结构、材料和路用性能等方面对半柔性路面的研究进行总结和展望。

1 结构设计

1.1 结构设计理论

半柔性路面是大孔隙沥青混合料和水泥胶浆组合而成的一种复合的空间骨架结构，其结构强度由大孔隙沥青混合料骨架和和水泥胶浆共同承担。我国沥青路面设计是采用以弹性多层体系理论为基础的理论设计法；水泥路面设计采用的是弹性地基板设计理论。半柔性复合路面作为一种新型的路面结构型式，对其设计理论与方法的研究非常少，目前还没有具体的规定。当前半柔性沥青路面结构的设计主要是参考我国现行沥青路面设计方法与指标，通过验算面层底部的拉应力来确保路面结构拥有足够的疲劳寿命，与此同时，测量路基表面的垂直压应变来进行结构验算[10]。主要设计思想包括以下内容：

（1）确保路面结构拥有足够的强度以抵抗外界荷载的作用：主要通过提高抗压回弹模量和增大劈裂强度来实现。

（2）考虑半柔性路面的极限破坏形式：半柔性路面的应力-应变关系与普通沥青混合料较为接近，而与水泥混凝土差别较大，具体见图1。

图1 不同材料的应力-应变关系曲线

（3）采用疲劳开裂作为设计的控制指标：疲劳开裂被认为是半柔性路面的主导破坏模式，其发展过程与普通沥青混凝土较为相似，在不发生结构性损害的情况下遵循萌生-发展-连通的破坏模式，直至裂缝宽度和范围不断增大，形成结构性损伤，最终导致路面毁坏；而疲劳断裂前路面几乎没有明显的变形,一旦发现路面变形则此时几乎将最终发生断裂破坏。结构设计需控制疲劳开裂的指标。

（4）半柔性路面结构的荷载响应与柔性路面相似，计算点的位置与柔性路面的一致。

1.2 结构设计参数

设计参数主要包括交通参数和材料参数，交通参数计算主要是确定设计年限内的累计当量轴载，确定交通等级；材料参数主要包括土基的动态回弹模量和半柔性里面材料的劈裂抗拉强度。确定好结构设计参数后，进行半柔性复合路面材料面层和半刚性材料层底面拉应力计算和路基表面的垂直压应变计算，以验算结构的强度。

1.3 结构组合设计

早期欧美国家主要将半柔性路面用在表层，通过在水泥灌浆中掺加不同的颜色达到美化路表的作用[11-12]。后来研究者更加注重半柔性层的功能性，进行路面结构的组合设计。路面结构的合理组合设计是发挥路面各个功能层最大效果，实现材料的合理应用的有效途径。在路面结构组合设计过程中，应结合其所在结构层的受力特征进行合理设计。半柔性路面层主要是被用来作为路面的抗车辙功能结构层来设计，通过与普通沥青混凝土路面进行组合，达到经济性与功能性的结合[13]。

2 材料设计

2.1 母体沥青混合料设计

母体沥青混合料必须具有一定量的连通孔隙，以便水泥浆体能够充分灌注和填充孔隙，同时也需要一定的强度，充分发挥其骨架支撑作用[14]。一般以母体沥青混合料的物理力学参数空隙率和动稳定度为指标来设计矿料的级配。其中母体沥青混合料的空隙率是半柔性路面设计的最主要的控制参数，因为空隙率的大小决定了水泥胶浆的贯通率，对路面的路用性能有着很大的影响。黎侃[13]等应用有限元模拟研究了不同空隙率下半柔性路面的内部应力分布情况，提出了基于沥青混合料极限应力的最佳空隙率的确定方法，见图2。另外，最佳沥青用量的确定主要是利用谢伦堡析漏和肯塔堡飞散实验。母体沥青混合料的确定一般有两种方法，一种是直接使用开级配沥青混合料OGFC的配合比，另一种是采用正交法确定各个影响因素下的最佳配合比[14]。

图2 有限元模拟半柔性路面内部应力分布情况[13]

基于体积法的母体沥青混合料的设计流程见图3。另外，为了得到良好的水泥浆贯通率和温度变形协调性以及国内外专家也对母体沥青混合料的设计参数进行了大量的研究。Hou等[15]通过22组不同级配的母体沥青混合料试件研究了母体沥青混合料级配对灌浆效果的影响，研究发现灌浆效果受母体沥青混合料的空袭连通性的影响，而空隙的连通率主要受表面形貌特征、结构的孔隙尺寸的影响，与设计空隙率的差别较大。而且灌浆效果也与母体沥青混合料中细集料的含量的有关。丁庆军等[16]发现半柔性沥青路面的强度随着孔隙率的增大而增大，在保持孔隙率不变的情况下，采用均匀级配设计得到的半柔性沥青路面的强度优于采用连续级配设计。在此基础上，阳晏[17]研究成果发现母体沥青混合料的连通孔隙率的增加有助于提高抗车辙性能、抗低温开裂性能以及抗疲劳性能，而过大的连通孔隙率不利于半柔性路面的抗水损害性能。Yang等[18]使用主矿料间隙填充法对母体沥青混合料进行设计，发现均能满足设计要求。并且提出以沥青膜厚度和谢伦堡飞散值作为设计的控制指标。

图3 母体沥青混合料设计过程

2.2 水泥灌浆材料设计

水泥灌浆材料主要由水泥、标准砂、矿粉、水以及外掺剂组成，对于其性能要求，日本半柔性路面设计规范对流动度（10~14 s）、抗压（9.8~29.4 MPa）和抗折强度(大于2.0 MPa)作了具体的要求。而在实际设计时还需要考虑水泥砂浆的粘附性和体积稳定性。与沥青良好的粘附性能够有效提高半柔性路面的低温开裂性能和抗疲劳性能，主要是通过掺加不同类型和比例的外掺剂来提高其粘附性，常用的外掺剂主要有：粉煤灰、乳化沥青和羧基丁苯乳胶。水泥砂浆的配比设计主要是以其性能要求为控制指标，采用正交法进行设计。王巍等[19]的研究采用正交设计法来设计水泥灌浆材料，考虑了水胶比、砂种类与比例、矿粉掺量以及添加剂掺量等因素，以流动性能和强度作为考察指标，提出了水泥灌浆材料的优化设计方法。程磊等[20]考虑到半柔性路面用水泥胶浆必须具有良好的流动性以及足够的强度等性质。鉴于影响水泥胶浆性能的因素很多,采用均匀设计法安排试验,并应用SPSS统计软件对试验结果进行回归,确定了影响水泥胶浆性能的主要因素,并确定了其最佳配比。丁庆军等[21]研究的研究发现在水泥胶浆中掺入一定量的橡胶粉能够提高浆体的体积稳定性，改善水泥砂浆与沥青间界面的粘接性能，并能够有效的提高半柔性路面材料的低温抗裂与疲劳开裂性能。橡胶粉虽然能够在一定程度上改善水泥浆的干缩性能和泌水性能，同时防止离析现象的出现，但是橡胶粉的加入会造成水泥浆强度的降低。另外，橡胶粉取代特细砂掺入水泥胶浆中，体积取代率为15%时效果最佳，橡胶粉水泥砂浆能够改善浆体与沥青集料的界面粘结性能，亦能改善半柔性路面材料的低温抗裂性能与疲劳开裂性能。加入橡胶粉后的水泥砂浆与沥青界面形貌见图4。

图4 水泥砂浆与沥青界面形貌

在水泥砂浆材料优化设计方面，李国强等[22]在半柔性材料的结构优化上寻求突破点，开乳化沥青水泥混凝土复合路面材料。也有学者针对水泥砂浆开展性能优化研究，将树脂引入水泥砂浆中得到水泥浆体灌浆材料，并对树脂改性半刚性面层复合材料的物理力学性能进行了研究。Zhang等[23]研究发现水泥砂浆设计中对流动度、强度和干缩性能影响最大的因素依次是：水灰比、粉煤灰掺量和矿料掺量。也有学者研究发现在水泥浆中掺入5%的硅粉和适量的减水剂以及水灰比能够有效提高水泥的抗压抗折强度和流动度。

3 路用性能研究

3.1 高温性能

半柔性路面具有良好的高温稳定性能。研究表明，大孔隙沥青混凝土骨架对沥青抗高温性能的贡献率为70%[24]。Hou等[25]人通过对比AC-16与水泥灌浆沥青混凝土的马歇尔稳定度发现后者能够有效提高高温变形能力。俞增煌[26]通过车辙试验研究发现，相比于普通沥青混合料，半柔性水泥灌浆沥青混合料的抗车辙能力有大幅度提升。

3.2 疲劳性能

半柔性路面的疲劳性能研究通常采用沥青路面的研究思路，常用疲劳方程如式（1）所示。其中，Nf代表疲劳寿命，参数n可以从回归方程中直接求得，参数k可从Ln（k）的反函数中求得[3，27]。

Ding等[28]研究了宏观尺度下再生半柔性沥青混合料在周期性循环荷载下的力学相应，并采用图像分析技术和有限元技术研究了微观条件下半柔性水泥灌浆沥青混合料的力学性能，发现影响混合料疲劳性能的主要影响因素依次是：再生沥青、再生集料、水泥浆和普通集料。梁遐意[32]研究了泡沫温拌半柔性沥青混合料的疲劳性能，发现随着空隙率的增大，疲劳性能出现波动，当空隙率为28%时，疲劳性能最佳。

3.3 水稳性

半柔性路面的耐油蚀性和抗水损害性能与密集配沥青路面相当或优于密集配沥青路面。Hou等人[25]通过浸水马歇尔实验和冻融劈裂实验研究了AC-16和水泥灌浆半柔性沥青混凝土的水稳定性，实验结果证明不同的养生时间下水泥灌浆半柔性沥青混合料的水稳性都好于AC-16，见图5。

图5 控制与养生条件下AC-16试件和水泥灌浆半柔性沥青混合料马歇尔稳定度与冻融劈裂强度试验结果

但是在路面的长期使用过程中，水泥与沥青界面的疲劳裂缝的出现会使水侵入裂缝，加剧路面的损害。另外，梁遐意[32]的研究发现泡沫乳化沥青的水稳性会随着空隙率的增大而增大。

3.4 低温性能

由于水泥与沥青两种性质完全不同的材料形成的界面的粘结强度较弱，而且两种材料的刚度相差较大以及温度变形的差异性导致裂缝问题经常出现，成为半柔性路面面临的最大的挑战。Huang等[29]制备了6种不同掺量（沥青/水泥质量比：0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5）的水泥改性沥青胶浆，发现随着沥青/水泥质量比的提高，半柔性路面的刚度逐渐下降，最大可降低62.5%；疲劳寿命逐渐升高，最大可提高43.6%。Fang等[30]尝试在水泥胶浆中掺加丁苯橡胶（SBR）以期提高半柔性路面的抗裂性，研究发现当掺量为2%时能够有效提高水泥胶浆的流动度和工作性，同时提高与沥青界面的粘结强度，提高低温和疲劳开裂性能。刘广英等[31]的研究尝试在水泥浆中加入相变控温材料达到夏季降低路面温度的目的，发现采用相变材料硅酸乙酯用溶胶-凝胶法制得水泥砂浆得到的半柔性路面具有良好的降温效果。目前抑制半柔性路面开裂的方法有很多，主要可以概括为以下几类：（1）以阳离子乳化沥青为代表的沥青改性水泥胶浆；（2）以聚乙烯醇为代表的水泥改性剂；（3）以硅烷偶联剂为代表的界面改性剂。所有这些改性方法的目的是在水泥与沥青这种有机物-无机物界面形成一种桥接的作用，从而在提高界面粘附强度的同时具有一定的适应变形的能力。