半柔性路面高性能灌浆料的制备与性能研究

胡文佩

(1. 上海市市政规划设计研究院有限公司，上海 200031； 2. 上海城市路域生态工程技术研究中心，上海 200031)

半柔性混凝土路面是以开级配的沥青混合料(空隙率20%～30%)为基体，填充特种水泥灌浆材料复合形成，兼具沥青混凝土路面的应变松弛能力和水泥混凝土路面的刚度，可有效减少交通流量和交通负荷引起的路面破坏[1-2]。半柔性路面良好的蠕变抗力，可抵抗应力松弛，减少温度缝的设置数量，甚至不必设置温度缝。另外，与水泥混凝土路面相比，行车舒适性显著提升。半柔性路面良好的刚性保证了其负载容忍度，不易形成车辙。而开级配的基体沥青混合料使半柔性路面具有良好的抗滑性能，可显著提升行车安全性。此外，半柔性路面还具有良好的耐油性和显色性[3-4]。因此，半柔性路面受到广泛关注，并逐步应用于停车场、加油站、攀爬路段等[5-6]。

水泥灌浆料与基体沥青混合料作为半柔性混凝土路面的组成部分，其沥青混合料的集料类型与级配对半柔性混凝土的路用性能起着决定性作用[7-8]，并且水泥灌浆料的配合比设计对半柔性混凝土的实际应用非常关键。研究表明，水泥灌浆料的浆体强度是决定半柔性路面强度的重要因素[9-10]，水泥灌浆料的性能主要取决于其配合比设计和外掺剂掺量。半柔性灌浆料的制备已有研究，顾晓燕等[11]研究了不同因素对水泥胶浆流动度的影响，覃峰[12]试验了基于施工现场需求的复合砂浆配合比，王巍等[13]进行了灌注式水泥胶浆配合比优化设计，但由于缺少半柔性灌浆料的系统研究和工程案例，且目前半柔性灌浆料的力学性能技术标准仍未明确，添加外掺剂可分散性乳胶粉制得的高性能半柔性灌浆料鲜有文献提及[14]。因此，本文通过设计水泥灌浆料的配合比，以流动度和力学性能作为评价指标，确定水泥灌浆料中胶粉和外掺剂的最佳掺量，以期获得最佳配合比，为半柔性路面高性能灌浆料的制备提供参考，也为半柔性路面结构设计提供新思路。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

本试验采用水泥、硅灰、细集料、减水剂、可分散性丁苯乳胶粉制备半柔性路面灌浆料。水泥采用P·O 52.5级，比表面积373 m2/kg。硅灰SiO2占比93%，比表面积28 000 m2/kg。细集料采用40～80目砂和80～120目砂。减水剂采用高性能聚羧酸减水剂，减水率>30%。可分散性丁苯乳胶粉为美国瀚森化工公司生产的AXILAT PSB150，不挥发物含量≥99%，堆积密度500 g/L。

1.2 基体沥青混合料

采用70号沥青、矿粉、玄武岩(1～3 mm和5～15 mm)制备基体沥青混合料，并压制车辙板成型，车辙板理论空隙率为25%～30%。

1.3 设计方案

半柔性灌浆料的技术重点在于改性剂的选取，通过预试验，测试水性树脂、丙烯酸胶乳、丙烯酸胶粉、减水剂、丁苯乳胶粉等改性剂性质，试验测得丁苯乳胶粉可以任意比例与水互溶，且未发生离析、沉淀，未显著改变水体稠度。故本试验选用丁苯乳胶粉作为改性剂，以改善灌浆料与基体界面性能，提高抗折强度，改善干缩性能。半柔性路面灌浆料配合比设计方案如表1所示。

表1 半柔性路面灌浆料配合比设计方案

1.4 灌注率计算

灌注砂浆体积与沥青混合料连通空隙体积的百分比为灌浆材料的灌注率，其计算公式为

(1)

式中，VV为灌入密实度，%；m1为灌浆前试件质量，g；m2为灌浆后试件质量，g；ρm为灌浆料密度，g/cm3；V为试件体积，cm3；P为灌入前试件空隙率，%。

1.5 试件制备与力学性能测试

1.5.1 车辙板成型

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)T 0703沥青混合料试件制作方法(轮碾法)的要求制作基体沥青混合料车辙板，并按T 0708 压实沥青混合料密度试验(体积法)和T 0711 沥青混合料理论最大相对密度试验(真空法)的试验方法测定沥青混合料的毛体积相对密度和理论最大相对密度，计算基体沥青混合料的空隙率P。

1.5.2 灌浆料制备及灌入试验

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2015)中的T 0506水泥胶砂强度检验方法(ISO法) 的要求进行拌和配制。车辙板试件冷却至室温后，封好试模侧面和底部，进行灌浆试验。灌入过程中观察灌浆料流动状态和渗透速度，在不附加振动的情况下观察材料自渗能力，然后振动车辙板并补充灌浆料，直至灌浆表面不再出现气孔，使混合料充分灌满，多余灌浆料用刮尺刮净，直至粗集料露出为止，整个成型过程在1 h内完成。灌浆料的流动度按T 0508水泥浆体流动度测定方法(倒锥法)测定。

1.5.3 试块成型及力学性能试验

将灌浆料倒入40 mm×40 mm×160 mm的试模中，将试模置于温度(20±3)℃、相对湿度>90%的养护箱中进行养护，(24±3)h后取出脱模，然后将试件置于温度(20±1)℃的水池中进行养护，养护到一定龄期后取出试件，测定其抗折强度和抗压强度。同时将灌浆后的车辙板试件切割成4 cm×4 cm×15 cm的条形试块，同条件养护7 d，测试其抗折强度和抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 流动性分析

水泥混凝土的流动性主要与水灰比和减水剂掺量有关，且具有显著幂相关[15-16]，本试验结果表明，丁苯乳胶粉对灌浆料流动性能也有较大影响，第2组较第3组增加丁苯乳胶粉掺量后，即增大了水胶比，灌浆料浆体状态较稠，说明丁苯乳胶粉具有保水增稠作用。丁苯乳胶粉掺量增加对灌浆料下渗速度具有提升作用，说明丁苯乳胶粉改善了界面性能。第3组相较第1组提高了细砂占比，灌浆料流动性有一定程度提高，说明集料级配对流动度也有影响，细集料占比高，灌浆料流动性好。

2.2 灌注度分析

灌注度试验结果如表2所示。浆体稀稠度与灌注度存在相关关系，同时在灌注试验过程中均采取了人工振动，即灌注过程中手动振动2～3次，这也是后期材料产业化施工必须考虑的因素。另外，从第1组和第2组可以看出，空隙率与灌注度呈正相关，说明空隙率小幅度提高(可能是连通空隙率的提高)，将显著增加灌注度，第2组相对第1组状态更稠，但仍有较好的灌注度。

表2 灌注度试验结果

车辙板切块断面如图1所示。第2组和第3组灌注后密实度较低，第4组最好，断面表现较为致密，浆体与沥青基料紧密结合，这对材料的力学性能和耐久性能有积极作用。

(a) 第1组

2.3 强度分析

丁苯乳胶粉掺量对灌浆料强度影响如图2所示。车辙板切块与灌浆料试块强度对比如表3所示。

表3 车辙板切块与灌浆料试块强度对比 (MPa)

由图2可知，随着丁苯乳胶粉掺量的增大，抗压强度略有降低，抗折强度略有提升，说明随着丁苯乳胶粉掺量的增加，灌浆料试块韧性(折压比)有所提高。

图2 丁苯乳胶粉掺量对灌浆料强度影响

由表3可知，第2组切块强度优于第1组和第3组，第4组切块强度最高，表明灌注度与强度呈现正相关。灌浆料试块强度第4组最好，则表明丁苯乳胶粉的最佳掺量为2%。《半柔性混合料用水泥基灌浆材料》(JT/T 1238—2019)要求龄期7 d的试件抗压强度为15～30 MPa，抗折强度≥2 MPa，而广东省的地方标准《专用砂浆半柔性路面应用技术规范》(DB44/T 1296—2014)要求7 d抗压强度≥70 MPa，中国工程建设标准化协会《道路灌注式半柔性路面技术规程》(T/CECS G:D51-01—2019)要求7 d抗压强度≥15 MPa，抗折强度≥2 MPa。不同标准的要求存在差异，但不可否认灌浆料强度是决定半柔性路面材料性能的重要因素，尤其抗折强度的提高，对改善道路性能至关重要。本试验的4组试件强度均远高于标准要求，说明经过丁苯乳胶粉改性，结合合理的集料配比可以制备高性能半柔性路面灌浆料。灌注度为73%～90%，复合板的力学性能无明显差异，且复合板抗折强度达到《半柔性混合料用水泥基灌浆材料》(JT/T 1238— 2019)中半柔性混合料的抗弯拉强度指标(≥2.5 MPa)的两倍，虽试件尺寸略有不同，但也在一定程度上说明高性能灌浆料显著改善了沥青基料的力学性能，理论上可以设计出高性能半柔性组合路面。

抗折断面如图3所示，抗压断面如图4所示。

(a) 第3组

(a) 第3组

由图3和图4可知，抗折断面石子基本完好，少数石子被剪断；而抗压断面石子被剪断的现象较普遍，说明在浆体与沥青混合料共同作用下，石子受力形式以剪切破坏为主，由此可见混合料的抗折强度和抗拉强度较为重要，这也是衡量高性能灌浆料的重要标准。

3 总结

本文通过加入丁苯乳胶粉作为改性剂，制备了高性能水泥基灌浆料，并将此灌浆料灌入开级配的沥青混合料车辙板中，模拟半柔性组合路面的形成，得出以下结论。

(1) 半柔性组合路面的性能影响因素很多，包括沥青混合料的制备质量(如空隙率)、半柔性灌浆料性能(如流动度、力学性能)和成型工艺。

(2) 丁苯乳胶粉改善了灌浆料与沥青基料的界面性能，可以提高灌注度和灌入后的密实程度。

(3) 试验确定的最佳配比为水泥与硅灰比10∶1，胶砂比2∶1，水胶比0.39，丁苯乳胶粉掺量2%。制备的灌浆料抗压强度84 MPa，抗折强度9.6 MPa，半柔性混合料抗压强度14.5 MPa，抗折强度 5.5 MPa，均远高于《半柔性混合料用水泥基灌浆材料》(JT/T 1238—2019)的标准要求。

(4) 该高性能灌浆料不仅可以用于道路维修养护中的加固补强，还可以在新修路面时，为道路设计提供全新思路，即在保证道路整体力学性能的前提下，中下面层和半柔性路面层的厚度可以有新的组合方式，使整体道路设计更加经济可靠。