灌入式半柔性路面抗车辙性能研究

王 涛，李成栋，彭浩然，谭洋洋，于 新

(1.山东路易达交通科技有限公司 临沂市 276000； 2.临沂市城市道路管理处 临沂市 276000；3.河海大学 南京市 210098)

灌入式半柔性路面作为道路车辙病害的新处治方法，是在大空隙沥青混合料路面中灌注水泥基材料，形成的一种半柔半刚性路面[1]。重点研究不同空隙率下的灌入式半柔性路面在不同温度、不同荷载条件下的抗车辙性能[2]，并与传统SMA-13路面材料比较，结合研究结论提出更合理的评价指标。

1 材料与试验方法

1.1 材料

为研究灌入式半柔性路面材料性能，首先要制备大空隙沥青混合料后再进行灌浆料的灌注，大空隙沥青混合料在试验室拌和，原材料有SBS改性沥青、玄武岩粗集料(10～15mm、5～10mm)、石灰岩细集料(0～3mm)、矿粉，所有材料性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的技术要求。水泥基灌浆料的基本性能满足表1要求，根据研究，大空隙沥青混合料作为母体混合料，推荐空隙率范围为15%～30%，因此级配设计如表2所示，最佳油石比如表3所示。SMA-13沥青混合料设计也按规范要求进行。

表1 水泥基灌浆材料性能检测结果

表2 沥青混合料级配设计

表3 沥青混合料最佳油石比结果

1.2 试验方法

目前并没有规范的试验方法来评价灌入式半柔性路面材料的路用性能，相关研究认为灌入式半柔性路面材料偏于柔性[3]，因此，采用沥青混合料车辙试验来评价灌入式半柔性路面的高温抗车辙性能。

众多研究表明，动稳定度能较好地反映沥青路面在高温季节抵抗形成车辙的能力。一般情况下，车辙试验的试验温度为60℃，轮压为0.7MPa，本研究考虑到灌入式半柔性路面所应用环境一般为重载高温路段，因此还考虑不同温度条件下(60℃、65℃、70℃、75℃、80℃)的车辙试验和不同荷载条件下(0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa、1.3MPa、1.4MPa)的车辙试验。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的沥青混合料试件制作方法(轮碾法)制备车辙试件，成型后用马歇尔试模轻轻来回碾压整平试件。待试件冷却后用透明塑料布对试块进行包裹，并用胶带进行绑扎处理完毕后进行灌浆处理。将车辙板试件养护28d后进行车辙试验。

2 抗车辙性能研究分析

2.1 标准试验条件下的车辙试验

选取沥青混合料空隙率分别为15%、20%、25%和30%的灌入式半柔性路面材料进行高温车辙试验，灌浆材料的养护龄期为28d。灌入式半柔性路面材料的车辙试验结果如图1所示。

图1 灌入式半柔性路面材料和SMA-13混合料的动稳定度

由图1可知，灌入式半柔性路面材料的动稳定度明显高于SMA-13沥青混合料，当空隙率为20%～30%时，灌入式半柔性路面的动稳定度约为SMA混合料的5～6.5倍，高温抗车辙性能明显提高。分析原因认为由于刚性灌浆料的灌入，因此灌入式半柔性路面的刚度变大，改变了大空隙沥青混合料的结构形式，车辆荷载作用下具有较强的抗车辙性能。

为分析灌入式半柔性路面抗车辙性是否是由于灌浆料的增加而提高的论点，本项目对不同空隙率下的灌入式半柔性路面材料进行抗压强度和抗压回弹模量试验，灌入式半柔性路面材料的龄期为28d，灌浆材料抗压强度为40MPa，试件的规格为直径100mm±2.0mm，高度为100mm±2.0mm，加载速率为2mm/min，结果如表4所示。并对动稳定度和抗压回弹模量进行相关性分析，结果如表5所示。

表4 不同空隙率灌入式复合路面材料

表5 动稳定度和抗压回弹模量的相关性分析

结果表明，不同空隙率下的动稳定度和灌入式半柔性路面抗压回弹模量线性相关系数为0.994，大于置信区间系数0.95，表明灌入式半柔性路面的抗车辙性能是由于灌浆料的增加，使得荷载作用下半柔性路面的抗压强度增加而引起的。

2.2 不同温度条件下的车辙试验

普通车辙试验温度一般为60℃，本项目考虑灌入式半柔性路面多用于抗车辙道路，路面温度较高的情况，因此将研究中的试验温度变为60℃、65℃、70℃、75℃、80℃，加载轮压为0.7MPa，模拟得到不同温度下的车辙试验，动稳定度试验结果见图2。

图2 不同温度条件下灌入式半柔性路面材料动稳定度

从图2可以看出，随着试验温度的提升，灌入式半柔性路面的动稳定度下降，表明灌入式半柔性路面的抗车辙性能随路面温度的升高而降低。对于空隙率为15%和20%的灌入式半柔性路面，当路面温度小于75℃时，动稳定度下降不明显，仅为11.47%和11.54%。空隙率为25%和30%时，动稳定度下降率分别仅为9.7%和8.9%。为分析温度对动稳定度的影响程度，对不同空隙率下的温度和动稳定度进行相关性分析，相关系数а为0.95，结果如表6。

表6 不同空隙率下的温度和动稳定度相关性分析

由表6可知，温度与灌入式半柔性路面的相关系数均小于0.95的显著水平，表明温度对半柔性路面的影响不显著。这是由于灌浆料的灌入改变了灌入式半柔性路面的柔性流变特性，随着空隙率的增加，“刚性”越来越明显，因此不受温度的影响。

2.3 不同荷载条件下的车辙试验

由于灌入式半柔性路面多用于重载路段，因此考虑加载轮压为0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa、1.3MPa、1.4MPa，得到的不同荷载条件下车辙动稳定度试验结果见图3所示。

图3 不同荷载条件下灌入式半柔性路面材料动稳定度

从图3可以发现，随着加载压力的增大，不管何种大空隙沥青混合料空隙率条件下，其动稳定度都呈现逐渐降低的趋势，表明灌入式半柔性路面抵抗车辙变形的能力在下降，但其动稳定度值均大于10000次/mm，表明灌入式半柔性路面在重载条件下依旧具有良好的抗车辙性能。

2.4 基于压实变形的动稳定度修正

根据研究结果可知，灌入式半柔性路面的动稳定度都在10000次/mm以上，已有研究表明，当材料的动稳定度≥10000次/mm时，直接通过我国现行车辙试验标准计算出的动稳定度与平滑法处理得出的数据有较大偏差，而且车辙试验时次数对应的车辙深度应综合考虑混合料的压密变形和固结变形的总量。

动稳定度试验时，忽略了压实过渡期的变形，因压实过渡期变形也属于永久变形，最终也会直观地反映为在路面上形成车辙。在对灌入式半柔性路面动稳定度的测试过程中发现，灌入式半柔性路面的车辙深度主要产生在碾压前45min，45min后的车辙深度基本趋于稳定，即在随后的15min碾压过程中，灌入式半柔性路面混合料的永久变形量变化不大。由此计算出灌入式半柔性路面的车辙动稳定度偏大，因此对车辙试验的动稳定度应综合考虑混合料的压密变形和固结变形的总量。为使车辙试验更好地评价灌入式半柔性路面抗车辙性能，对动稳定度进行修正，结果如下：

(1)

式中：C—试件的稳定度修正指数，次/mm2；

d1—车辙试验中试件在45min(t1)时的变形大小，mm；

d2—车辙试验中试件在60min(t2)时的变形大小，mm；

C1，C2——试验机修正系数。

按照上式重新计算修正的动稳定度，并采用MTS810试验机测试灌入式半柔性路面的劲度模量指标，该指标能更准确体现灌入式半柔性路面的抗车辙性能，得到的试验结果见表7所示。

表7 不同空隙率灌入式半柔性路面测试结果

通过绘制动稳定度和稳定度修正指数与劲度模量的关系，并进行线性回归，得出关系曲线如图4。

图4 综合稳定指数、动稳定度与劲度模量关系

从图4以看出，综合稳定指数与车辙动稳定度变化趋势一致，都是随着空隙率的增大而逐渐增大；同时综合稳定指数和车辙动稳定度与劲度模量呈现线性关系，其中动稳定度与劲度模量的相关系数为0.9242，综合稳定指数与劲度模量的相关系数为0.9940，说明采用综合稳定指数比现有基础上车辙试验得到的动稳定度评价混合料的高温稳定性更加合理。

3 结论

灌入式半柔性路面动稳定度是SMA-13混合料动稳定度的5～6.5倍，具有优越的抗车辙性能，且随着母体大空隙沥青混合料空隙率增大，高温抗车辙性能不断提高，数据分析表明灌入式半柔性路面的抗车辙性能主要是由于灌浆料的贡献。温度对于灌入式半柔性路面的抗车辙性能没有显著的影响，而荷载影响显著。考虑压实变形后的动稳定度修正系数比动稳定度指标评价灌入式半柔性路面混合料的高温稳定性能更合理。