灌入率对湿热地区半柔性材料路用性能的影响

陈远远

(阳光学院 土木工程学院,福建 福州 350015)

半柔性路面具备刚性路面和柔性路面材料的优点，可广泛用于各等级公路、城市道路、收费广场、停车场、港口码头以及机场的路面。目前，关于半柔性路面的研究取得了一定成果。孙雅珍等[1]通过正交试验法，分析了不同因素、不同掺量对水泥砂浆材料性能的影响规律，进而确定了具有高强度、高流动性和低膨胀特点的高性能水泥砂浆(HPCM)最佳配合比范围，并通过车辙试验研究了水泥砂浆的灌浆效果。陈湘华等[2]评价了半柔性路面材料的抗裂性能，分析其开裂机理，采用半圆弯曲试验方法评价不同温度、不同母体孔隙率下半柔性路面材料的抗裂性能。邱钰婷[3]采用ABAQUS有限元分析法建立了半柔性路面计算模型，模拟计算了水泥混凝土路面加铺半柔性路面应力，分析了不同因素对单层和双层加铺结构力学特性的影响。对半柔性材料路用性能的研究，大多集中在探讨孔隙率、浆体灌入率、沥青种类及材料级配对半柔性材料路用性能的影响规律，目的在于为半柔性路面材料工程设计与施工提供相关建议[4-7]，而关于不同灌入率对半柔性路面材料路用性能的影响研究较少。石磊等[8]研究了不同浆体灌入率对半柔性路面材料性能的影响，提出了浆体灌入率的最低要求，但未研究影响灌入率的因素及这些因素的影响程度。本文针对灌入率的影响因素及不同灌入率对半柔性路面材料路用性能的影响展开研究，对其高温稳定性和水稳定性进行评估，从湿热地区路用性能角度提出对胶浆灌入率的最低要求。

1 原材料

1.1 沥青混合料原材料

选用紧装密度为1.665 g/cm3、表观密度为2.684 g/cm3的辉绿岩矿料为粗集料，连续级配沥青混合料的粗集料级配见表1；间断级配沥青混合料的粗集料级配为表1中的9.5～13.2 mm单一粒径集料；选用表观密度2.694 g/cm3的辉绿岩石屑为细集料，细集料的级配见表2；选用70#重载交通基质沥青，25 ℃针入度63.4(0.1 mm)，10 ℃延度68.3 cm，软化点54.4 ℃；选用石灰岩经磨细后的矿粉，表观密度为2.646 g/cm3。

表1 连续级配沥青混合料的粗集料级配Tab.1 Gradation of continuous graded coarse aggregate

表2 细集料级配Tab.2 Gradation of fine aggregates

1.2 水泥胶浆原材料

选用普通硅酸盐水泥P.O 42.5、粒径范围分别为0～0.3 mm和0.3～0.6 mm的细砂及水，选用TW-3(F)早强高效减水剂和AEA膨胀剂。

2 半柔性路面材料配合比研究

2.1 连续级配基体沥青混合料配合比

采用经验法拟定级配曲线进行试配，通过不断调整粗、细集料的用量，测出其空隙率，将实测空隙率与设计空隙率相比较，最终获得空隙率20%、25%、30%的连续级配沥青混合料级配，见表3。

表3 连续级配沥青混合料级配表Tab.3 GradationTable of continuous graded asphalt mixtures

2.2 间断级配基体沥青混合料配合比

采用体积法设计25%空隙率的间断级配沥青混合料，细集料、沥青及矿粉的体积与沥青混合料最终设计空隙率体积之和应等于主骨架空隙体积[9]。将粗集料紧装密度与粗集料表观密度代入式(1)，得出粗集料的空隙率Vvc，根据经验确定矿粉用量为4.0%，设置5组沥青用量分别为2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%。联立式(2)和式(3)，代入各已知量计算，得到粗集料用量和细集料用量见表4。

(1)

qc+qf+qp=100

(2)

(3)

式中：qc、qf、qp及qa分别为粗集料、细集料、矿粉及沥青质量百分数；Vvc、Vvs分别为粗集料紧装空隙率和沥青混合料设计空隙率；ρtc、ρtf、ρtp分别为粗集料、细集料和矿粉的表观密度；ρsc为粗集料紧装密度；ρa为沥青密度。

表4 不同沥青用量的集料计算结果Tab.4 Calculation results for aggregates of different asphalt content

采用谢伦堡析漏试验和肯塔堡飞散试验确定沥青用量。将沥青混合料倒入烧杯中放入烘箱，60 min±1 min后从烘箱取出烧杯，将混合料向下扣倒在玻璃板上，析漏量以图1所示的黏附在烧杯上的沥青结合料、细集料、玛蹄脂等的总质量占高温受热前的沥青混合料总质量的百分率表示。飞散损失以沥青混合料马歇尔试件在图2所示洛杉矶试验机中旋转撞击达规定的次数后，沥青混合料试件散落材料质量的百分率表示。分别绘制上述5种沥青用量的沥青混合料的析漏量、飞散损失与沥青用量的关系曲线(见图3)，由曲线的“拐点”处得到最大(小)沥青用量。

图1 高温状态下的沥青混合料析出Fig.1 Precipitation of asphalt mixture at high temperature

图2 洛杉矶试验机Fig.2 Los Angeles testing machine

(a)析漏量

(b)飞散损失图3 析漏量、飞散损失与沥青用量的关系曲线Fig.3 Curves of leakage, scattering loss and asphalt dosage

由图3可知，谢伦堡析漏试验关系曲线拐点对应的最大沥青用量为3.7%，肯塔堡飞散试验关系曲线拐点对应的最小沥青用量为3.5%，综合二者结果，取3.6%为最佳沥青用量。因此，间断级配沥青混合料设计级配见表5，沥青用量为3.6%，矿粉用量为4.0%。

表5 间断级配沥青混合料级配表Tab.5 GradationTable of discontinuous graded asphalt mixtures

2.3 水泥胶浆配合比设计

针对0～0.3 mm和0.3～0.6 mm这两种粒径的细砂分别设计两个砂胶比，另外再设计一组不加细砂的胶浆配比，水泥胶浆配合比见表6。

表6 水泥胶浆材料配比Tab.6 Ratio of cement mortar materials

3 灌入率的影响因素分析

3.1 灌入率测试方法

制作基体沥青混合料标准马歇尔试件，测得其灌浆前的连通空隙率V1；采用光滑的防水材料包裹试件四周和底面，只留出其中一个灌浆平面；灌入水泥胶浆，等到其初凝以后、终凝之前，刮掉多余胶浆，使胶浆与混合料骨料齐平，测得其灌浆后的连通空隙率V2。则水泥胶浆的灌入率n为

(4)

3.2 灌入率测试结果

利用表6的5组水泥胶浆配合比与表3、表5的4种基体沥青混合料配合比进行组合，按上述方法测试其灌入率，结果见表7及图4。

表7 灌入率试验结果 Tab.7 Test results of filling rate 单位：%

图4 灌入率试验结果柱状图Fig.4 Histogram of the filling rate test results

分析以上试验结果可知：

1)沥青混合料设计空隙率对灌入率的影响

(1)对于不同空隙率的沥青混合料，当灌入同类型胶浆时，水泥胶浆的灌入率随着设计空隙率增大而增大，这是因为空隙率越大，封闭孔越小，水泥胶浆更容易灌入基体沥青混合料。

(2)当空隙率大于25%时，沥青混合料空隙率对灌入率影响较小。以A型胶浆为例，空隙率25%的混合料灌入率比空隙率20%的混合料灌入率提高了18.5%，空隙率30%的混合料灌入率比空隙率25%的混合料灌入率提高了5.0%，提高幅度明显降低，其他类型胶浆也是这种变化规律。

2)级配类型

对比空隙率为25%的连续级配和间断级配沥青混合料可知，其灌入率十分接近，说明空隙率25%时，级配类型对胶浆灌入率基本没有影响。

3)细砂粒径

(1)对于同一级配的沥青混合料，当灌入砂胶比相同但细砂粒径不同的水泥胶浆(B-D、C-E)时，灌入率随细砂粒径增大而降低。砂胶比越大，灌入率降低的程度越明显。

(2)使用粒径为0.3～0.6mm的细砂时，即使灌入空隙率30%的沥青混合料，其灌入率也仅为88.7%，其余空隙率沥青混合料的灌入率大部分都小于75%；而使用粒径为0～0.3mm的细砂时，可以显著提高灌入率。因而本文建议水泥胶浆的细砂粒径宜选用0～0.3mm。

4)砂胶比

对于同一级配的沥青混合料，当灌入细砂粒径相同但砂胶比不同的水泥胶浆(B-D、C-E)时，灌入率随砂胶比增大而减小。细砂粒径越大，砂胶比对胶浆灌入率的影响越大。

4 灌入率对半柔性材料路用性能的影响分析

4.1 高温稳定性能评价结果及分析

基于对灌入率的研究可知，C型胶浆和A型胶浆在空隙率25%的连续级配沥青混合料中的灌入率约为90%，以此灌入率为饱和灌浆，以50%灌入率为半饱和灌浆。为评价高温稳定性能，制作空隙率25%的沥青混合料车辙板，配制净浆(A型胶浆)和砂浆(C型胶浆)两种水泥胶浆灌入车辙板中作为车辙试验试件，灌入量分为未灌浆、半饱和灌浆以及饱和灌浆，同时设置未灌浆试件进行对比。由于湿热地区高温持续时间长、极值温度高，因此将车辙试验试件在20 ℃下养生7d后放入70 ℃环境下保持5h，在该温度环境下进行图5所示的车辙试验，结果见表8及图6。

图5 半柔性路面材料车辙试验Fig.5 Rutting test of semi flexible pavement materials

表8 半柔性路面材料车辙试验结果Tab.8 Test results of semi-flexible pavement material rutting

图6 半柔性路面材料动稳定度试验结果Fig.6 Dynamic stability test results of semi-flexible pavement materials

分析表8和图6可知：在70 ℃试验温度下，由于未灌浆试件在试验过程中，车辙深度迅速增大，在2min内已达到15mm，因而将未灌浆试件动稳定度计为0 次/mm；而半饱和灌浆与饱和灌浆的试件，动稳定度均达到了12 000 次/mm以上。说明水泥胶浆可以显著提高半柔性路面材料的高温稳定性，且胶浆灌入率50%时动稳定度已高于各类沥青混合料的最高要求，也达到了《半柔性路面应用技术指南》对动稳定度大于10 000 次/mm的要求[10]。建议半柔性路面材料7d龄期，动稳定度指标为10 000 次/mm，灌入率应不小于50%。

4.2 水稳定性评价结果及分析

制作两批空隙率25%的沥青混合料马歇尔试件，配制净浆(A型胶浆)和砂浆(C型胶浆)两种水泥胶浆灌入试件，灌入量也分为未灌浆、半饱和灌浆以及饱和灌浆。一批试件灌入胶浆后在20 ℃下养生5d龄期后浸水48h，另一批试件不浸水，进行图7所示的马歇尔稳定度试验以测浸水马歇尔稳定度和标准马歇尔稳定度，计算出的半柔性路面材料残留稳定度见表9，浸水马歇尔稳定度试验结果柱状图如图8所示。

图7 半柔性路面材料马歇尔稳定度试验Fig.7 Marshall stability test of semi-flexible pavement materials

表9 半柔性路面材料残留稳定度试验结果Tab.9 Residual stability test results of semi-flexible pavement materials

图8 浸水马歇尔稳定度试验结果Fig.8 Test results of water saturated Marshall stability

分析表9和图8可知：

1)由于未灌浆试件在60 ℃热水浸泡48h后已经散掉，故未灌浆试件的残留稳定度即为0，半饱和灌浆试件残留稳定度为80%～90%，饱和灌浆试件残留稳定度为120%以上，说明水泥胶浆的灌入可以明显提高半柔性路面材料的水稳定性。

2)饱和灌浆试件的残留稳定度达到了100%以上，这是因为水泥试件的养生龄期仅为7d，在60 ℃热水中浸泡48h后，胶浆强度快速增长，使得浸水马歇尔稳定度比标准马歇尔稳定度还要高。建议半柔性路面材料7d水稳定性指标应不小于100%;结合图8分析可知,胶浆灌入率应至少不小于70%。

5 结论

通过对灌入率的影响因素研究，以及不同灌入率半柔性路面材料的高温稳定性和水稳定性的评估，可以得到以下结论：

1)采用增大沥青混合料的空隙率、选用较小砂胶比和较细粒径的细砂拌制水泥胶浆等方式均可提高胶浆灌入率。

2)当空隙率大于25%时，沥青混合料空隙率对灌入率影响较小，而级配类型对胶浆灌入率基本没有影响。

3)灌入率显著影响半柔性材料的高温稳定性和水稳定性，为保证半柔性路面材料路用性能，建议胶浆灌入率应至少不低于70%。