灌注式水泥-开级配沥青混合料变形与疲劳性能研究

2022-06-07张发秀刘国坤曾亚林

公路工程 2022年2期

张发秀,刘国坤，曾亚林

(1.青海兴太工程咨询有限公司，青海西宁 810000；2.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南长沙 410015)

1 概述

开级配沥青混合料通常指由粗集料嵌挤组成，细集料较少，压实后空隙率≥18%的沥青混合料，具有减少反射裂缝，以及快速排水的优势，主要在柔性基层或旧路加铺改造的下面层中应用[1-2]。然而随着交通量的增大和车辆轴重的增加，普通开级配沥青路面暴露出车辙变形较大、耐久性不足等弊端。灌注式水泥-开级配沥青混合料是一种新型路面结构材料，它是在具有开级配的沥青混合料基体骨架材料压实后，灌注水泥浆填充骨料之间的空隙，逐渐凝结硬化，从而兼具水泥和沥青各自的特征，较一般开级配沥青混合料具有更强的耐久性[3]。

对沥青路面进行水泥灌注的方法较早在日本得到了广泛应用，该种路面每年可铺筑20多万m2，日本还提出了针对此路面结构计算方法[4-5]。我国对于半柔性水泥灌浆路面的研究近年来逐步增加，具有代表性的研究有：程磊[6]针对半柔性沥青路面的水泥胶浆配合比，用SPSS软件进行均匀试验方案的设计，并且用水泥浆流动性和强度测试试验来计算确定最佳水泥胶浆性能的水灰比、砂含量和矿粉含量等。凌天清[7]等在水泥浆中加入了BD乳液，最后给出了改性灌注聚合物改性水泥胶浆沥青路面材料的配比，发现在加入聚合物改性水泥胶浆后，灌浆半柔性路面材料的路用性能得到了很大的提高。丁庆军[8]等指出灌浆路面的工作性能很大程度上受到母体沥青混合料体积参数的影响，母体空隙率越大，灌浆沥青路面的性能越好。

上述研究对灌注式沥青混合料的研究主要针对强度指标，对长期变形和疲劳性能的研究报道较少，而且沥青混合料集料一般采用天然岩石，但是随着资源保护观念的增强，天然岩石骨料的稀缺性问题日益凸显[9-10]，关于天然岩石骨料替代品的研究具有重要意义。本文尝试研究灌注式沥青混合料的疲劳性能，制备了天然岩石、过烧砖、再生混凝土3种骨料的灌注式开级配沥青混合料试件，开展了不同试件初始空隙率下的车辙试验和疲劳试验，分析了车辙深度、疲劳寿命等指标的变化规律，从长期性能角度探讨不同骨料类型的优劣。

2 试验原材料与制样

2.1 试验材料

本文使用了3种类型的骨料，分别为天然碎石骨料、过烧砖碎骨料和再生混凝土骨料，其中过烧砖碎骨料是制砖业的废料，烧成温度过高，存在弯曲变形，砖的尺寸极不规整，一般不在建筑行业中使用；再生混凝土则来自某使用10余a的房屋结构，3种骨料压碎值分别为13.4%、28.9%和18.9%。本文使用沥青黏合剂基本性质如表1所示。

表1 沥青的性能指标 Table 1 Performance index of asphalt类别比重/(kg·m-3)针入度/mm软化点/℃延度/mm初始1.1827052>100老化1.1856654>100

用于灌注的水泥为42.5普通硅酸盐水泥，初凝和终凝时间分别为25和260 min，其3 d养护时间下抗压强度为27.61 MPa，28 d养护试验下抗压强度50.27 MPa。

2.2 试样制备

按表2所示的集料配比，尝试配置18%、21%和24%这3种空隙率(AV)的开级配沥青混合料。采用轮碾法制作沥青混合料试件，试件为长300 mm、宽300 mm、厚50 mm的板块状试件，将试模预热，将拌和好的开级配沥青混合料用小铲稍加拌和后转入试模，中部略高于四周，试样成型前将碾压轮预热至100 ℃，启动轮碾机，先在1个方向碾压两个往返，卸荷后抬起碾压轮，将试件调整方向，再加相同荷载碾压至马歇尔标准密实度(100±1)%为止。压实成型后，放在室温下冷却18 h后再脱模。最终配置样品的性质如表3所示。

表2 沥青混凝土集料的配比Table 2 The ratio of asphalt concrete aggregates筛孔尺寸/mm累计通过质量百分比/%碎石沥青混合料碎砖和碎再生混凝土沥青混合料18%AV21%AV24%AV18%AV21%AV24%AV19 10010010010010010013.2——————12.58585858585859.57570657065604.751010101010102.365555551.18——————0.6——————0.3——————0.15——————0.075222222

注浆时，原始试样用胶带缠绕，下部用聚乙烯密封，上部开口，进行振动灌注，残留在表面的多余浆液在灌注完成后擦除，图1为灌注前后切割沥青混合料的照片。浆液水灰比为0.5，图2为不同初始空隙率混合料注浆后的微观结构图，区域“A”表示集料周边的沥青黏合剂覆盖区域，而区域“B”表示开级配混合料中的水泥浆填充区域，并不是所有的初始空隙都会被浆液填充，因此所有试件都会存在残余空隙率，区域“C”即代表未被浆液填充的区域。可以看出，初始空隙率越大，填充到混合物空隙中的水泥浆越多，骨料/水泥浆和沥青/水泥浆2个比值将随着空隙率的增大而减小。

表3 试件基本性质Table 3 Basic properties of specimens沥青混合料类型目标空隙率/%沥青含量/%实际空隙率/%抗压强度/MPa18±0.53.218.381.56开级配碎石沥青混合料(OGSA)21±0.53.421.161.4824±0.53.223.991.4218±0.55.218.141.12开级配碎过烧砖沥青混合料(OGOBA)21±0.55.621.341.0824±0.55.223.881.0218±0.54.418.311.32开级配碎再生混凝土沥青混合料(OGRCA)21±0.54.421.151.2424±0.54.223.841.17

图1 开级配沥青混合料注浆前后对比Figure 1 Comparison of open-graded asphalt mixturebefore and after grouting

(a)AV=18%

(b)AV=21%

(c)AV=24%

3 试验方案

3.1 车辙试验

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[11]，对机械碾压成型的长300mm、宽300 mm、厚50 mm的板块状试件进行车辙试验，开动车辙变形自动记录仪，启动试验机，使试验轮往返行走，当最大变形达到25 mm时停止试验。本文车辙试验还考虑的温度和湿度的影响，温度设置了30 ℃和60 ℃的2种工况，相对湿度设置了40%(干)和80%(湿)的2种工况。

3.2 疲劳试验

参照上述试验规程，将轮碾成型的沥青混合料试件切割成长380 mm、厚50 mm、宽63 mm的小梁试件，利用疲劳试验机测定压实沥青混合料的疲劳寿命，其中试验温度控制在15 ℃左右，加载频率为10 Hz，恒定的应变控制在500×10-6，至少进行10 000次重复加载。与一般热拌沥青疲劳试验不同(加载至弯曲劲度模量降低至初始值的50%)，本文中，当弯曲劲度模量降低至初始值的10%时，试验终止，并记录相应的加载次数为疲劳寿命，因为本文试件的蠕变周期更长。

4 试验结果分析

4.1 车辙试验结果

由于篇幅有限，本文只展示了部分试件的车辙试验结果，图3为未注浆OGSA试件车辙深度与加载次数的关系。可以看出，对于未注浆试件，随着加载次数增加，对于空隙率较大的OGSA试件，车辙深度线性增加，而对于空隙率较小的OGSA试件，车辙增长速率越来越大。随着空隙率的增加，到达同一车辙深度所需的加载次数越来越少。

同时，可以看出湿度和温度环境对车辙试验的结果也有显著影响。例如AV=24%时，干环境、30 ℃条件下试件到达12 mm车辙深度所需的加载次数约9 500次，而湿环境、30 ℃条件下只需要加载6 000次左右，干环境、60 ℃条件下只需要加载7 500次左右。由此可见，未注浆试件抵抗变形的能力对湿度和温度变化是十分敏感的。

图3 未注浆试件车辙深度与加载次数的关系Figure 3 Relationship between rutting depth and loading times for ungrouted samples

图4为注浆OGSA试件车辙深度与加载次数的关系(60 ℃环境下)，图中对照试件为密级配沥青混合料试件。对于注浆试件，车辙深度-加载次数关系全线的形态发生的变化，在加载次数>2 000次后，车辙深度的增加速率放缓。与未注浆试件不同，注浆试件抵抗车辙变形的能力大大增强，以AV=21%为例，注浆试件在干环境、60 ℃下，加

图4 注浆试件车辙深度与加载次数的关系Figure 4 Relationship between rutting depth and loading times for grouted sample

载次数20 000次时，车辙深度仅为2 mm左右，而未注浆试件在同条件下只需要加载1 800次左右即产生了2 mm的车辙深度。同时，还可以看出，密级配对照试件的抗变形能力是远强于开级配试件的，但是比注浆试件略差，这体现了注浆开级配沥青混合料抗车辙变形的优势。

值得指出的是，试件原空隙率越大，注浆后反而抵抗车辙变形能力越强，这是因为空隙率越大意味着更多水泥浆填充，而且注浆试件对于干湿环境敏感性也有所下降。表4为所有试件车辙试验结果。

表4 车辙试验结果Table 4 Rutting test results类型AV%不同条件下的车辙比/(mm·h-1)不同条件下的动稳定度/(次·mm-1)30 ℃,干30 ℃,湿60 ℃,干60 ℃,湿30 ℃,干30 ℃,湿60 ℃,干60 ℃,湿180.4830.6500.6220.9036 0214 4074 6833 133OGSA210.4350.5960.5480.8267 2284 9695 0753 346240.3710.5270.5070.7628 8675 95554003 730180.5900.7440.7190.9745 5073 9803 9872 956OGOBA210.5450.7130.6710.9295 8534 0414 0623 046240.5250.6880.6640.9176 9834 4584 1203 247180.5320.6920.6630.9225 8124 1064 2213 027OGRCA210.4850.6750.6210.9016 2944 1494 6583 122240.4340.5740.5470.8177 1655 7365 1373 563

从表4可以看出，采用天然碎石作为骨料时，注浆沥青混合料的动稳定度最高，其次为采用碎再生混凝土骨料，再次为采用碎过烧砖骨料，动稳定度也与初始空隙率成正比。

各类试件抗压强度、注浆后残余空隙率和车辙比三者的关系如图5所示，其中车辙比定义为车辙深度与加载次数对数值之间的比值，该值越小，表明抵抗车辙变形的能力越强。可以看出试件抗压强度与车辙比成反比(R2=0.80)，说明注浆沥青混合料抗压强度越大抵抗变形的能力越强，而残余空隙率与车辙比成正比，但相关性较低(R2=0.64)。

图5 抗压强度和残余空隙率与车辙比的关系Figure 5 Relationship between compressive strength，residual air voidage and rutting rate

4.2 疲劳试验

图6 OGSA的疲劳性能曲线Figure 6 Fatigue test results of OGSA samples

图7 OGOBA的疲劳性能曲线Figure 7 Fatigue test results of OGRCA samples

图8 OGRCA的疲劳性能曲线Figure 8 Fatigue test results of OGRCA sample

图6、图7、图8分别为通过疲劳试验得出的OGSA、OGOBA和OGRCA的疲劳性能曲线。可以看出，未注浆试件的抗疲劳性能远低于对照密级配试件，但注浆后抗疲劳性能明显优化，所有注浆试件的抗疲劳性能都优于对照组试件，以AV=24%为例，相对于对照组试件的疲劳寿命，注浆后OGSA的疲劳寿命增加了143.55%，而OGOBA和OGRCA样品分别增加了116.87%和130.91%。初始空隙率越大，注浆试件抗疲劳性能越好，这也是由于空隙率增大导致更多的水泥填充，同时可以看出注浆OGSA的疲劳寿命高于另外2种注浆沥青混合料。

图9分析了各类试件疲劳寿命(疲劳加载次数)的影响因素，可以看出抗压强度和残余空隙率与其疲劳性能有高度的相关性，其中抗压强度与疲劳寿命成正比(R2=0.97)，残余空隙率与疲劳寿命成反比(R2=0.84)，其规律与车辙比有相似性。

4.3 灌注质量比对车辙和疲劳性能的影响

图10显示了各类试件20 000次加载时车辙深度、疲劳寿命与注浆比的关系，其中注浆比被定义为灌注水泥浆质量与沥青质量的比值。可以看出注浆比与疲劳寿命的相关性更加明显，R2值为0.81，而与车辙深度的R2值仅为0.53。说明沥青黏合剂含量在影响注浆沥青混合料疲劳寿命方面也起着关键作用。

图9 残余空隙率和抗压强度与疲劳寿命的关系Figure 9 Relationship between compressive strength,residual air voidage and fatigue life

图10 灌注质量比对疲劳寿命和车辙深度的影响Figure 10 Effect of grouting mass ratio on fatigue life and rutting depth

5 工程应用

在青海省某高速公路建设了约600 m的灌注式沥青混合料路面试验段，分别采用了3种沥青骨料，各铺设200 m，在160 ℃～185 ℃温度下对母体沥青混合料进行拌合，根据规定的密实度和平整度，用压路机进行碾压，待沥青混合料整体温度下降至 45 ℃左右，利用灌注机进行水泥浆灌注，灌注完成后，用轻型振动压路机振动碾压至平整。在2019年11月—2020年4月，对试验段路面的指标进行了跟踪检测，结果如表5所示。

表5 路面指标变化检测记录Table 5 Detection record of surface index variation日期OGSA料OGOBA料OGRCA料车辙深度指数RDI横向力系数SFC60构造深度TC/mm车辙深度指数RDI横向力系数SFC60构造深度TC/mm车辙深度指数RDI横向力系数SFC60构造深度TC/mm2019年11月93.561.21.0285.554.20.8784.955.10.932019年12月93.160.91.0285.053.90.8684.055.00.932020年1月92.860.81.0183.853.80.8683.454.80.912020年2月91.860.30.9982.853.80.8482.954.80.912020年3月91.660.10.9882.353.60.8482.654.70.902020年4月91.559.80.9882.053.60.8382.154.50.90

从表5可以看出，采用水泥注浆后，OGSA路面的RDI、SFC60、TC指标最佳，其次为OGRCA路面，再次为OGOBA路面。3种骨料沥青路面的性能随时间的变化都不明显，具有较好的抗变形和抗疲劳性能，但是OGOBA采用了过烧砖作为骨料，其强度偏小，骨料压碎值大于28%，参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)[12]，在高速公路和一级公路中应慎用。