基体空隙率对灌浆沥青路面路用性能的影响研究

杨 明，唐文波，陈 军

(1.贵州省六枝公路管理段 六盘水市 553000；2.贵州省水城公路管理局 六盘水市 553000；3.贵州中路交通技术有限公司 贵阳市 550000)

0 引言

沥青路面具有噪音小、开放交通快、抗滑效果好和无接缝等优点，被广泛应用于我国高等级路面建设，但是沥青路面作为温度敏感性材料，在荷载和高温作用下容易产生车辙病害，严重降低了沥青路面的行驶质量和使用寿命[1-3]。近年来人们对公路出行和运输的要求不断提高，交通量与日俱增，加剧了沥青路面的车辙病害产生，严重影响了我国公路运输事业的发展。

为了解决沥青路面的车辙病害，研究人员研发了灌浆沥青路面结构，并取得了良好的路用效果。灌浆路面是通过在大空隙基体沥青混合料中灌注水泥基灌浆材料形成的复合路面结构，其结合了沥青材料的柔性和水泥材料的刚性，具有优异的抗变形性能、耐久性和耐高温性能[4-6]。目前，灌浆路面已经被欧美日中等多个国家认可，用于重载路段、交叉路口、公交站台、BRT专用车道、收费站、港口、机场等特殊重载车辙严重路段的修筑[7-9]。大部分研究对大空隙基体沥青混合料的空隙率要求在20%～25%左右，考虑到基体沥青混合料的空隙率决定了灌浆料的灌注量，考虑到灌浆料的刚性特征，其用量增加有利于提升灌浆沥青路面的抗变形性能[10]。因此，增大基体沥青混合料空隙率是一种潜在地提升灌浆沥青路面抗车辙性能的手段，但是过高的空隙率可能会导致灌浆沥青路面抗裂性能的降低，目前缺乏相关的研究。

为了研究基体沥青混合料空隙率对灌浆沥青路面路用性能的影响，设计了20%、23%、26%和29%的4种空隙率基体沥青混合料来制备灌浆沥青混合料(GAC)，并对其进行路用性能测试。

1 原材料

1.1 沥青

SBS改性沥青被用于基体沥青混合料设计，其性能测试[9]见表1。

表1 SBS改性沥青性能

1.2 集料和矿粉

采用玄武岩集料和石灰石矿粉用于大空隙基体沥青混合料配合比设计。其中，石灰石矿粉的基础性能如表2所示。

表2 石灰石矿粉性能测试

1.3 水泥基灌浆料

选择南京兴佑交通科技有限公司生产的高性能水泥基灌浆材料。根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中测试不同水固比灌浆料的流动度以及抗压强度。最终确定灌浆料的水固比为0.3，灌浆料的性能指标如表3。

表3 灌浆料性能指标及技术要求

2 基体沥青混合料配合比设计

2.1 骨架级配

采用体积法来进行基体沥青混合料配合比设计，设计空隙率分别为20%、23%、26%和29%，体积设计法是通过级配设计实现对目标空隙率的控制，其具体方法如下：利用泰波公式来确定基体沥青混合料主骨架的级配组成，并根据各级各档集料的筛分结果进行调整；根据集料的表观密度和粗集料的紧装密度计算主骨架的空隙率；根据设计经验确定矿粉和沥青的用量分别为2.5%和3.8%；据体积设计法的相关试验和计算，初步确定了4种不同空隙率沥青混合料的级配，并制备了马歇尔试件测试其实际空隙率，最终确定的级配曲线如图1所示。上述试件的命名规则为：P为空隙率(%)。

图1 PAC-13试件的合成级配图

2.2 最佳沥青用量

考虑到不同沥青混合料级配存在差异，马歇尔试验被用来确定其最佳沥青用量。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行了相关试验，测试了不同沥青用量下马歇尔试件的毛体积密度、稳定度、流值等指标，确定了不同空隙率基体沥青混合料的最佳沥青用量。相关测试结果如表4所示。

表4 PAC-13试件的最佳沥青用量相关测试

从表4中可以看出，根据配合比设计结果制备的马歇尔试件其设计空隙率与实际空隙率基本一致，而且4种大空隙基体沥青混合料的稳定度均超过了5kN，具有足够的力学强度。

2.3 配合比验证

根据大空隙沥青混合料的组成特点，分别需要通过谢伦堡析漏和肯塔堡飞散试验对沥青混合料的沥青用量上限和下限进行限制，保证沥青混合料运输和应用过程中不会发生流淌和剥落。针对不同配比的大空隙基体沥青混合料进行谢伦堡析漏和肯塔堡飞散试验，来分析其油石比是否符合性能要求，具体结果如表5所示。

表5 析漏和飞散试验结果

由表5可知，不同配比的基体沥青混合料均符合析漏和飞散试验的基本要求，表明上述油石比满足规范要求，设计得到的基体沥青混合料能够用于灌浆沥青路面施工。

3 GAC路用性能

为了评价不同基体沥青混合料空隙率对灌浆沥青路面路用性能的影响，制备了不同基体沥青混合料空隙率的GAC，试件的命名方式为：G为基体沥青混合料空隙率(%)。

3.1 高温性能

采用车辙试验仪对不同基体沥青混合料空隙率的GAC进行车辙试验，试验温度为60℃，接地压力为0.7MPa。将不同试件的动稳定度汇总于图2。

图2 GAC车辙试验结果

由图2可知，提高基体沥青混合料空隙率可以提高GAC的动稳定度，基体沥青混合料空隙率从20%提高至29%，其动稳定度从12400次/mm提高至18600次/mm，提高了50.0%。空隙率提高增大了灌浆料的灌注比例，灌浆料在高温环境下仍然能够保持优异的力学性能，进而提升了GAC的抗变形性能。因此，可以采用提高基体沥青混合料空隙率来提高灌浆沥青路面的抗车辙性能。

3.2 低温性能

采用UTM对不同基体沥青混合料空隙率的GAC进行低温弯曲试验。小梁试件由300mm×300mm×50mm车辙板切割而成，其尺寸为250mm×30mm×35mm。试验温度为-10℃，试验前需要将试样保温12h。两个支架的间距为200mm，在试件的跨中位置施加50mm/min的速度加载。将不同试件的破坏应变和劲度模量分别汇总于图3和图4。

图3 GAC的破坏应变

图4 GAC的劲度模量

由图3可知，基体沥青混合料空隙率的提高会降低GAC的破坏应变，基体沥青混合料空隙率从20%提高至29%，其破坏应变从1425με降低至1052με，降低了26.2%。由图4可知，基体沥青混合料空隙率的增大会提高GAC的劲度模量，基体沥青混合料空隙率从20%增大至29%，其劲度模量从5245MPa提高至6495MPa，提高了23.8%。从上述结果可以看出，基体沥青混合料空隙率的增大，提高了灌浆料在GAC中的比例，增强了GAC的刚性特征，提高了混合料的劲度模量，导致GAC的抗裂性能下降，因此，需要结合灌浆沥青路面实际的环境条件和交通情况来确定基体沥青混合料的空隙率。

4 结论

针对沥青路面的车辙病害，采用灌浆沥青路面用于抗车辙路面建设，并设计制备了具有不同基体沥青混合料空隙率的GAC，测试了其路用性能，得到的结论如下：

(1)通过体积设计法制备了具有不同空隙率(20%、23%、26%和29%)的基体沥青混合料，其设计指标均满足大空隙沥青混合料的性能要求，采用体积设计法可以得到指定空隙率的基体沥青混合料。

(2)通过车辙试验和低温弯曲试验测试了GAC的路用性能，结果表明，提高基体沥青混合料的空隙率可以有效提高GAC的高温抗车辙性能，但是会降低混合料的低温抗裂性能，由此可知，需要针对灌浆沥青路面的现场环境和交通情况来进行基体沥青混合料设计。