半柔性路面材料室内灌浆工艺可行性研究

李章珍 高晨扬

摘要 为了使室内灌浆时灌注饱和度尽可能达到最佳状态，文章先用图解法确定一个合成级配，随后通过结合模具内灌注法和脱模灌注法的优点得出一种新的灌浆工艺，达到在简化操作步骤的基础上提高灌注效果的目的。最后通过测试灌注饱和度、高温稳定性、水稳定性以及冻融劈裂性能，得出结论：优化后灌浆工艺试件的各方面性能相较于现有灌浆工艺均有提高。

关键词 半柔性路面；室内灌注；灌注方法优化；路用性能

中图分类号 U416.22文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0066-04

0 引言

随着经济和生产力的发展，当前我国的交通量正处于高速的增长中，车辆的荷载等级也在逐年提升，因此对道路各方面的要求也在不断提升。目前国内的路面主要有两种，第一种是沥青路面，即柔性路面，这种路面因其舒适度高，通车快，维修方便以及高机械化的施工模式，在国内被主要运用于各级道路上。但是由于沥青材料的温度性较差，因此在受到车轮荷载的反复碾压、起步、刹车等情况下，在高温的夏季下易出现波浪、拥包等损害，低溫的冬天则会出现脆裂等病害。另一种则是水泥混凝土路面，即刚性路面，相对于沥青路面，水泥路面由于强度较高，故有抗变形能力强、耐久性高、养护费用低等优点，但水泥混凝土路面接缝较多，且在气温变化的反复作用下，路面易产生裂缝，在车辆荷载的作用下裂缝会不断扩大，且水泥路面的修复难度大，成本较高，加上行车舒适度差，目前国内正在逐步取缔这种路面形式。

针对现有两种路面存在的诸多不足之处，研发出一种既能结合这两种路面的优点，又能尽量规避它们存在的种种缺点的新型路面就显得尤为重要。半柔性路面就是在这种背景下应运而生，通常情况下半柔性路面是指通过向大孔隙基体沥青混合料（一般情况下孔隙率在20%～30%之间）灌入流动度较高的水泥浆而形成的特殊路面，这种路面结合了柔性路面和刚性路面的优点，使用嵌挤的方法从而形成一种骨架嵌挤—密实结构以达到刚柔并济的目的，通过沥青混合料和水泥混凝土形成的整体强度来抵抗外部的荷载。由于既有较高的抗车辙能力和耐久性，又兼具美观和行车舒适度，故这种路面可以在十字路口、收费站处以及普通的高级路面发挥出很好的作用。

灌注式半柔性路面近年来开始在国际上得到广泛的应用，不同于传统的沥青路面和水泥混凝土路面，作为一种新型的路面，半柔性路面结合了二者的优点，在具有较高的抗车辙性、抗水损、抗疲劳等特点的同时也有良好的行车舒适度[1]，而目前国内半柔性路面的研究还处于起步阶段。

影响半柔性路面材料性能的一个主要因素就是室内灌注，现有的灌浆方法通常是在试件成型完成之后直接在试模内用水泥浆进行试模内灌注，或者脱模之后将试件进行简单包裹之后进行灌注。前者灌注环节较为简单，但后续脱模时很容易因为操作不当导致试件受到液压脱模机的挤压，从而发生破坏，进而影响后续路用性能的测试；后者也会因为把握不好灌浆时的速度和灌浆料的用量，从而导致灌注率达不到预期[2]。为了使后续路用性能的测试更加准确，该研究将对现有的室内灌注方法作出改进。

1 混合料组成设计

1.1 原材料选择

该试验采用SBS改性沥青，具体指标如表1所示。

灌浆料采用P.O 42.5水泥，流动度按照《灌注式半柔性路面铺装层设计与施工技术规范》（DB11/T 1817—2021）要求[3]，控制在10～13 s。

1.2 试验方案

1.2.1 集料级配的确定

根据《灌注式半柔性路面铺装层设计与施工技术规范》（DB11/T 1817—2021），选择基体沥青混合料矿料级配范围为SFAC-20，利用矩形图解法初步确定三种石料的合成级配，如表2所示。

1.2.2 连通孔隙率确定

由于大孔隙基体沥青混合料，无法用传统的方法测定其内部连通孔隙率，因此自制了一套仪器（见图1）。其原理是通过将沥青混合料试件放入装了一定量水的桶内，液面稳定后记录与桶相连的移液管内升高的水位，取出试件，加水至最高水位处并记录此时加入的水的体积，即为试件排开水的体积，随后根据试件的体积计算出内部的连通孔隙率[4]。

根据设计的试验进行排水测定内部连通孔隙率，每种合成级配测定两次，试验得出的数据如表3所示。

式中，VVc——连通孔隙率（%）；V——试件的体积（mm3）；Vm——混合料和封闭孔隙的体积（mm3）。

计算可得试件的连通孔隙率，实验结果如表4所示，级配Ⅲ相较其他两个合成级配有较大的连通孔隙率，为保证水泥浆的灌注效果根据需求取级配Ⅲ。

2 室内灌浆工艺的研究

使用设计好的材料成型沥青混合料试件后，将对现有的室内灌浆工艺作出改进。

对马歇尔试件的灌注实际上是对灌注式复合路面材料的水稳定性和冻融劈裂试验作准备，如果在灌注饱和度方面出现不足，可能会对试验的数据及结论产生影响，无法对灌注式复合路面材料的性能作出正确的评估。

马歇尔试件的灌浆主要是对灌注式复合路面材料的水稳定性能和冻融循环试验作准备。一种合适的灌浆方法，可以让试验数据更加真实可靠，更加贴近于工程实际需要。如果灌浆方面出现不足，可能会影响试验的数据及结论，无法论证灌注式复合路面材料自身性能的好坏。

2.1 现有灌浆工艺

2.1.1 带模灌浆

把成型好的马歇尔试件连同模具放在室内，冷却至室温，然后截取一定大小的锡纸（把底面包裹起来为宜），对靠近底座的一面用锡纸把模具包裹起来，且要超过模具高度的一半及以上，捋平周边的锡纸，再用透明胶带把模具周边包裹一层，起到加固的作用。其他试件按照此方法一次包裹好，最后用搅拌好的灌浆料，边用橡皮锤轻敲模具周边，边向试件表面浇筑，直到试件表面的浆体无明显变化。1 h后进行试件表面（未包裹的一面）抹面处理，以露出表面被沥青包裹的集料为宜。室内放置5 h后，取下另一端的锡纸，底面用小铲刀抹平表面，把试件连同模具一起套袋，放入标准养护箱中，养护至规定的龄期。

2.1.2 脱模灌浆

脱模灌浆法主要是用液压脱模机把试件取出，然后取空隙较大的一面为上表面，取一定大小的锡纸，将试件下表面及其周边包裹住，且高度要超过试件高度的50～100 mm，捋平周围的锡纸，然后进行灌浆，这种方法主要靠砂浆的自身重力作用往下流动，等到试件上表面浆体无明显的变化，停止灌浆。等到初凝时，去掉底部锡纸，抹平试件上下两个面，最后，套袋放入养护箱中进行养护。两种方法各有优劣：

（1）带模灌浆方法主要靠振动和砂浆自身的重力进行空隙的填充，因此灌浆会更加充分，方法也较为简单，易懂。但是如果养护不当，脱模时，试件在压力的作用下，会把试件内部砂浆与沥青集料的结合处，通过挤压而产生破坏；或者未被砂浆填充的空隙，在压力的作用下，空隙会被挤压，导致试件内部产生微破坏，影响试验结果。

（2）脱模灌浆法则不用考虑由压力脱模机带来的内部损坏情况，但是靠砂浆自身重力往下流淌，试件的空隙被砂浆完全填充的概率会降低，导致试件整体性能较差。

综上所述，两种不同灌浆方法各有所长，但均存在一定问题，因此该文在这两种灌浆方法的基础上提出一种新的灌浆工艺，同时具有两种现有灌浆工艺优点又尽可能规避它们存在的问题，达到操作简单，灌注效果优越的目的。

2.2 室內灌浆工艺优化

考虑现场灌浆时的情况，室内灌浆要尽可能模拟出现场情况，最大限度贴合现场的灌注效果。参考前人的研究成果，结合该研究的实际情况，对灌浆工艺作出调整，在不影响后续试验数据的情况下，使灌注率尽可能达到最佳效果。

首先根据成型的混合料试件的直径准备内径略大于直径的塑料筒若干，随后将成型的混合料试件正常进行脱模[5-6]，用3M防水胶带将周围包裹，用塑料筒套住要灌浆的试件，标记好之后将水泥浆缓缓灌注到试件上方，并用橡皮锤轻敲模具外侧，让水泥浆充分灌注[7]（见图2）。

水泥浆初凝时间过后，撤去塑料筒，刮掉表面的水泥浆，用喷壶冲去多余的水泥，直至能看清表面的沥青混合料[8]，随后将试件移至标准养护条件下进行养护。

相较于传统的灌注方法，改进后的灌注方法优势明显：

（1）将试件脱模后用塑料筒套住进行灌注，灌注完成之后可以直接撤去塑料筒，避免了直接在试模内灌浆再脱模可能会对试件整体造成损害。

（2）相比传统模具内灌浆需要小心控制灌入的水泥浆的量，防止之后水泥硬化难以去除和脱模灌浆，难以分辨试件灌注满的时间，该文灌浆工艺可直接灌入较多的水泥浆并敲击试模外侧保证充分灌注，还可以在水泥浆未完全硬化时就脱去塑料筒将其刮除。

3 试件性能比较

用现有的室内灌浆方法成型试件，并对优化前和优化后的灌浆试件进行灌注饱和度和路用性能测试，以确定该文灌浆工艺的可行性与优越性。

3.1 灌注饱和度测试

使用上文测试连通孔隙率的方法进行试验，利用公式（2）计算灌注饱和度。

式中，Pr——灌注率（%）；V12——灌注之前的连通孔隙率（%）；V2——灌注完成之后的连通孔隙率（%）。

如表5所示，分析试验数据可以发现，该文优化后的灌注工艺的灌注饱和度略优于现有的传统灌浆工艺，下面要通过路用性能对两种灌浆工艺成型的试件进行对比。

3.2 路用性能测试

路用性能指标主要采用高温稳定性、水稳定性以及冻融劈裂试验进行评估，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[9]进行高温稳定性（马歇尔稳定度试验）、水稳定性（残留稳定度试验）和冻融劈裂性能的试验，每组做三次平行试验，结果如表6所示。从试验结果可以看出，虽然用现有灌浆工艺和该文的灌浆工艺所成型试件的灌注饱和度差距不大，但由于现有灌浆工艺在拆模过程中对试件带来的影响，导致其马歇尔稳定度以及冻融前的劈裂强度均要明显低于该文优化后的灌浆工艺，而这也导致在浸水48 h和冻融循环之后，其稳定度和劈裂强度显著降低，残留稳定度和冻融强度比也远低于该文优化后的灌注工艺的性能。

4 结论

该文在现有的室内灌浆工艺的基础上，总结了他们的优点并对其不足之处进行优化，最后又对优化前后的灌浆试件的路用性能进行测试，得出以下结论：

（1）在脱模之后用塑料筒套住进行灌浆，避免了脱模过程中带来的损失，同时灌浆结束后的处理也大幅简化。

（2）该文优化后的灌浆工艺可以提高试件的灌注饱和度。

（3）使用该文优化后的室内灌浆工艺成型的试件进行路用性能测试，其高温稳定性、水稳定性以及冻融劈裂性能相较于现有的室内灌浆工艺均有提升，可以更好地体现出材料的路用性能。

参考文献

[1]Picoux B， Millien A， Petit C， et al. Diagnosis of a Flexible Pavement using Falling Weight Deflectometer Technology and Numerical Modelling of Dynamic Response[C]. International Conference on Civil， Structural and Environmental Engineering Computing. 2007.

[2]Louw L， Se mmelink C J， Verhaeghe B. Development of a SMA Design Method for South African Condition[J]. Eighth International Conference on Asphalt Pavements， 1997（3）： 12- 22.

[3]灌注式半柔性路面铺装层设计与施工技术规范： DB11/T 1811—2021[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[4]韦林杰. 孔隙率对PAC沥青混合料路用性能的影响研究[J]. 西部交通科技， 2022（1）： 11-12.

[5]黎侃. 半柔性材料作为沥青路面抗车辙功能层的适用性研究[D]. 广州：华南理工大学， 2016.

[6]董营营．高性能半柔性路面设计参数及施工工艺研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2008.

[7]凌森林， 王永鑫， 金辉球， 等. 灌注式半柔性路面研究进展（1）——半柔性混合料组成设计[J]. 石油沥青， 2021（5）： 50-59.

[8]Setyawan， A. Asessing the Compressive Strength Properties of Semi-Flexible Pavements[J]. Procedia Engineering， 2013， 54： 863–874.

[9]公路工程沥青及沥青混合料试验规程： JTG E20—2011

[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.