高性能半柔性路面材料設(shè)計(jì)及性能研究

劉尚青，蔡海泉

(1. 青海省財(cái)政投資評(píng)審中心;2. 江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司)

半柔性路面是指在開級(jí)配大空隙率(20%～28%)的基體瀝青混合料中灌注特制的水泥膠漿而形成的一種復(fù)合式路面。隨著我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，交叉路口、長(zhǎng)大坡段、隧道等特殊路段的車轍病害日益嚴(yán)重，普通瀝青混合料在經(jīng)過一個(gè)或幾個(gè)高溫季節(jié)后路面出現(xiàn)較深的車轍，嚴(yán)重影響行車安全和舒適性。半柔性路面材料由于具有高于水泥混凝土路面的柔性和高于瀝青路面的剛性，在高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能等方面與普通瀝青路面相比具有較大的優(yōu)勢(shì)。將以體積法對(duì)基體瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，采用肯塔堡飛散試驗(yàn)和謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)確定最佳瀝青用量，并對(duì)水泥膠漿進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，最后結(jié)合高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性能、低溫性能以及耐油蝕性能等試驗(yàn)對(duì)半柔性路面材料的路用性能進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

1 基體瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

1.1 基體瀝青混合料設(shè)計(jì)方法

根據(jù)半柔性路面材料的特點(diǎn)，其材料組成設(shè)計(jì)必須保證以下條件:(1)主骨架充分嵌擠，形成骨架結(jié)構(gòu)，提供足夠的空隙同時(shí)保證良好的內(nèi)摩阻力;(2)水泥膠漿具有較大的粘結(jié)強(qiáng)度，且具有良好的流動(dòng)性和體積穩(wěn)定性充分填充骨架空隙。因此，對(duì)于基體瀝青混合料除形成嵌擠的骨架結(jié)構(gòu)外，還必須滿足體積指標(biāo)要求，本研究采用體積法進(jìn)行基體瀝青混合料設(shè)計(jì)，確定混合料的級(jí)配，借鑒開級(jí)配抗滑瀝青表層(OGFC)的設(shè)計(jì)方法確定最佳瀝青用量。體積法設(shè)計(jì)基體瀝青混合料的步驟如圖1 所示。

圖1 體積法設(shè)計(jì)流程圖

1.2 材料與指標(biāo)要求

(1)瀝青

考慮到基體瀝青混合料空隙率較大，為避免瀝青發(fā)生流淌同時(shí)保證混合料的穩(wěn)定性，瀝青針入度宜在60～80 之間，本研究選擇70#道路石油瀝青，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。

表1 瀝青試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

(2)集料及礦粉

集料采用鎮(zhèn)江茅迪公司生產(chǎn)的石灰?guī)r，粗集料(10～15 mm)、細(xì)集料(0～3 mm)的密度分別為2.721 g·cm－3和2.675 g·cm－3，其余各項(xiàng)指標(biāo)均檢測(cè)合格。礦粉視密度為2.709 g·cm－3。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外調(diào)研，基體瀝青混合料骨架空隙率應(yīng)在20%～28%之間，本研究中基體瀝青混合料設(shè)計(jì)要求參照《半柔性路面應(yīng)用技術(shù)指南》，具體指標(biāo)要求如表2 所示。

表2 基體瀝青混合料設(shè)計(jì)要求

本研究中將基體瀝青混合料的設(shè)計(jì)空隙率設(shè)定為25%、22%和20%三種。采用馬歇爾試模測(cè)定粗集料緊裝密度為1.663 g·cm－3，主骨料的空隙率為38.9%。參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)設(shè)計(jì)結(jié)果，瀝青用量取3.1%，礦粉用量取3.0%。根據(jù)體積法的基本思想，細(xì)集料體積、瀝青體積、礦粉體積和瀝青混合料最終設(shè)計(jì)空隙體積之和等于主骨架空隙體積，計(jì)算出粗、細(xì)集料和礦粉的比例及合成級(jí)配如表3 所示。

表3 設(shè)定空隙率下混合料級(jí)配組成

結(jié)合空隙率試驗(yàn)、馬歇爾穩(wěn)定度等試驗(yàn)，對(duì)三種基體瀝青混合料進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表4 所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇級(jí)配2 為目標(biāo)配合比。

表4 三種級(jí)配實(shí)測(cè)體積指標(biāo)及穩(wěn)定性能

采用謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)，其與瀝青用量之間的關(guān)系曲線，如圖2 和圖3 所示，由曲線拐點(diǎn)得到最小和最大瀝青用量分別為3.1%和3.3%，因此，在此瀝青用量范圍內(nèi)，選擇最佳油石比為3.2%。

圖2 飛散損失與瀝青用量關(guān)系

圖3 析漏量與瀝青用量關(guān)系

2 水泥膠漿配合比設(shè)計(jì)

2.1 材料組成與技術(shù)指標(biāo)

半柔性路面中，水泥膠漿起到填充基體瀝青混合料空隙，提高材料強(qiáng)度的作用，其應(yīng)具備如下特性:(1)足夠的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度;(2)良好的流動(dòng)性;(3)良好的體積穩(wěn)定性;(4)與瀝青混合料粘結(jié)性良好。

水泥膠漿性能指標(biāo)要求參照《半柔性路面應(yīng)用技術(shù)指南》，具體如表5 所示。

表5 水泥膠漿性能指標(biāo)要求

2.2 配合比設(shè)計(jì)

為了達(dá)到半柔性路面水泥膠漿的性能要求，摻加了以減水劑為主的外加劑，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果，提出了水泥膠漿的目標(biāo)配合比，如表6 所示。

表6 水泥膠漿目標(biāo)配合比

經(jīng)檢驗(yàn)，采用目標(biāo)級(jí)配拌制的水泥膠漿流動(dòng)度為13 s，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。同時(shí)，對(duì)水泥膠漿7 d 強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表7 所示。

表7 水泥膠漿強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

3 半柔性路面性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗(yàn)是評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫抗車轍較直觀、有效的方法，試件成型后在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表8所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，半柔性路面的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到15 684 次·mm－1，具有良好的抗車轍性能。

表8 車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.2 水穩(wěn)定性

水損害是瀝青路面的一種主要病害形式，本研究采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)半柔性路面材料的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如表9 所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，半柔性路面材料水穩(wěn)定性

表9 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3.3 低溫性能

采用小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)半柔性路面材料的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如表10 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，破壞應(yīng)變均超過2 000 με，低溫性能能夠滿足要求。

表10 低溫性能試驗(yàn)結(jié)果

3.4 耐油蝕性能

路面材料遭受油類侵蝕的種類較多，并研究參考橡膠材料耐油蝕性能測(cè)試方法和瀝青混合料殘留穩(wěn)定度測(cè)試方法，利用殘留穩(wěn)定度對(duì)耐油蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，測(cè)試結(jié)果如表11所示。根據(jù)結(jié)果可以看出，半柔性路面材料浸油殘留穩(wěn)定度下降15%～20%，而普通瀝青混合料下降較多，表明半柔性路面材料耐油蝕性能良好。

表11 耐油蝕試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)采用體積法對(duì)基體瀝青混合料配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定本研究基體設(shè)計(jì)空隙率為22%;(2)對(duì)水泥膠漿配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均能滿足要求;(3)半柔性路面材料具有較好的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫性能，同時(shí)耐油蝕性能也十分突出。

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