漿體灌入率對(duì)半柔性路面材料性能影響研究

石 磊，黃 沖，李天祥，鄧 成，于永龍

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；2.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430023；3. 武漢市市政工程機(jī)械化施工有限公司，湖北 武漢 430023）

漿體灌入率對(duì)半柔性路面材料性能影響研究

石 磊1，黃 沖1，李天祥2，3，鄧 成1，于永龍2，3

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；2.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430023；3. 武漢市市政工程機(jī)械化施工有限公司，湖北 武漢 430023）

在大空隙瀝青混合料中灌注50%、60%、70%、80%、90%共5種不同灌入率的高流態(tài)水泥基灌漿料，從而制得半柔性路面材料。通過(guò)車轍試驗(yàn)、水穩(wěn)定性能、抗壓回彈模量、抗壓強(qiáng)度的測(cè)試來(lái)研究漿體灌入率對(duì)半柔性路面材料的性能影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，僅考慮車轍性能，漿體灌入率不宜低于60%，綜合考慮其他性能，半柔性路面材料的漿體灌入率不宜低于80%。

大空隙瀝青混合料；水泥基灌漿料；灌入率；半柔性路面

半柔性路面是一種大空隙瀝青混合料（空隙率在20%～35%）與特殊性能的水泥基材料復(fù)合組成的新型路面材料，兼具水泥混凝土剛性和瀝青混凝土柔性的特點(diǎn)。半柔性路面已經(jīng)被證明具有高承載能力、能夠減薄瀝青路面的厚度，是目前用來(lái)解決瀝青路面水損害、車轍、延長(zhǎng)路面服役壽命的新方法［1-4］。實(shí)際工程中，水泥基灌漿料的灌入率對(duì)半柔性路面的路用性能、工程造價(jià)影響極為關(guān)鍵，漿體灌入率無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，只能事后測(cè)算，因此需要在室內(nèi)研究漿體灌入率的影響［5］。

為了研究漿體灌入率對(duì)半柔性路面材料的路用性能影響規(guī)律，為工程材料設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收提供理論指導(dǎo)依據(jù)，本文首先制備出孔隙率為28%的大空隙瀝青混合料LGAM-13，然后灌入50%、60%、70%、80%、90%共5種不同灌入率的半柔性路面專用灌漿料，從而制備出半柔性路面材料SFP-13，通過(guò)車轍試驗(yàn)、水穩(wěn)定性能、抗壓回彈模量、抗壓強(qiáng)度的測(cè)試來(lái)研究漿體灌入率對(duì)半柔性路面材料的性能影響規(guī)律。

1 試件制備

1.1 大空隙瀝青混合料LGAM-13組成

大空隙瀝青混合料LGAM-13由SBS改性瀝青、玄武巖粗集料、石灰?guī)r細(xì)集料、礦粉組成。改性瀝青的指標(biāo)要求達(dá)到SBS I-D的技術(shù)水平，大空隙瀝青混合料的級(jí)配如表1所示，油石比為2.9%，制備出的試件孔隙率為28.3%，馬歇爾穩(wěn)定度為3.7 kN，飛散損失為9.5%。

表1　　大空隙瀝青混合料LGAM-13級(jí)配

1.2 半柔性路面材料SFP-13的組成

高流態(tài)水泥基灌漿材料由水與干粉灌漿料按質(zhì)量比例1∶4通過(guò)高速攪拌而成，其中干粉灌漿料型號(hào)為潤(rùn)強(qiáng)JGM-301半柔性路面材料專用灌漿料，來(lái)自江蘇蘇博特新材料股份有限公司。制備出的水泥基灌漿材料性能指標(biāo)如表2所示。

表2　 水泥基灌漿料的性能指標(biāo)

1.3 半柔性路面材料試件制備

首先采用車轍成型儀或旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀制備出相應(yīng)尺寸的大空隙瀝青混合料LGAM-13，待瀝青混合料冷卻后脫模，將混合料試件四周與底部用膠帶進(jìn)行包裹，使上表面露出，然后將制備好的水泥基灌漿材料灌入大空隙瀝青混合料中。灌入50%、60%、70%、80%、90%不同灌入率的灌漿料，從而制備出不同的半柔性路面材料。所謂漿體灌入率是指漿體的體積與大空隙瀝青混合料的空隙率的比值。幾種試件灌漿前后的孔隙率指標(biāo)如表3所示。

表3　 半柔性路面材料馬歇爾試件漿體灌入率 %

將灌入好漿體的半柔性路面材料試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20±1 ℃，相當(dāng)濕度大于90%）中進(jìn)行養(yǎng)生，養(yǎng)生12 h后將包裹的膠帶清除干凈，繼續(xù)養(yǎng)生3 d后，進(jìn)行試件的鉆芯或切割并進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。

2 性能測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 水穩(wěn)定性能測(cè)試

水穩(wěn)定性能測(cè)試試件尺寸為Φ101.6 m m×63.5 m m，測(cè)試了馬歇爾穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4　 半柔性路面材料的室內(nèi)路用性能評(píng)價(jià)結(jié)果

采用多雨區(qū)改性瀝青混合料的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)漿體灌入率對(duì)半柔性路面材料的水穩(wěn)定性能的影響。從表4中可以看出，隨著漿體灌入率的增加，半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度逐步增加，當(dāng)灌漿率達(dá)到80%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度急劇增加。從浸水殘留穩(wěn)定度來(lái)看，當(dāng)漿體灌入率達(dá)到70%時(shí)，半柔性路面材料的浸水殘留穩(wěn)定度為87.5%，滿足改性瀝青混合料大于85%的性能指標(biāo)要求。從凍融劈裂強(qiáng)度比來(lái)看，當(dāng)漿體灌入率達(dá)到80%時(shí)，半柔性路面材料的浸水殘留穩(wěn)定度為87.8%，滿足改性瀝青混合料大于80%的性能指標(biāo)要求。因此，考慮半柔性路面材料的抗水穩(wěn)定性能，漿體灌入率不應(yīng)低于80%，此時(shí)半柔性路面材料的剩余空隙率不應(yīng)大于7.1%。

2.2 高溫性能測(cè)試

采用車轍試驗(yàn)來(lái)測(cè)試半柔性路面材料的高溫穩(wěn)定性，試件尺寸與瀝青混合料試件一樣，試驗(yàn)方法與JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0719—2011瀝青混合料車轍試驗(yàn)的試驗(yàn)方法相同［6］。測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5　 半柔性路面材料試件抗車轍性能

從車轍試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，隨著漿體灌入率的增加，半柔性路面材料的動(dòng)穩(wěn)定度急劇增加。當(dāng)漿體灌入率為60%時(shí)，此時(shí)剩余空隙率為12.2%，半柔性路面材料試件的動(dòng)穩(wěn)定度為4 336次/mm,與SMA的抗車轍性能基本相當(dāng)，具有良好的抗車轍性能。隨著漿體灌入率的繼續(xù)增加，半柔性路面材料的抗車轍性能更加優(yōu)異，當(dāng)漿體灌入率為70%時(shí),半柔性路面材料的動(dòng)穩(wěn)定度為82 626次/mm,基本上達(dá)到抗車轍劑的技術(shù)水平。當(dāng)漿體灌入率達(dá)到90%時(shí)，半柔性路面材料試件的動(dòng)穩(wěn)定度為22 860次/mm。此時(shí)半柔性路面材料的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于瀝青混凝土，路用性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出瀝青鋪裝層材料。僅考慮車轍性能，半柔性路面材料的漿體灌漿率應(yīng)該大于60%。

2.3 力學(xué)性能測(cè)試

抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量作為力學(xué)性能中非常重要的兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)，用于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，因此，對(duì)于半柔性路面材料的抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量的測(cè)試尤為關(guān)鍵。試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型的圓柱體試件，灌漿養(yǎng)護(hù)3 d后鉆芯取樣，試件規(guī)格為Φ （100±2）mm×（100±2）mm，成型8個(gè)試件并分為兩組，一組進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，另一組進(jìn)行抗壓回彈模量試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為15 ℃，加載速率為2 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6　 半柔性路面材料試件力學(xué)性能

從表6中可以看出，隨著漿體灌入率的增加，半柔性路面材料的抗壓強(qiáng)度及抗壓回彈模量也隨之增加。當(dāng)漿體灌入率在50%～60%時(shí)，抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量增長(zhǎng)幅度小，從抗壓回彈模量的值來(lái)看，處于瀝青混合料的模量范圍。這是由于漿體灌入率低時(shí)，漿體滲透到下半部，試件上半部灌漿料太少，所以進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試基本上還是測(cè)試大空隙瀝青混合料的性能。當(dāng)漿體灌入率在70%以上時(shí)，半柔性路面材料的抗壓回彈模量急劇增加。當(dāng)漿體灌入率在80%以上時(shí)，灌漿料在大空隙內(nèi)部分布較為均一，此時(shí)半柔性路面材料的抗壓回彈模量處于半剛性基層模量范圍內(nèi)（3 000～4 000 MPa）。

3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

以90%漿體灌入率的半柔性路面材料來(lái)評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)性，半柔性路面材料的造價(jià)分為材料與施工工藝兩部分，與抗車轍瀝青混合料（摻抗車轍劑）的成本對(duì)比分析結(jié)果如表7所示。

從表7中可以看出，半柔性路面材料的單次造價(jià)成本均高于抗車轍瀝青混合料。從十字路口與公交車站臺(tái)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，半柔性路面的使用壽命一般在6年以上，而采用摻抗車轍劑的瀝青混合料兩年后就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍。因此，需要以更加科學(xué)的全壽命周期來(lái)進(jìn)行成本對(duì)比分析，可以看出半柔性路面的平均年造價(jià)僅為4.17元/m2·cm，遠(yuǎn)低于抗車轍瀝青混合料年造價(jià)。另外，半柔性路面在服役期間幾乎不需要養(yǎng)護(hù)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可減少維修帶來(lái)的交通阻塞，提升城市形象，具有顯著的社會(huì)效益。

表7　 半柔性路面的全壽命周期成本分析

4 結(jié)論

（1）隨著漿體灌入率的增加，半柔性路面材料的剩余空隙率逐步減小，當(dāng)漿體灌入率在80%以上時(shí)，半柔性路面材料試件的空隙率低于7%，處于密級(jí)配瀝青混合料空隙率范圍。

（2）當(dāng)漿體灌入率達(dá)到70%時(shí)，半柔性路面材料的浸水殘留穩(wěn)定度滿足多雨區(qū)改性瀝青混合料大于85%的性能指標(biāo)要求。當(dāng)漿體灌入率達(dá)到80%時(shí)，半柔性路面材料的凍融劈裂強(qiáng)度比滿足改性瀝青混合料大于80%的性能指標(biāo)要求。

（3）從高溫穩(wěn)定性能來(lái)看，當(dāng)漿體灌入率在60%以上時(shí)，即具有優(yōu)異的抗車轍性能。從力學(xué)性能測(cè)試來(lái)看，當(dāng)漿體灌入率低于70%時(shí)，半柔性路面材料的抗壓回彈模量處于瀝青的范疇，當(dāng)漿體灌入率高于80%時(shí)，半柔性路面材料的抗壓回彈模量處于半剛性基層的范疇。

（4）綜合考慮半柔性路面材料的水穩(wěn)定性能、路用性能、力學(xué)性能，半柔性路面材料的漿體灌入率應(yīng)嚴(yán)格控制不低于80%。半柔性路面的低溫性能需要進(jìn)一步研究。

（5）半柔性路面單次造價(jià)雖然比較高，但是從全周期使用壽命來(lái)看，其平均年造價(jià)僅為抗車轍瀝青混合料的一半，且維修次數(shù)減少，經(jīng)濟(jì)性十分顯著。

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［6］ JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

Research on Performance of Semi-flexible Pavement Materials with Different Filling Rate

Shi Lei1，Huang Chong1，Li Tianxiang2,3， De Cheng1，Yu Yonglong2,3
（1.Jiangsu Sobute New Materials Co.,Ltd，Nanjing 210003, China; 2. Wuhan Municipal Constructiong Group Co.,Ltd., Wuhan 430023, China; 3. Wuhan Municipal Engineering Machinery Construction Co., Ltd., Wuhan 430023, China）

In order to study the influence of perfusion rate of the grout on the performance of semi-flexible pavement materials, five kinds of the semi flexible pavement materials were prepared by pouring the high flowing cement-based grouting material into the large gaped asphalt mixture with the perfusion rate distributed from 50% to 90% with 10% for the interval. Then the rutting performance, water stability, compressive resilient modulus and the compressive strength were tested. The results showed that the perfusion rate of the mortar should not be less than 60% only considering rutting performance, while synthetically considering the other properties, the perfusion rate of the mortar should not be less than 80%.

asphalt mixture; cement-based grout; perfusion rate; semi-flexible pavement

表11　 法國(guó)兩點(diǎn)彎曲模量試驗(yàn)結(jié)果（溫度15 ℃）

U414

A

1672-9889（2016）04-0001-03

江蘇省建設(shè)廳科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JS2015JH10）；武漢市政建設(shè)集團(tuán)科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：wszky201511）

石磊（1984-），男，安徽蚌埠人，助理工程師，主要從事混凝土添加劑、道路材料應(yīng)用技術(shù)研究工作。

2015-12-21）