半柔性路面材料的抗裂性能

陳湘華，李 佳，蔡 旭

(1.廣州市公路勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 511430； 2.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

半柔性路面是將專門配制的水泥膠漿灌入空隙率為20%～30%的母體瀝青混合料中形成的一種路面。由于半柔性路面中瀝青混凝土的存在，使該路面材料具有一定的應(yīng)力松弛能力，因此可以不設(shè)或少設(shè)溫度縫；由于具有較高的剛性，半柔性路面可以承受較重的荷載而不產(chǎn)生車轍，具有“剛?cè)岵⒋妗钡膬?yōu)點(diǎn)。隨著中國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)事業(yè)不斷發(fā)展，重載交通流量不斷增加，開展半柔性路面材料的研究具有顯著的社會(huì)效益。

1990年國(guó)外已將半柔性路面材料用于機(jī)場(chǎng)跑道、高速公路、城市道路交叉口等項(xiàng)目中。中國(guó)在1985年開始研究半柔性路面材料，如潘大林等對(duì)半剛性混合料性能和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究[1]；郝培文等利用多種試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)半柔性路面混合料的路用性能，發(fā)現(xiàn)半柔性路面材料具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、耐疲勞性能和耐油蝕性能，以及較好的水穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性[2]；吳國(guó)雄等采用凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)半柔性路面混合料的低溫抗裂性能，發(fā)現(xiàn)隨著水泥膠漿量的增大，其低溫性能有變差的趨勢(shì)[3-5]；凌天清等通過室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，半柔性混合料的抗疲勞性能不如普通瀝青混合料，但可改善城市生態(tài)結(jié)構(gòu)，降低城市熱島效應(yīng)，改善城市人居環(huán)境[6]；沙莎將PEG/SiO2復(fù)合相變材料應(yīng)用于半柔性路面，發(fā)現(xiàn)該材料可以改善其低溫抗裂性能[7]；李志猛等采用掃描電鏡的手段觀測(cè)半柔性材料的微觀結(jié)構(gòu)，得到水泥-瀝青的界面特征[8]；王端宜等將半柔性材料用于路面基層中，實(shí)體工程檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)半柔材料具有良好的路用性能[9]。

目前對(duì)半柔性路面材料的研究主要集中在配比設(shè)計(jì)、材料優(yōu)化以及路用性能驗(yàn)證方向，對(duì)抗裂性能的探討仍不夠全面[10-13]。實(shí)際上，水泥漿體和瀝青混合料具有不同的變形特性，半柔性路面的抗裂性能取決于各材料的變形匹配，因此有必要研究剛?cè)岵牧辖M成比例對(duì)混合料抗裂性能的影響，進(jìn)而確定合理的材料比例，用以指導(dǎo)混合料的設(shè)計(jì)。本研究采用半圓彎曲試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)不同溫度、不同母體孔隙率下半柔性路面材料的抗裂性能，分析其開裂機(jī)理，實(shí)現(xiàn)半柔性路面材料性能指標(biāo)的定量設(shè)計(jì)。

1 斷裂力學(xué)J積分理論

國(guó)內(nèi)外已有研究人員采用斷裂力學(xué)研究材料的抗裂性能，通過材料彎曲應(yīng)變能密度的大小評(píng)價(jià)其抵抗開裂的能力[14-16]。采用該理論時(shí)，將混合料假定為一均質(zhì)材料，人為引入一條裂紋，通過對(duì)裂紋尖端處能量的積分獲得其斷裂韌度，如圖1所示，積分公式見式(1)。

圖1 J積分

(1)

通常認(rèn)為，無論裂紋的擴(kuò)展路徑如何，對(duì)同一材料采用J積分求得的能量均相等，即認(rèn)為能量大小與裂紋發(fā)展路徑無關(guān)，因此該值反映了裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的強(qiáng)度?？赏ㄟ^勢(shì)能差值與裂縫差值計(jì)算得到J積分。

(2)

當(dāng)J積分到達(dá)臨界值時(shí)，即使外力不增加，裂紋仍將繼續(xù)擴(kuò)展，直至結(jié)構(gòu)破壞，這個(gè)臨界值稱為斷裂韌度(Jc)。因此，裂紋是否開裂的判斷依據(jù)為

J

(3)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)獲取半柔性材料的彎曲應(yīng)變能密度，由于小梁三點(diǎn)彎拉試驗(yàn)的變異系數(shù)較半圓彎拉試驗(yàn)大[17-19]，同時(shí)半柔性材料的半圓彎拉試件較易獲得，因此采用半圓彎拉試驗(yàn)作為半柔性路面材料抗裂性能研究的主要方法。

2.1 半柔性路面材料的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用70#瀝青，依據(jù)《半柔性路面應(yīng)用技術(shù)指南》規(guī)定的方法確定空隙率為21 %、23 %、25 %和27 %的母體瀝青混合料的級(jí)配和最佳油石比，結(jié)果如表1所示。

表1 母體瀝青混合料級(jí)配及最佳油石比

干粉水泥膠砂采用半柔性路面專用膠砂，性能要求如表2所示。

依據(jù)表1的設(shè)計(jì)結(jié)果，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型直徑為150 mm、高100 mm的母體瀝青混合料試件，采用振動(dòng)臺(tái)輔助灌漿制成半柔性路面材料試件。采用高精度雙面鋸對(duì)經(jīng)過一定時(shí)間養(yǎng)護(hù)的圓柱試件進(jìn)行切割，得到直徑150 mm、高75 mm、厚50 mm的半圓形試件。本研究設(shè)計(jì)了3個(gè)不同的切口深度，分別為15 mm、20 mm和30 mm，試件如圖2所示。

表2 水泥膠砂性能指標(biāo)要求

圖2 半圓形切口試件

2.2 半圓彎曲拉伸試驗(yàn)

為了研究母體瀝青混合料空隙率、溫度與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)半柔性路面材料抗裂性能的影響，設(shè)計(jì)了60 ℃、25 ℃、0 ℃和-15 ℃共4個(gè)試驗(yàn)溫度，以及3 d和7 d兩個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期。半圓間接拉伸試驗(yàn)基本裝置如圖3所示。

圖3 半圓彎曲試驗(yàn)裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

采用MTS材料試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行半圓彎曲試件加載試驗(yàn)，設(shè)置加載速率為0.5 mm·min-1。根據(jù)材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算應(yīng)力到達(dá)最大值時(shí)曲線下的面積積分，得到不同切口深度下半圓形試件的斷裂能。擬合單位厚度斷裂能-切口深度曲線得到半柔性路面材料的斷裂韌度JIC。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

3.1 空隙率的影響

由表3可知，當(dāng)試驗(yàn)溫度相同時(shí)，半柔性路面材料的斷裂韌度隨混合料空隙率的增大而增大，表明水泥膠砂的增多有利于提高材料的抗裂性能。這是因?yàn)?，灌漿后母體瀝青混合料構(gòu)成的骨架被水泥膠砂加強(qiáng)，空隙率增大意味著剛性材料的比重更大，水泥膠砂與瀝青混合料骨架的結(jié)合更加緊密，進(jìn)而提高了材料整體的黏聚力[20]。其次，空隙率的增大使得半柔性路面材料內(nèi)部的連通空隙增加，材料的雙重空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加顯著，形成的水泥膠砂與瀝青混合料的接觸面積增大，增強(qiáng)了兩者間的摩阻力。材料的斷裂韌度與空隙率的相關(guān)關(guān)系如圖4所示。

表3 半柔性路面材料斷裂韌度

圖4 半柔性路面材料斷裂韌度-空隙率關(guān)系曲線

由圖4可知，母體瀝青混合料的空隙率決定了水泥膠砂的灌入量，而水泥膠砂的用量則影響了半柔性路面材料的開裂性能。當(dāng)齡期增加時(shí)，水泥膠砂灌入量大的半柔性路面材料仍表現(xiàn)出較好的抗裂性能。綜上可知：空隙率越大、灌入的水泥膠砂越多，半柔性路面材料的抗裂性能就越好；反之抗裂性能就越差。

3.2 溫度的影響

由表3可知，半柔性路面材料的抗裂性能隨著溫度的增加先增強(qiáng)，當(dāng)溫度超過25 ℃時(shí)，材料的抗裂性能下降。以母體瀝青混合料空隙率為27%的半柔性路面材料為例，其抗裂性能與試驗(yàn)溫度的相關(guān)曲線如圖5所示。由圖5可知，在不同的齡期下，半柔性材料在25 ℃時(shí)的斷裂韌度最高。這是由于，當(dāng)溫度過低時(shí)，瀝青膠漿的蠕變性能下降，易發(fā)生脆性開裂，在低溫狀態(tài)下降低了半柔性路面材料的抗裂性能。

圖5 溫度與斷裂韌度相關(guān)關(guān)系(孔隙率27%)

但是，當(dāng)試驗(yàn)溫度為60 ℃時(shí)(該溫度已超出70#瀝青的瀝青軟化點(diǎn))，瀝青的黏度降低，半柔性路面材料內(nèi)部的瀝青膜軟化，在荷載的作用下發(fā)生流動(dòng)，使瀝青混合料和水泥膠砂空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合變?nèi)?，更加容易發(fā)生滑移，表現(xiàn)為斷裂韌度大幅度的下降。

因此，在設(shè)計(jì)半柔性路面材料時(shí)應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，選擇能夠承受夏季高溫的瀝青種類。

3.3 養(yǎng)護(hù)齡期的影響

圖6 養(yǎng)護(hù)齡期與斷裂韌度的關(guān)系(試驗(yàn)溫度25 ℃)

試驗(yàn)溫度為25 ℃時(shí)，材料的養(yǎng)護(hù)齡期與斷裂韌度的相關(guān)關(guān)系如圖6所示。由圖6可知：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，半柔性路面材料的斷裂韌度增大；其次，隨著母體瀝青混合料空隙率的增大，半柔性路面材料斷裂韌度的增長(zhǎng)速率有所區(qū)別，按不同空隙率下的增長(zhǎng)率由小到大排序?yàn)?2.4%、56.6%、74.5%、74.2%?？紤]到試件均采用相同的養(yǎng)護(hù)條件，該試驗(yàn)結(jié)果表明，空隙率、養(yǎng)護(hù)齡期與斷裂韌度之間存在相互制約的關(guān)系，空隙率越大，其斷裂韌度增長(zhǎng)越快。

這是由水泥膠砂本身的材料性質(zhì)決定的，當(dāng)齡期較短時(shí)，有許多未發(fā)生水化反應(yīng)的礦物保持其原有晶體形狀，水泥膠砂在一些連通空隙的截面突變處斷開，無法形成完整的水泥膠砂空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；而空隙率大的混合料內(nèi)部連通空隙截面突變數(shù)量較少，更有利于形成水泥膠砂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，適當(dāng)?shù)卦黾涌障堵视欣诳沽研阅艿奶岣摺?/p>

4 結(jié) 語

本文采用半圓彎曲試驗(yàn)方法對(duì)4種不同的母體孔隙率半柔性路面材料進(jìn)行多溫度條件下的抗裂性能評(píng)價(jià)，得出了半柔性路面材料的抗裂性能與溫度、空隙率和養(yǎng)護(hù)齡期之間的相關(guān)關(guān)系。

(1)母體瀝青混合料的空隙率越大，半柔性路面材料的抗裂性能越好，增加母體瀝青混合料的空隙率有助于降低半柔性路面開裂的可能性。

(2)瀝青高溫性能的好壞制約了半柔性路面材料在高溫狀態(tài)下的抗裂性能，在材料設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蚝侠磉x擇瀝青膠結(jié)料。

(3)分析結(jié)果表明，養(yǎng)護(hù)齡期、空隙率與斷裂韌度3個(gè)指標(biāo)之間相互影響、相互制約。因此，半柔性路面材料的設(shè)計(jì)仍應(yīng)考慮氣候環(huán)境的影響，在確定瀝青類型的前提下設(shè)計(jì)合理的空隙率，采用足夠的養(yǎng)護(hù)齡期。