施工工藝對半柔性路面灌漿的影響

彭 剛，洪錦祥，鄧 成

(1.江蘇省建筑科學研究院 高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 211103；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103)

0 引 言

車轍是瀝青路面的主要病害之一，特別是在國、省道及市政道路的交叉路口以及城市BTR公交專用道上，傳統(tǒng)的瀝青路面無法承受大型重載車輛的頻繁啟動、剎車，從而產(chǎn)生嚴重的失穩(wěn)性車轍，影響行車安全。

對于防治車轍病害，目前道路科研人員主要從材料和結構兩方面提出解決思路。第一種思路主要是改變?yōu)r青混合料級配組成或在瀝青混合料中摻加各類抗車轍添加劑，此類方法實施起來簡便易行，適用于整個路段都有輕微車轍的工程，但是抗車轍能力十分有限，對于十字路口等車轍嚴重的位置效果不明顯[1]；第二種思路是改變傳統(tǒng)瀝青路面的內(nèi)部結構，目前比較成熟的方法是采用半柔性路面技術。

半柔性路面是在大空隙瀝青混合料基體中灌注水泥基灌漿材料而形成的一種剛柔并濟的路面形式，水泥基灌漿材料滲入瀝青混合料基體內(nèi)部的空隙中，限制了瀝青混合料的推移變形，從而防止車轍的產(chǎn)生[2]。根據(jù)唐鵬、許嚴、蘇凱及楊軍等的研究[3-6]，對于傳統(tǒng)的瀝青路面，中面層為路面垂直高度上剪應力最大的區(qū)域，根據(jù)這種思路應將半柔性路面層鋪筑在中面層，但從實際應用效果來看，此結構抗車轍效果并不理想，究其原因主要是引入半柔性路面層后整個面層已不是傳統(tǒng)瀝青路面的柔性結構，路面受力狀態(tài)及應力分布也不同于瀝青路面，最大剪應力區(qū)上移。現(xiàn)在普遍的做法是將半柔性路面層置于上面層，這樣抗車轍效果良好[7-8]。

由于半柔性路面中瀝青混合料采用斷級配的形式，其空隙率在18%～30%范圍內(nèi)[9]，若水泥基灌漿料沒有將瀝青混合料中的空隙灌注飽滿，雨水會滲入路面下造成嚴重的水損害[10-12]。董營營、張曉燕等的室內(nèi)試驗研究[13-14]發(fā)現(xiàn)，由于混合料級配波動或灌注不均勻等原因，水泥基灌漿料確實無法100%地填滿瀝青混合料的連通空隙，但是灌注到什么程度可達到路面防水性要求仍需試驗驗證。因此，本文通過大量室內(nèi)試驗，研究半柔性路面灌漿飽滿度與抗水損害性能之間的關系，并以此推薦合理的灌漿飽滿度，以期為半柔性路面技術在道路施工過程中的合理應用提供參考。

1 原材料

1.1 瀝青

瀝青雖然在半柔性路面結構體系中所占比例較小，但其作用十分重要。為防止半柔性路面在使用過程中產(chǎn)生開裂、掉粒、坑槽等現(xiàn)象，應選用優(yōu)質(zhì)SBS改性瀝青[15-16]。本研究選用江蘇江陰生產(chǎn)的SBS改性瀝青，其各項性能指標如表1所示。

表1 瀝青技術指標

1.2 集料

本研究所用集料為玄武巖，集料的基本性能指標和篩分結果如表2、3所示。

表2 集料及礦粉的基本性能指標

表3 集料的篩分結果

1.3 灌漿材料

本研究所用灌漿材料為江蘇蘇博特新材料股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的JGM?-301半柔性路面專用灌漿料，該灌漿料相比于傳統(tǒng)半柔性路面水泥基灌漿料具有流動度高、強度形成快、不收縮等特性[17]，該灌漿料與傳統(tǒng)半柔性路面灌漿材料的基本性能測試指標如表4所示。

2 施工工藝與試驗方案設計

2.1 級配設計

為研究瀝青混合料基體在不同空隙率下的灌漿飽滿度，設計采用空隙率分別為18%、22%、26%、30%的4種級配，級配設計結果如表5所示，級配曲線匯總見圖1。

表4 灌漿材料的基本性能

表5 不同空隙率的瀝青混合料基體礦料組成設計

注：空隙率為30%的級配設計中需外摻2‰的纖維。

圖1 級配曲線匯總

2.2 灌漿工藝

傳統(tǒng)的半柔性路面灌漿材料在灌漿時需要用平板振動器等振動裝置將灌漿料灌入瀝青混合料基體的空隙中[18]，而蘇博特的JGM?-301半柔性路面灌漿專用料是一種高流態(tài)的水泥基材料，它可以通過自流平的方式在重力作用下滲入瀝青混合料基體的空隙中，相對于傳統(tǒng)的半柔性路面有更高的灌漿飽滿度。

現(xiàn)場施工時，灌漿材料輸送到路面后要讓漿體在路面停留一段時間(此過程被稱為堆漿)，使灌漿材料有足夠的時間滲入瀝青混合料基體的空隙中，然后將路表多余的漿體移除，并做出露石效果，以保證路面有足夠的構造深度和摩擦系數(shù)。堆漿時間的把控一直是施工中的難點，堆漿時間不足則灌漿料無法充分滲入空隙中，堆漿時間過長將導致灌漿料流動度損失過大，無法進行后續(xù)施工。一般根據(jù)瀝青混合料基體空隙率、施工氣溫及現(xiàn)場漿體狀態(tài)等因素，將堆漿時間控制在1～3 min。

在實驗室內(nèi)制備半柔性路面馬歇爾試件和車轍板試件時，首先制成不同空隙率的瀝青混合料基體試件，然后用寬透明膠帶將試件的底部和四周密封，只留出試件的上表面，最后將制備的灌漿材料直接倒在試件上表面，并用小毛刷使其完全覆蓋試件上表面，堆漿結束后用毛刷將試件表面多余的漿料清除。在本研究中，灌漿溫度在25 ℃左右，堆漿時間分別控制在1、2、3 min。不同空隙率及堆漿時間條件下的半柔性路面材料剖面如圖2所示。

圖2 不同空隙率及堆漿時間條件下的半柔性路面材料剖面

2.3 灌漿飽滿度測定

目前關于半柔性路面的灌漿飽滿度沒有一個明確的定義。在本研究中，灌漿飽滿度是指滲入大空隙瀝青混合料基體試件中的灌漿料體積占試件中連通空隙總體積的百分比。

滲入大空隙瀝青混合料基體試件中的灌漿料體積為倒在試件表面全部灌漿材料的總體積減去堆漿結束后試件表面移除的多余灌漿材料的體積。

要計算大空隙瀝青混合料基體試件中連通空隙的總體積，首先要計算試件的連通空隙率，其計算方法為：

式中：V1為試件的連通空隙率；V為試件體積；V0為礦料與封閉空隙的體積；m1為試件在空氣中的質(zhì)量；m2為試件在水中的質(zhì)量；ρ為水的密度，一般常溫下取值1.0 g·cm-3。

不同空隙率、不同堆漿時間條件下的半柔性路面試件灌漿飽滿度計算結果如表6所示。

表6 不同施工工藝半柔性路面材料灌漿飽滿度

2.4 抗水損害性能測試方法

本研究首先通過滲水試驗測試不同空隙率、不同堆漿時間條件下的半柔性路面試件的防水性能，然后進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，用試件的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比等指標來檢測其抗水損害性能[19]。浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中的方法與步驟進行。

3 灌漿飽滿度對水損害的影響

對不同空隙率、不同堆漿時間的半柔性路面試件進行滲水系數(shù)測定、浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗，分析不同的大空隙瀝青混合料基體空隙率和施工時的堆漿時間對半柔性路面防水性能及抗水損害性能的影響，試驗結果見表7及圖3～6。

表7 不同條件下的半柔性路面抗水損害性能試驗結果

圖3 半柔性路面材料灌漿飽滿度

圖4 半柔性路面材料滲水系數(shù)

圖5 不同條件下的半柔性路面材料浸水殘留穩(wěn)定度

圖6 不同條件下的半柔性路面材料凍融劈裂強度

從表6、7和圖3～6可知以下幾點。

(1)空隙率越小的瀝青混合料基體，其內(nèi)部的連通空隙所占全部空隙的比例越小，灌漿飽滿度也越低。這主要是因為，當空隙率過低時，雖然部分微小空隙沒有完全閉合，但是這些空隙與外界連通的通道過于狹窄，水及灌漿材料等液體表面張力過大，無法浸潤到這些空隙中[20]，導致這部分空隙雖然與外界連通，但是實際效果已等同于封閉空隙。堆漿時間的長短對路面內(nèi)部的灌漿飽滿度也有較大影響，特別是對于空隙率較低的瀝青混合料基體，堆漿時間越短，對灌漿飽滿度的影響越大，因為空隙率低的瀝青混合料基體中的灌漿材料下滲速度較慢，若沒有留出足夠的堆漿時間，將導致灌漿材料來不及完全填充空隙就被移除。

(2)當瀝青混合料基體的空隙率在18%時，半柔性路面的防水性能嚴重不足，特別是堆漿時間只有1 min時，半柔性路面試件內(nèi)部仍存在大量未被填滿的空隙，形成大量從試件上表面至下表面的內(nèi)部通路；當堆漿時間為2 min和3 min時，其防水能力與空隙率在22%時的半柔性路面試件相當，即防水能力較差，水分還是會順著試件內(nèi)部的少量通路流下去；當空隙率增大至26%以上時，試件具有良好的防水性能，但是此時仍需注意對堆漿時間的把控；空隙率26%的試件堆漿1 min之后仍存在漏水的現(xiàn)象，說明試件內(nèi)部仍有極少連通試件上下表面的空隙。

(3)隨著瀝青混合料基體空隙率的增大和堆漿時間的延長，半柔性路面試件的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比都呈現(xiàn)明顯增大的趨勢，說明較大的瀝青混合料基體空隙率和較長的堆漿時間可以提高半柔性路面的抗水損害能力。以江蘇地區(qū)為例，根據(jù)《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2017)并參考《半柔性路面應用技術指南》中的有關內(nèi)容，空隙率小于22%時，抗水損害能力達不到規(guī)范要求；空隙率在26%時，堆漿時間需保持在2～3 min方可達到規(guī)范要求，但是根據(jù)施工經(jīng)驗，堆漿時間在3 min時，漿體流動度損失過大，不利于后續(xù)施工，因此若設計空隙率在26%時，建議堆漿時間保持在2 min；空隙率在30%時，堆漿時間在1 min時，待半柔性路面灌注成型、開放交通后，可以滿足抗水損害性能的要求。

4 結 語

本文在設計18%、22%、26%、30%四種空隙率的瀝青混合料基體的基礎上，通過變換堆漿時間，對不同空隙率和不同堆漿時間下的半柔性路面材料進行防水性能及抗水損害性能測試，得到以下結論。

(1)當瀝青混合料基體的空隙率小于26%時，灌漿飽滿度過低，不利于半柔性路面的耐久性。當瀝青混合料基體的設計空隙率在26%左右時，要將堆漿時間適當延長至2～3 min以達到良好的灌漿飽滿度。

(2)為達到良好的防水效果，半柔性路面的瀝青混合料基體設計空隙率要在26%以上。同時試驗結果也可驗證，設計合理的半柔性路面，其內(nèi)部的絕大部分連通空隙都被灌漿材料灌滿，因此相比傳統(tǒng)的瀝青路面具有更加良好的防水性。

(3)空隙率越大、堆漿時間越長的半柔性路面材料抗水損害性能越好，為保證半柔性路面具有足夠的抗水損害能力，空隙率要達到26%以上。當空隙率為26%時，堆漿時間要在2 min左右才可以達到規(guī)范要求；當空隙率為30%時，為提高施工效率，堆漿時間控制在1 min左右即可。

綜合考慮灌漿飽滿度、防水及抗水損害性能，灌漿半柔性路面大空隙瀝青混合料的空隙率宜在26%以上。當空隙率為26%時，堆漿時間要保持在2 min左右，當空隙率為30%時，堆漿時間控制在1 min左右即可。