基于凍斷試驗(yàn)的半柔性路面材料低溫抗裂性影響因素研究

王黎明，雋海文

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

半柔性路面是以大空隙瀝青混合料為基體，灌入特制的水泥基灌漿料填充其內(nèi)部空隙而形成的一種剛?cè)岵?jì)的路面材料[1-3]。該材料具有優(yōu)異的抗車轍性能，近年來備受關(guān)注。然而，已有實(shí)際工程應(yīng)用表明：低溫縮裂是半柔性路面的主要破壞形式[4-6]。半柔性路面材料的低溫縮裂及其引起的進(jìn)一步損傷嚴(yán)重地影響路面耐久性[7]。因此，提高半柔性路面材料低溫抗裂性對于延長其使用壽命、改善服役階段性能具有十分重要的意義。半柔性路面低溫縮裂主要受外部環(huán)境、路面結(jié)構(gòu)幾何尺寸和材料構(gòu)成等因素影響[8]。就材料本身而言，瀝青性能、基體的級配、灌漿料的性能等都可能對半柔性路面材料的低溫性能有重要影響。丁慶軍等[9]研究發(fā)現(xiàn)基體以均勻級配設(shè)計(jì)較以連續(xù)級配設(shè)計(jì)的半柔性材料性能優(yōu)越。趙國強(qiáng)等[10]研究發(fā)現(xiàn)基體采用改性瀝青后半柔性材料的低溫抗裂性有所提高，但該研究并未展開討論基體瀝青的增粘和增彈哪方面對半柔性材料低溫抗裂性提高更有利。凌天清等[11]研究發(fā)現(xiàn)添加聚合物的灌漿料能改善半柔性材料低溫性能。然而，灌漿料的增彈對提高半柔性材料低溫抗裂性的貢獻(xiàn)文中并未論述。因此，上述因素對半柔性材料低溫抗裂性的影響規(guī)律還有待進(jìn)一步探討。

凍斷試驗(yàn)可以較好地模擬路面低溫縮裂受力過程，從而全面、直觀地反映多種因素對路面低溫性能的影響[12-14]。本研究基于凍斷試驗(yàn)，研究了基體設(shè)計(jì)空隙率、瀝青類型、水泥基灌漿料類型對凍斷溫度的影響，以評估目標(biāo)空隙率大小、瀝青增黏增彈效益、灌漿料增彈效益對半柔性材料低溫抗裂性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 瀝青

試驗(yàn)選用了90#基質(zhì)、SBS改性、TPS高黏改性等3種瀝青，具體技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 集料與礦粉

試驗(yàn)選用玄武巖集料及石灰石礦粉。依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表2，均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的相關(guān)要求。

表1 瀝青的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of asphalts

表2 集料與礦粉的技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of aggregates and mineral powder

1.3 水泥基灌漿料

試驗(yàn)選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)砂采用天然河砂，過0.6 mm方孔篩后使用；外加劑分別采用UEA膨脹劑和FDN減水劑，其推薦摻量分別為膠凝材料用量的5%和1%；橡膠粉粒徑大小為40目，表觀密度為0.58 g/cm3；采用中裂型陽離子乳化瀝青，濃度為62%。以上各材料性能指標(biāo)均滿足相關(guān)技術(shù)要求。

2 試件配合比設(shè)計(jì)

2.1 水泥基灌漿料配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)3種灌漿料，分別為普通型、橡膠粉型、乳化瀝青型。參照日本半柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范給出的水泥基灌漿料主要性能目標(biāo)值[15]，并以流動(dòng)度10～14 s、抗壓強(qiáng)度20～60 MPa、抗折強(qiáng)度>3 MPa為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過正交試驗(yàn)確定了上述3種水泥基灌漿料的配合比，見表3。各項(xiàng)性能均符合日本半柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范給出的技術(shù)參數(shù)要求。

表3 水泥基灌漿料配合比及技術(shù)參數(shù)Tab.3 Cement-based grout mix proportion and technical parameters

注：橡膠粉替代灌漿料中同體積的細(xì)砂；乳化瀝青的摻量按內(nèi)摻計(jì)。

2.2 基體瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

基體材料設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)分別是集料用量和油石比。借鑒體積法擬定20%～32%的4個(gè)目標(biāo)空隙率，以4%為變化步長；對每個(gè)級配初擬2.5%～4.5%的油石比，以0.5%為步長；按粉膠比1.15計(jì)算每個(gè)瀝青用量下礦粉用量。將目標(biāo)空隙率、初擬油石比、礦粉用量、材料密度、粗集料骨架間隙率等幾方面的參數(shù)代入方程組(1)即可求出不同目標(biāo)空隙率下的粗、細(xì)集料用量。

(1)

式中，qc，qf，qp為粗集料、細(xì)集料、礦粉的含量；qa為油石比；ρsc，ρtf，ρtp，ρa(bǔ)分別為粗集料自然堆積密度、細(xì)集料、礦粉的表觀密度和瀝青的密度；VVC，VVS分別為搗實(shí)狀態(tài)下的粗集料骨架間隙率、設(shè)計(jì)空隙率。

基體最佳瀝青用量的設(shè)計(jì)原則為既提供足夠膠結(jié)，又不流淌。因此采用謝倫堡析漏與肯塔堡飛散試驗(yàn)共同確定，以目標(biāo)空隙率24%為例，不同瀝青用量下的試驗(yàn)結(jié)果繪于圖1、圖2。

圖1 目標(biāo)空隙率24%析漏損失Fig.1 Leakage loss of 24% target void rate

圖2 目標(biāo)空隙率24%飛散損失Fig.2 Scattering loss of 24% target void rate

由圖1可知：曲線在3.6%處出現(xiàn)拐點(diǎn)，分別從曲線左右兩點(diǎn)做切線，相交點(diǎn)油石比約為3.6%，該處即為最大瀝青用量。由圖2可知：曲線在3.5%處出現(xiàn)拐點(diǎn)，分別從曲線左右兩點(diǎn)做切線，相交點(diǎn)油石比約為3.5%，該處即為最小瀝青用量。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，最佳瀝青用量的取值范圍為3.5%～3.6%，以3.6%作為最佳瀝青用量。同理，按上述方法即可獲取其他空隙率下的最佳瀝青用量。相應(yīng)級配曲線見圖3。

圖3 基體瀝青混合料級配曲線Fig.3 Gradation curves of matrix asphalt mixture

對最佳瀝青用量下的基體混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件進(jìn)行3組平行的空隙率檢驗(yàn)，測試結(jié)果見表4。結(jié)果表明壓實(shí)基體試件的空隙率與目標(biāo)設(shè)計(jì)值差異較小，最大差異為0.7%，證明基體設(shè)計(jì)準(zhǔn)確。

表4 基體混合料空隙率測試結(jié)果Tab.4 Test result of matrix mixture void ratio

3 試驗(yàn)方法與方案

3.1 試驗(yàn)方法

凍斷試驗(yàn)按照(AASHTO-TP10-93)進(jìn)行，采用輪碾成型試件，并利用振動(dòng)臺(tái)輔助達(dá)到飽滿灌漿，待膠漿快要凝固用工具刮去試件表面多余的灌漿料。養(yǎng)生28 d后切割成40 mm×40 mm×250 mm的棱柱體試件，之后將試件用環(huán)氧樹脂粘接在夾具上，待黏結(jié)劑固化后，在IPC UTM-30多功能材料試驗(yàn)機(jī)內(nèi)以5 ℃恒溫6 h。恒溫后試驗(yàn)的降溫速率為10 ℃/h，試驗(yàn)終止條件為試件斷裂。

每組試驗(yàn)安排6個(gè)平行試驗(yàn)(3個(gè)板式試件每個(gè)切取7條，隨機(jī)選擇其中2條)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的溫度-應(yīng)力變化過程曲線可得凍斷溫度、轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度、凍斷強(qiáng)度、斜率這4個(gè)指標(biāo)，如圖4所示。相關(guān)文獻(xiàn)表明：凍斷溫度指標(biāo)與低溫開裂相關(guān)性最好，能較直觀、準(zhǔn)確地評價(jià)出混合料的低溫性能[16-17]。因此，本研究主要以凍斷溫度作為半柔性路面材料低溫性能的評價(jià)指標(biāo)。

圖4 溫度-應(yīng)力變化過程曲線Fig.4 Temperature-stress curve

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)分別考慮如表5所列的因素變化對半柔性材料低溫抗裂性的影響。凍斷試驗(yàn)周期較長，為便于試驗(yàn)和分析，設(shè)計(jì)未安排因素交叉影響，僅安排一組不接受處理的控制變量(空隙率24%、90#基質(zhì)瀝青、普通灌漿料)。既遵循單一變量原則，在考察某一因素影響時(shí)，安排其他因素為控制變量。

表5 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的因素Tab.5 Design factors of experiment scheme

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 空隙率對低溫性能的影響

本試驗(yàn)條件下采用基質(zhì)瀝青和普通灌漿料，只改變設(shè)計(jì)空隙率。綜合表6和圖5結(jié)果可知：隨著基體空隙率的逐漸增大，凍斷溫度呈先降低后升高的變化趨勢。其中在空隙率為24%時(shí)的凍斷溫度最低，即對半柔性路面材料來說，存在一個(gè)空隙率最佳值使得低溫抗裂性最優(yōu)。

表6 不同空隙率的半柔性材料凍斷試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Freezing test result of semi-flexible material with different void ratios

圖5 不同空隙率的半柔性材料溫度-應(yīng)力曲線Fig.5 Temperature-stress curves of semi-flexible material with different void ratios

當(dāng)空隙率處于20%～24%的較低區(qū)間時(shí)，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度之下的斜率明顯大于28%～32%的較高區(qū)間，且前者凍斷溫度顯著低于后者。這說明過高的空隙率會(huì)使低溫抗裂性顯著降低。

4.2 灌漿料對低溫性能的影響

由表7和圖6可以看出：灌漿料的不同所對應(yīng)的凍斷溫度結(jié)果差異性較明顯，與普通型灌漿料相比較，橡膠粉型和乳化瀝青型的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度下斜率顯著降低，凍斷溫度分別降低了16.4%，24.6%。表明在普通灌漿料體系內(nèi)添加彈性聚合物或乳化瀝青時(shí)半柔性混合料的低溫抗裂性有所改善。

表7 不同灌漿料的半柔性材料凍斷試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Freezing test result of semi-flexible material with different grouts

圖6 不同灌漿料的半柔性材料溫度-應(yīng)力曲線Fig.6 Temperature-stress curves of semi-flexible material with different grouts

由于基體材料多孔且連通，瀝青材料的彈性模量又遠(yuǎn)低于灌漿料，材料降溫時(shí)的收縮應(yīng)力必然主要作用在硬化后模量較大的灌漿料上[18]。膠粉砂漿在拌和時(shí)有明顯上浮現(xiàn)象，需要借助表面活性劑增加相容性，體積替代率在本試驗(yàn)中無法設(shè)定為更高。在保證灌漿料流動(dòng)性和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)前提下，橡膠粉對灌漿料的模量調(diào)整作用不如乳化瀝青，其對半柔性材料低溫抗裂性的改善效果也不如乳化瀝青。

4.3 瀝青類型對低溫性能的影響

由表8和圖7可以看出：TPS和SBS改性瀝青半柔性混合料的凍斷溫度較基質(zhì)瀝青分別降低了31.4%和38.3%。二者對半柔性材料凍斷溫度的影響幅度都遠(yuǎn)大于灌漿料(最大24.6%)。

表8 不同瀝青類型的半柔性材料凍斷試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Freezing test results of semi-flexible materials with different asphalt types

圖7 不同瀝青類型半柔性材料溫度-應(yīng)力曲線Fig.7 Temperature-stress curves of semi-flexible material with different asphalt types

高黏的TPS和SBS都能顯著增強(qiáng)基體混合料黏附體系的黏結(jié)強(qiáng)度，而同時(shí)二者也對低溫彈性性質(zhì)有貢獻(xiàn)。原材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示TPS的增黏效果相對更強(qiáng)，SBS的增彈效益更好。而凍斷試驗(yàn)結(jié)果表明，采用SBS改性瀝青組的凍斷溫度降低幅度更大，即改性瀝青的增彈效果對改善半柔性材料低溫抗裂性更有利。

5 結(jié)論

研究以凍斷試驗(yàn)考察了基體設(shè)計(jì)空隙率、灌漿料、瀝青3種因素對半柔性路面材料低溫性能的影響。研究結(jié)果表明：

(1)凍斷試驗(yàn)可有效地區(qū)分出不同瀝青種類、不同灌漿料、不同空隙率半柔性混合料的低溫抗裂性改善效益。

(2)在20%～32%空隙率范圍內(nèi)，凍斷溫度隨著空隙率的增大呈先下降后上升的變化趨勢，空隙率高于28%時(shí)低溫抗裂性顯著降低。存在一個(gè)最佳空隙率使半柔性路面材料低溫性能達(dá)到最佳，在24%附近。

(3)灌漿料增彈對低溫抗裂性的改善效果明顯。在保證流動(dòng)性和強(qiáng)度的前提下，乳化瀝青砂漿的改善效果好于膠粉砂漿。

(4)基體采用改性瀝青后對凍斷溫度的降低幅度達(dá)到31.4%～38.3%，遠(yuǎn)大于灌漿料影響。同時(shí)基體瀝青的增彈比增黏對改善半柔性材料低溫抗裂性更有利。