灌入式復(fù)合路面配合比設(shè)計及性能評價

安 平，王曉燕

（1.日照公路建設(shè)有限公司，山東 日照 276800；2. 山東省交通科學研究院高速公路養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室（濟南），山東 濟南 250102）

引言

1 原材料

灌入式復(fù)合瀝青混合料主要由大空隙基體瀝青混合料和水泥基漿體兩部分組成，原材料的種類及性能指標對這兩部分的性能起決定性的作用。其中，基體瀝青混合料的原材料包括瀝青、礦粉、集料、纖維和復(fù)合增效劑；水泥基漿體的原材料包括水泥基灌漿料和水。

1.1 改性瀝青

采用SBS改性瀝青進行大空隙基體瀝青混合料的配合比設(shè)計，其各項基礎(chǔ)性能測試［9］見表1。

表1 SBS改性瀝青基礎(chǔ)性能

瀝青路面是一種高質(zhì)量路面，廣泛用于高等級公路路面建設(shè)。但是瀝青是一種溫度敏感材料，瀝青路面的承載能力在高溫環(huán)境下會大幅減少，在交通運輸需求大的地區(qū)會引發(fā)瀝青路面車轍病害［1］。因此，為了提高路面的安全系數(shù)和使用壽命，需要尋找合理有效的路面抗車轍技術(shù)來緩解路面高溫病害。

目前常用的抗車轍路面主要是通過提高瀝青膠結(jié)料的性能來實現(xiàn)，諸如：橡膠粉改性瀝青混合料［2］、聚合物改性瀝青混合料［3］、高嶺土改性瀝青混合料［4］和摻加抗車轍劑的瀝青混合料［5］等。但是這些技術(shù)在實際工程應(yīng)用中需要考慮多方因素，針對不同的改性方式進行配合比設(shè)計，往往會增加施工成本，而且抗車轍效果并不能滿足車轍嚴重地區(qū)的需要。

灌入式復(fù)合路面是將水泥基漿體灌入大空隙基體瀝青混合料獲得的，在基體瀝青混合料骨架嵌擠作用的基礎(chǔ)上，通過高強度水泥基材料的填充加固來加強灌入式復(fù)合路面的抗變形性能［6］。水泥基材料在高溫條件下仍然具有較高的承載能力［7］，灌入式復(fù)合路面的力學強度和高溫性能遠遠高于普通瀝青路面［8］，因此灌入式復(fù)合路面可有效提高路面的抗車轍性能，緩解路面高溫病害，具有良好的應(yīng)用前景。

1.2 集料

采用粒徑范圍分別為0～5 mm，5～10 mm，10～15 mm的三檔玄武巖石料用于大空隙基體瀝青混合料配合比設(shè)計。按照規(guī)范［10］對玄武巖集料進行密度性能相關(guān)測試和篩分試驗，結(jié)果見表2、表3。

表2 集料密度和吸水率試驗

表3 集料篩分結(jié)果

1.3 礦粉和纖維

為了提高瀝青的性能，通過石灰石礦粉增強混合料基體的性能，并對石灰石礦粉的基礎(chǔ)性能（密度和尺寸）進行測試，結(jié)果見表4。采用木質(zhì)纖維素作為瀝青混合料的纖維穩(wěn)定劑，提高基體瀝青膠漿的性能，從而滿足大空隙基體瀝青混合料對強度的要求。

表4 石灰石礦粉性能測試

1.4 水泥基灌漿料和復(fù)合增效劑

配合比設(shè)計采用高性能水泥基灌漿材料和復(fù)合增效劑，其中復(fù)合增效劑可有效提高大空隙基體瀝青混合料的力學強度，有利于提高灌入式復(fù)合路面的路用性能。

2 大空隙基體混合料配合比設(shè)計

2.1 骨架級配確定

根據(jù)灌入式復(fù)合瀝青路面中基體瀝青混合料的要求，應(yīng)用于灌入式復(fù)合路面的大空隙瀝青混合料空隙率需要控制在20%～33%之間，選定1#、2#、3#三種GCA-13基體混合料級配類型，級配用量和合成級配見表5、表6。

表5 級配用量

表6 合成級配

根據(jù)以往經(jīng)驗初步選擇馬歇爾設(shè)計的油石比為4.2%，首先在180 ℃下將所需質(zhì)量的礦料、纖維和復(fù)合增效劑攪拌60 s，5 min后加入所需瀝青繼續(xù)拌和60 s，之后摻入石灰石礦粉繼續(xù)攪拌60 s，最后采用擊實儀上下兩面各擊實50次成型試件。其中，基體瀝青混合料設(shè)計級配的孔隙率均高于25%，在測試毛體積相對密度時，需要注意馬歇爾試件的大空隙率特性采用體積法測試其密度指標，馬歇爾配合比設(shè)計的各項試驗指標見表7。

表7 馬歇爾試驗體積性質(zhì)技術(shù)指標

結(jié)合馬歇爾配合比設(shè)計原理，考慮馬歇爾穩(wěn)定度和流值，以及試件的密度和空隙率等方面的相關(guān)性能要求，優(yōu)選2#級配作為設(shè)計級配進行大空隙基體瀝青混合料的相關(guān)測試研究。

2.2 油石比控制

按照2#級配設(shè)計的結(jié)果進行三檔集料稱量分配，選擇3種油石比（3.9%、4.2%和4.5%）進行馬歇爾設(shè)計系列試驗，按照設(shè)計指標的相關(guān)原理進行對比分析，見表8。

表8 基體混合料馬歇爾試驗

根據(jù)馬歇爾配合比設(shè)計的各項試驗，可以確定油石比為4.2%是該大空隙基體瀝青混合料的最佳油石比。

2.3 大空隙基體混合料性能驗證

考慮到大空隙瀝青混合料的性能特點，針對瀝青用量需要通過謝倫堡析漏和肯塔堡飛散試驗進行合理控制。通過析漏試驗可以防止瀝青混合料中瀝青含量過高引起流淌離析，不方便長距離運輸會影響大空隙瀝青混合料的鋪筑效果，該實驗可以確定混合料油石比的上限；通過飛散試驗可以保證瀝青混合料中瀝青的最低含量，防止瀝青過少，瀝青混合料黏附性不足，在外力和水分作用下產(chǎn)生脫落破壞來驗證油石比的下限［11］。因此，針對油石比為4.2%的瀝青混合料進行謝倫堡析漏和肯塔堡飛散試驗，來驗證該油石比是否符合性能要求，進行多次測試取平均值，見表9。

表9 析漏和飛散試驗結(jié)果

采用油石比4.2%作為基體混合料的油石比時，混合料的析漏和飛散結(jié)果的平均值分別為0.167%和21.19%，均滿足對灌入式復(fù)合路面結(jié)構(gòu)度基體瀝青混合料的性能要求。

3 水泥基漿體配比確定

為保證復(fù)合路面體系對強度的要求，需要水泥基漿體灌入基體混合料中，待其硬化凝固后填充骨架結(jié)構(gòu)，兩者共同作用提高復(fù)合路面體系的力學強度，為保證灌注效果和應(yīng)用強度需要對其流動性能和抗壓強度進行測試表征。參考日本規(guī)范《アスファルト鋪裝工事共通仕様書解說》提出的灌入式復(fù)合路面水泥基漿體流動時間為 10～14 s。通過《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG E30—2018）中的Pload法（容器體積為1 725 ml）測試不同水分比例試灌漿體的流動度以及抗壓強度，最終選擇水泥基灌漿材料和水的比例為1∶0.3，測試結(jié)果見表10。

表10 灌漿材料性能指標及技術(shù)要

通過水泥基漿體的性能試驗說明，以1∶0.3的比例調(diào)配水泥基灌漿料和水獲得的水泥基漿體材料能夠保證灌入式復(fù)合路面體系對水泥基灌漿材料的性能要求。

4 復(fù)合路面路用性能驗證

在基體瀝青混合料和水泥基漿體配比設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對灌入式復(fù)合路面整體進行路用性能測試，確保復(fù)合路面各項性能符合實際性能需要。依照上述兩部分的配合比設(shè)計結(jié)果，制備了灌入式復(fù)合路面（GCA-13）試件，保證瀝青混合料空隙注漿飽滿，標準養(yǎng)護7 d后進行路用性能測試。60 ℃馬歇爾穩(wěn)定度試驗見表11，60 ℃車轍變形試驗見表12，-10 ℃馬歇爾凍融劈裂試驗見表13，驗證灌入式復(fù)合路面的高溫抗車轍性能和抗水損害性能。

表11 馬歇爾試驗

表12 動穩(wěn)定度測試

表13 凍融劈裂測試

由試驗結(jié)果可知，灌入式復(fù)合瀝青混合料的穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度均遠超普通瀝青混合料，表明灌入式復(fù)合路面具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性。同時，從灌入式復(fù)合路面的凍融劈裂試驗結(jié)果可知，其抵抗水損害能力優(yōu)異。由此可知，灌入式復(fù)合路面的路用性能優(yōu)秀，可應(yīng)用于高溫地區(qū)的車轍高發(fā)地帶來緩解路面高溫車轍病害。

5 結(jié)語

采用路用性能優(yōu)異的灌入式復(fù)合路面作為抗車轍路面應(yīng)用于高溫地區(qū)，進行灌入式復(fù)合路面的配合比設(shè)計以及路用性能測試，結(jié)果表明：（1）由大空隙基體瀝青混合料配合比設(shè)計可知，瀝青混合料的最佳油石比為4.2%，在保證流動度和抗壓強度的同時，水泥基灌漿材料和水的比例為1∶0.3最佳。（2）通過對灌入式復(fù)合路面試件的路用性能研究可知，灌入式復(fù)合路面的穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度遠高于普通混合料，而且凍融劈裂強度比也維持在較高水平，因此灌入式瀝青路面具有較高的路用性能，能夠用于路面抗車轍技術(shù)，具有廣泛的發(fā)展前景。