I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍路面研究及應(yīng)用

張東亮

(江蘇省高速公路經(jīng)營管理中心，南京 210009)

瀝青混凝土路面被廣泛應(yīng)用于我國道路工程中，相較于水泥混凝土路面，瀝青路面具有施工周期短、表面平整、行車舒適性好、噪音小及維修養(yǎng)護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但在夏季高溫及重載交通條件下，瀝青路面容易出現(xiàn)塑性變形，產(chǎn)生車轍病害。研究表明半柔性路面較好地結(jié)合了瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的抗車轍性能[1]。目前較為常見的半柔性路面包括灌入式半柔性路面、水泥瀝青混凝土路面和水泥乳化瀝青混凝土路面等[2]，其中灌入式半柔性路面應(yīng)用較多[3-8]，徐業(yè)莊、蔡旭、謝若奇等[9-11]利用有限元法對灌入式半柔性路面力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有良好的抗剪切變形能力。古紅兵[12]采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)得到了不同溫度下的荷載疲勞方程。目前對灌入式半柔性路面的研究主要集中于灌入率、瀝青種類、孔隙率對其路用性能的影響[13-16]。

本文優(yōu)選的一種樹脂灌漿料可在無需振搗的條件下實(shí)現(xiàn)自流平灌注，灌滿度可達(dá)95%以上，且強(qiáng)度增長快，3 h抗壓強(qiáng)度高達(dá)10 MPa，可實(shí)現(xiàn)施工結(jié)束3 h后開放交通。為此，采用新型特種高性能樹脂灌漿料作為灌注膠漿，開展I-Pave(Irrigation Pavement)灌入式高性能復(fù)合抗車轍混合料設(shè)計(jì)與性能評價研究，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行應(yīng)用論證，以綜合提升瀝青路面路用性能。

1 原材料

所用玄武巖集料產(chǎn)地為安徽來安，礦粉產(chǎn)地為江蘇淮安，SBS改性瀝青產(chǎn)地為江蘇南京。

1.1 瀝青

采用SBS改性石油瀝青，其技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1。

1.2 集料

采用集料均為玄武巖石料，粗集料粒徑為9.5 mm～13.2 mm、4.75 mm～9.5 mm，細(xì)集料粒徑為0～4.75 mm，填料采用石灰?guī)r堿性集料磨細(xì)得到的礦粉，相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)按照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[17]進(jìn)行控制，檢測結(jié)果見表2。

表1 SBS改性石油瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

表2 集料密度指標(biāo)檢測結(jié)果

1.3 特種灌漿料

基于水泥基材料制備特種樹脂灌漿料，主要是加入水、特種樹脂材料配制而成，并由專用設(shè)備攪拌制備得到。該種灌漿料體積收縮率較低，甚至有所膨脹，能夠較好地填補(bǔ)成型后抗車轍混合料的間隙，具體技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表3。

2 配合比設(shè)計(jì)

I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍混合料主要是通過在大孔隙基體瀝青混合料中灌注特種復(fù)合材料

表3 灌漿料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

制備得到，從而形成具有超高強(qiáng)抗車轍性能的復(fù)合混合料，其中，大孔隙基體瀝青混合料屬于骨架-空隙結(jié)構(gòu)。

2.1 礦料級配要求

參考《半柔性路面應(yīng)用技術(shù)指南》[18],采用大孔隙基體瀝青混合料SFP-13級配，礦料通過率要求見表4。

2.2 級配確定

根據(jù)前述級配范圍要求，選擇3種試驗(yàn)級配A、B、C，其組成見表5，級配曲線如圖1所示。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，初步采用油石比為3.0%，通過雙面各擊實(shí)50次來制作試件，測定空隙率及馬歇爾穩(wěn)定度，以確定級配，測試結(jié)果見表6。

表4 礦料級配要求

表5 3種級配的設(shè)計(jì)組成結(jié)果

圖1 級配曲線

綜合分析表6可知，級配A和級配B體積指標(biāo)滿足要求，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及以往工程經(jīng)驗(yàn)，級配B的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際工程需求，故選取級配B作為設(shè)計(jì)級配。

表6 馬歇爾測試結(jié)果

2.3 最佳油石比確定

根據(jù)確定的級配B稱取礦料，選擇2.7%、3.0%、3.3%這3種油石比，雙面各擊實(shí)50次成型馬歇爾試件，然后將成型的試件進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，以確定最佳油石比，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)I-Pave高性能灌入式抗車轍路面設(shè)計(jì)要求，在3種油石比下，SFP-13大孔隙瀝青混合料指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]油石比為2.7%時，試驗(yàn)結(jié)果空隙率偏技術(shù)要求上限，不利于施工控制，而油石比為3.3%時，經(jīng)濟(jì)性不足。綜合試驗(yàn)結(jié)果及以往工程經(jīng)驗(yàn)，選擇3.0%為設(shè)計(jì)最佳油石比。

2.4 性能驗(yàn)證

根據(jù)前述所確定的礦料級配及最佳油石比后，進(jìn)一步通過肯塔堡飛散試驗(yàn)、謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)和動穩(wěn)定度試驗(yàn)，對SFP-13大孔隙瀝青混合料的性能進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 析漏、飛散及動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表8試驗(yàn)結(jié)果表明，按照設(shè)計(jì)配合比所設(shè)計(jì)的材料性能完全符合要求，表明礦料級配選用級配B、油石比選用3.0%是合理的。

3 路用性能評價

基于前述配合比設(shè)計(jì)，得到I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍混合料，為對其路用性能進(jìn)行評價，分別測定剩余空隙率、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等性能，其中對低溫抗裂性、水穩(wěn)定性，須主要測定，而對高溫穩(wěn)定性，考慮基于現(xiàn)有車轍試驗(yàn)無法進(jìn)行3 h和28 d的高溫性能試驗(yàn)，因此主要測定齡期為3 d和7 d混合料試件的路用性能。

3.1 剩余空隙率測定

剩余空隙率是采用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[19]中壓實(shí)瀝青混合料密度試驗(yàn)水中重法(T 0706-2011)進(jìn)行測定。

剩余空隙率的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：VVremain為殘留空隙率，%；VVmatrix為大孔隙瀝青混合料空隙率，%；mc為灌漿材料灌入質(zhì)量，g；ρc為灌漿材料密度，g/cm3；V為馬歇爾試件體積，cm3。

經(jīng)測定，I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍混合料的剩余空隙率為2.61%，滿足≤4%的設(shè)計(jì)要求。

3.2 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

采用車轍試驗(yàn)對I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍混合料的高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行評價，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度

表9試驗(yàn)結(jié)果表明，I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍混合料動穩(wěn)定度為普通SMA瀝青混合料(約4 681次/mm[11])5倍以上，抗車轍能力顯著提高。隨齡期增加，高溫穩(wěn)定性增加趨勢明顯。

3.3 低溫抗裂性試驗(yàn)

采用低溫彎曲蠕變試驗(yàn)對I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行評價，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10試驗(yàn)結(jié)果表明，隨齡期增長，混合料抗彎拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變、勁度模量均在逐漸增大，說明I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍混合料具有良好的低溫抗裂性能。

表10 低溫彎曲蠕變試驗(yàn)結(jié)果

3.4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)檢驗(yàn)I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍混合料的抗水損害性能，試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11試驗(yàn)結(jié)果表明，浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)中的各技術(shù)指標(biāo)，隨著齡期的增長，其值均在不斷增加，證明I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍混合料具有良好的水穩(wěn)定性。

表11 浸水馬歇爾與凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

4 工程實(shí)際應(yīng)用

為了進(jìn)一步驗(yàn)證I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍混合料的技術(shù)可行性，本文在借鑒以往類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，按照選定的配合比，在寧連一級公路淮安繞城段選取部分車轍較為嚴(yán)重的平交道口進(jìn)行工程應(yīng)用試驗(yàn)，驗(yàn)證I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍路面的實(shí)際應(yīng)用效果，并通過后期跟蹤觀測對I-Pave抗車轍瀝青材料進(jìn)行綜合評價和優(yōu)化。

寧連一級公路淮安繞城段于1996年建成通車，原路面瀝青面層為4 cm AC-16+5 cm AC-30+6 cm AM-30，經(jīng)過歷年養(yǎng)護(hù)維修，形成了十分復(fù)雜的路面結(jié)構(gòu)，如4 cm改性瀝青SMA-13+8 cm改性瀝青Sup-20+原路面、4 cm改性瀝青SMA-13+6 cm改性瀝青Sup-20+4 cm改性瀝青SMA-13+原路面等結(jié)構(gòu)。隨著交通流量增加，為了保障車輛順暢通行，寧連一級公路淮安繞城段新增設(shè)多處平交道口并設(shè)置交通信號燈。在夏季高溫條件和重車荷載作用下，平交道口瀝青路面產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的車轍變形，車轍深度RD最大值為16.5 mm。針對該問題，對寧連一級公路淮安繞城段平交道口車轍嚴(yán)重路段進(jìn)行路面維修及工程改造。主要措施為：1) 對原路面銑刨10 cm；2) 處治下面層坑槽等病害；3) 噴灑高粘改性乳化瀝青粘層；4) 回鋪10 cm I-Pave灌入式復(fù)合抗車轍材料。該項(xiàng)目于2019年4月18日進(jìn)場施工，2019年7月15日完工。

4.1 修補(bǔ)施工工藝

I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍路面施工主要包括3方面，即SFP-13大孔隙瀝青混合料鋪筑、特種灌漿料制備和灌注、灌注后半柔性路面的表面處理及養(yǎng)護(hù)，其工藝如下：

1) 攤鋪和碾壓：SFP-13大孔隙瀝青混合料壓實(shí)成型要嚴(yán)格控制骨架空隙率，選擇合適的壓實(shí)機(jī)械和碾壓次數(shù)，一般以低噸位雙鋼輪壓路機(jī)為宜，碾壓次數(shù)可比一般瀝青混凝土少一遍。攤鋪機(jī)攤鋪后，使用12 t鋼輪壓力機(jī)采用靜壓法碾壓1～2遍，不得超過3遍，要求壓實(shí)度控制在95%～100%，保證施工后平整度。

2) 制備和灌注：通過水泥砂漿拌和攤鋪專用設(shè)備制備特種灌漿料，拌和完畢后盡快灌注，以免因隨時間延長，流動度降低，影響灌注效果。SFP-13大孔隙瀝青混合料冷卻至40 ℃以下進(jìn)行灌注，當(dāng)路面有縱坡時從低處向高處灑鋪漿料，以防止灌漿料順坡快速下流，造成向路面的下層面滲透效果不佳。

3) 表面處理及養(yǎng)護(hù)：漿料灌注完畢后,清除干凈表面的殘余漿料，露出基體瀝青混合料凹凸不平的表面。養(yǎng)生時間因施工溫度高低而不同，通常灌漿施工3 h左右即可開放交通。養(yǎng)生期間禁止人員車輛通行，并注意防止雨水沖刷。

4.2 性能檢測及跟蹤觀測

路面質(zhì)檢主要包括大孔隙基體瀝青混合料檢驗(yàn)、水泥基特種灌漿料檢驗(yàn)和抗車轍路面檢驗(yàn)3部分。其中基體瀝青混合料檢驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)[19]，水泥基特種灌漿料檢驗(yàn)的主要指標(biāo)為流動度、抗壓強(qiáng)度和干縮率等，抗車轍路面檢測主要為馬歇爾試驗(yàn)、動穩(wěn)定度、滲水系數(shù)、摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度等。根據(jù)現(xiàn)場取樣檢測結(jié)果，灌注深度均達(dá)到10 cm，空隙率為2.68%，動穩(wěn)定度為38 698次/mm，滲水系數(shù)均為0 mL/min，摩擦系數(shù)BPN擺值均大于65，構(gòu)造深度均大于0.99 mm，以上指標(biāo)值均符合規(guī)范、設(shè)計(jì)要求。該改造路面的抗滑和抗車轍性能良好。

路面改造工程通車1年后對該工程實(shí)施路段進(jìn)行了跟蹤觀測，未出現(xiàn)松散類病害及明顯裂縫，車轍不到1 mm，路況性能良好，說明I-pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍混合路面具有良好的抗車轍性能。

5 結(jié)論

本文采用新型特種高性能樹脂灌漿料灌注大孔隙瀝青混合料制備了一種半柔性瀝青混合料，并對其相關(guān)性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場檢測，得到以下結(jié)論：

1) I-Pave灌入式高性能復(fù)合抗車轍混合料，施工養(yǎng)護(hù)齡期3 d后，其動穩(wěn)定度可達(dá)26 658次/mm、低溫破壞應(yīng)變?yōu)? 987.5 με、殘留穩(wěn)定度為90.29%、TSR為83.5%，表明該混合料具有優(yōu)異的高溫性能，良好的低溫性能和水穩(wěn)定性。

2) 通過對比不同齡期下復(fù)合抗車轍混合料的路用性能，發(fā)現(xiàn)隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長其性能逐漸提升。

3) 高性能樹脂灌漿料能夠顯著提升路面抗車轍性能，通過1年跟蹤觀測，該路面材料路用性能良好，為解決重載交通路段、平交道口等特殊路段車轍問題提供了一種解決方案。