半柔性路面高性能灌漿料的制備與性能研究

胡文佩

(1. 上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200031； 2. 上海城市路域生態(tài)工程技術(shù)研究中心，上海 200031)

半柔性混凝土路面是以開(kāi)級(jí)配的瀝青混合料(空隙率20%～30%)為基體，填充特種水泥灌漿材料復(fù)合形成，兼具瀝青混凝土路面的應(yīng)變松弛能力和水泥混凝土路面的剛度，可有效減少交通流量和交通負(fù)荷引起的路面破壞[1-2]。半柔性路面良好的蠕變抗力，可抵抗應(yīng)力松弛，減少溫度縫的設(shè)置數(shù)量，甚至不必設(shè)置溫度縫。另外，與水泥混凝土路面相比，行車(chē)舒適性顯著提升。半柔性路面良好的剛性保證了其負(fù)載容忍度，不易形成車(chē)轍。而開(kāi)級(jí)配的基體瀝青混合料使半柔性路面具有良好的抗滑性能，可顯著提升行車(chē)安全性。此外，半柔性路面還具有良好的耐油性和顯色性[3-4]。因此，半柔性路面受到廣泛關(guān)注，并逐步應(yīng)用于停車(chē)場(chǎng)、加油站、攀爬路段等[5-6]。

水泥灌漿料與基體瀝青混合料作為半柔性混凝土路面的組成部分，其瀝青混合料的集料類(lèi)型與級(jí)配對(duì)半柔性混凝土的路用性能起著決定性作用[7-8]，并且水泥灌漿料的配合比設(shè)計(jì)對(duì)半柔性混凝土的實(shí)際應(yīng)用非常關(guān)鍵。研究表明，水泥灌漿料的漿體強(qiáng)度是決定半柔性路面強(qiáng)度的重要因素[9-10]，水泥灌漿料的性能主要取決于其配合比設(shè)計(jì)和外摻劑摻量。半柔性灌漿料的制備已有研究，顧曉燕等[11]研究了不同因素對(duì)水泥膠漿流動(dòng)度的影響，覃峰[12]試驗(yàn)了基于施工現(xiàn)場(chǎng)需求的復(fù)合砂漿配合比，王巍等[13]進(jìn)行了灌注式水泥膠漿配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，但由于缺少半柔性灌漿料的系統(tǒng)研究和工程案例，且目前半柔性灌漿料的力學(xué)性能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍未明確，添加外摻劑可分散性乳膠粉制得的高性能半柔性灌漿料鮮有文獻(xiàn)提及[14]。因此，本文通過(guò)設(shè)計(jì)水泥灌漿料的配合比，以流動(dòng)度和力學(xué)性能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定水泥灌漿料中膠粉和外摻劑的最佳摻量，以期獲得最佳配合比，為半柔性路面高性能灌漿料的制備提供參考，也為半柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

本試驗(yàn)采用水泥、硅灰、細(xì)集料、減水劑、可分散性丁苯乳膠粉制備半柔性路面灌漿料。水泥采用P·O 52.5級(jí)，比表面積373 m2/kg。硅灰SiO2占比93%，比表面積28 000 m2/kg。細(xì)集料采用40～80目砂和80～120目砂。減水劑采用高性能聚羧酸減水劑，減水率>30%?？煞稚⑿远”饺槟z粉為美國(guó)瀚森化工公司生產(chǎn)的AXILAT PSB150，不揮發(fā)物含量≥99%，堆積密度500 g/L。

1.2 基體瀝青混合料

采用70號(hào)瀝青、礦粉、玄武巖(1～3 mm和5～15 mm)制備基體瀝青混合料，并壓制車(chē)轍板成型，車(chē)轍板理論空隙率為25%～30%。

1.3 設(shè)計(jì)方案

半柔性灌漿料的技術(shù)重點(diǎn)在于改性劑的選取，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，測(cè)試水性樹(shù)脂、丙烯酸膠乳、丙烯酸膠粉、減水劑、丁苯乳膠粉等改性劑性質(zhì)，試驗(yàn)測(cè)得丁苯乳膠粉可以任意比例與水互溶，且未發(fā)生離析、沉淀，未顯著改變水體稠度。故本試驗(yàn)選用丁苯乳膠粉作為改性劑，以改善灌漿料與基體界面性能，提高抗折強(qiáng)度，改善干縮性能。半柔性路面灌漿料配合比設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 半柔性路面灌漿料配合比設(shè)計(jì)方案

1.4 灌注率計(jì)算

灌注砂漿體積與瀝青混合料連通空隙體積的百分比為灌漿材料的灌注率，其計(jì)算公式為

(1)

式中，VV為灌入密實(shí)度，%；m1為灌漿前試件質(zhì)量，g；m2為灌漿后試件質(zhì)量，g；ρm為灌漿料密度，g/cm3；V為試件體積，cm3；P為灌入前試件空隙率，%。

1.5 試件制備與力學(xué)性能測(cè)試

1.5.1 車(chē)轍板成型

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)T 0703瀝青混合料試件制作方法(輪碾法)的要求制作基體瀝青混合料車(chē)轍板，并按T 0708 壓實(shí)瀝青混合料密度試驗(yàn)(體積法)和T 0711 瀝青混合料理論最大相對(duì)密度試驗(yàn)(真空法)的試驗(yàn)方法測(cè)定瀝青混合料的毛體積相對(duì)密度和理論最大相對(duì)密度，計(jì)算基體瀝青混合料的空隙率P。

1.5.2 灌漿料制備及灌入試驗(yàn)

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2015)中的T 0506水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法) 的要求進(jìn)行拌和配制。車(chē)轍板試件冷卻至室溫后，封好試模側(cè)面和底部，進(jìn)行灌漿試驗(yàn)。灌入過(guò)程中觀察灌漿料流動(dòng)狀態(tài)和滲透速度，在不附加振動(dòng)的情況下觀察材料自滲能力，然后振動(dòng)車(chē)轍板并補(bǔ)充灌漿料，直至灌漿表面不再出現(xiàn)氣孔，使混合料充分灌滿(mǎn)，多余灌漿料用刮尺刮凈，直至粗集料露出為止，整個(gè)成型過(guò)程在1 h內(nèi)完成。灌漿料的流動(dòng)度按T 0508水泥漿體流動(dòng)度測(cè)定方法(倒錐法)測(cè)定。

1.5.3 試塊成型及力學(xué)性能試驗(yàn)

將灌漿料倒入40 mm×40 mm×160 mm的試模中，將試模置于溫度(20±3)℃、相對(duì)濕度>90%的養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，(24±3)h后取出脫模，然后將試件置于溫度(20±1)℃的水池中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)到一定齡期后取出試件，測(cè)定其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。同時(shí)將灌漿后的車(chē)轍板試件切割成4 cm×4 cm×15 cm的條形試塊，同條件養(yǎng)護(hù)7 d，測(cè)試其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 流動(dòng)性分析

水泥混凝土的流動(dòng)性主要與水灰比和減水劑摻量有關(guān)，且具有顯著冪相關(guān)[15-16]，本試驗(yàn)結(jié)果表明，丁苯乳膠粉對(duì)灌漿料流動(dòng)性能也有較大影響，第2組較第3組增加丁苯乳膠粉摻量后，即增大了水膠比，灌漿料漿體狀態(tài)較稠，說(shuō)明丁苯乳膠粉具有保水增稠作用。丁苯乳膠粉摻量增加對(duì)灌漿料下滲速度具有提升作用，說(shuō)明丁苯乳膠粉改善了界面性能。第3組相較第1組提高了細(xì)砂占比，灌漿料流動(dòng)性有一定程度提高，說(shuō)明集料級(jí)配對(duì)流動(dòng)度也有影響，細(xì)集料占比高，灌漿料流動(dòng)性好。

2.2 灌注度分析

灌注度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。漿體稀稠度與灌注度存在相關(guān)關(guān)系，同時(shí)在灌注試驗(yàn)過(guò)程中均采取了人工振動(dòng)，即灌注過(guò)程中手動(dòng)振動(dòng)2～3次，這也是后期材料產(chǎn)業(yè)化施工必須考慮的因素。另外，從第1組和第2組可以看出，空隙率與灌注度呈正相關(guān)，說(shuō)明空隙率小幅度提高(可能是連通空隙率的提高)，將顯著增加灌注度，第2組相對(duì)第1組狀態(tài)更稠，但仍有較好的灌注度。

表2 灌注度試驗(yàn)結(jié)果

車(chē)轍板切塊斷面如圖1所示。第2組和第3組灌注后密實(shí)度較低，第4組最好，斷面表現(xiàn)較為致密，漿體與瀝青基料緊密結(jié)合，這對(duì)材料的力學(xué)性能和耐久性能有積極作用。

(a) 第1組

2.3 強(qiáng)度分析

丁苯乳膠粉摻量對(duì)灌漿料強(qiáng)度影響如圖2所示。車(chē)轍板切塊與灌漿料試塊強(qiáng)度對(duì)比如表3所示。

表3 車(chē)轍板切塊與灌漿料試塊強(qiáng)度對(duì)比 (MPa)

由圖2可知，隨著丁苯乳膠粉摻量的增大，抗壓強(qiáng)度略有降低，抗折強(qiáng)度略有提升，說(shuō)明隨著丁苯乳膠粉摻量的增加，灌漿料試塊韌性(折壓比)有所提高。

圖2 丁苯乳膠粉摻量對(duì)灌漿料強(qiáng)度影響

由表3可知，第2組切塊強(qiáng)度優(yōu)于第1組和第3組，第4組切塊強(qiáng)度最高，表明灌注度與強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)。灌漿料試塊強(qiáng)度第4組最好，則表明丁苯乳膠粉的最佳摻量為2%?！栋肴嵝曰旌狭嫌盟嗷酀{材料》(JT/T 1238—2019)要求齡期7 d的試件抗壓強(qiáng)度為15～30 MPa，抗折強(qiáng)度≥2 MPa，而廣東省的地方標(biāo)準(zhǔn)《專(zhuān)用砂漿半柔性路面應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(DB44/T 1296—2014)要求7 d抗壓強(qiáng)度≥70 MPa，中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》(T/CECS G:D51-01—2019)要求7 d抗壓強(qiáng)度≥15 MPa，抗折強(qiáng)度≥2 MPa。不同標(biāo)準(zhǔn)的要求存在差異，但不可否認(rèn)灌漿料強(qiáng)度是決定半柔性路面材料性能的重要因素，尤其抗折強(qiáng)度的提高，對(duì)改善道路性能至關(guān)重要。本試驗(yàn)的4組試件強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明經(jīng)過(guò)丁苯乳膠粉改性，結(jié)合合理的集料配比可以制備高性能半柔性路面灌漿料。灌注度為73%～90%，復(fù)合板的力學(xué)性能無(wú)明顯差異，且復(fù)合板抗折強(qiáng)度達(dá)到《半柔性混合料用水泥基灌漿材料》(JT/T 1238— 2019)中半柔性混合料的抗彎拉強(qiáng)度指標(biāo)(≥2.5 MPa)的兩倍，雖試件尺寸略有不同，但也在一定程度上說(shuō)明高性能灌漿料顯著改善了瀝青基料的力學(xué)性能，理論上可以設(shè)計(jì)出高性能半柔性組合路面。

抗折斷面如圖3所示，抗壓斷面如圖4所示。

(a) 第3組

(a) 第3組

由圖3和圖4可知，抗折斷面石子基本完好，少數(shù)石子被剪斷；而抗壓斷面石子被剪斷的現(xiàn)象較普遍，說(shuō)明在漿體與瀝青混合料共同作用下，石子受力形式以剪切破壞為主，由此可見(jiàn)混合料的抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較為重要，這也是衡量高性能灌漿料的重要標(biāo)準(zhǔn)。

3 總結(jié)

本文通過(guò)加入丁苯乳膠粉作為改性劑，制備了高性能水泥基灌漿料，并將此灌漿料灌入開(kāi)級(jí)配的瀝青混合料車(chē)轍板中，模擬半柔性組合路面的形成，得出以下結(jié)論。

(1) 半柔性組合路面的性能影響因素很多，包括瀝青混合料的制備質(zhì)量(如空隙率)、半柔性灌漿料性能(如流動(dòng)度、力學(xué)性能)和成型工藝。

(2) 丁苯乳膠粉改善了灌漿料與瀝青基料的界面性能，可以提高灌注度和灌入后的密實(shí)程度。

(3) 試驗(yàn)確定的最佳配比為水泥與硅灰比10∶1，膠砂比2∶1，水膠比0.39，丁苯乳膠粉摻量2%。制備的灌漿料抗壓強(qiáng)度84 MPa，抗折強(qiáng)度9.6 MPa，半柔性混合料抗壓強(qiáng)度14.5 MPa，抗折強(qiáng)度 5.5 MPa，均遠(yuǎn)高于《半柔性混合料用水泥基灌漿材料》(JT/T 1238—2019)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4) 該高性能灌漿料不僅可以用于道路維修養(yǎng)護(hù)中的加固補(bǔ)強(qiáng)，還可以在新修路面時(shí)，為道路設(shè)計(jì)提供全新思路，即在保證道路整體力學(xué)性能的前提下，中下面層和半柔性路面層的厚度可以有新的組合方式，使整體道路設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)可靠。