灌入式半柔性路面抗車轍性能研究

王 濤，李成棟，彭浩然，譚洋洋，于 新

(1.山東路易達(dá)交通科技有限公司 臨沂市 276000； 2.臨沂市城市道路管理處 臨沂市 276000；3.河海大學(xué) 南京市 210098)

灌入式半柔性路面作為道路車轍病害的新處治方法，是在大空隙瀝青混合料路面中灌注水泥基材料，形成的一種半柔半剛性路面[1]。重點(diǎn)研究不同空隙率下的灌入式半柔性路面在不同溫度、不同荷載條件下的抗車轍性能[2]，并與傳統(tǒng)SMA-13路面材料比較，結(jié)合研究結(jié)論提出更合理的評價指標(biāo)。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 材料

為研究灌入式半柔性路面材料性能，首先要制備大空隙瀝青混合料后再進(jìn)行灌漿料的灌注，大空隙瀝青混合料在試驗(yàn)室拌和，原材料有SBS改性瀝青、玄武巖粗集料(10～15mm、5～10mm)、石灰?guī)r細(xì)集料(0～3mm)、礦粉，所有材料性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的技術(shù)要求。水泥基灌漿料的基本性能滿足表1要求，根據(jù)研究，大空隙瀝青混合料作為母體混合料，推薦空隙率范圍為15%～30%，因此級配設(shè)計(jì)如表2所示，最佳油石比如表3所示。SMA-13瀝青混合料設(shè)計(jì)也按規(guī)范要求進(jìn)行。

表1 水泥基灌漿材料性能檢測結(jié)果

表2 瀝青混合料級配設(shè)計(jì)

表3 瀝青混合料最佳油石比結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

目前并沒有規(guī)范的試驗(yàn)方法來評價灌入式半柔性路面材料的路用性能，相關(guān)研究認(rèn)為灌入式半柔性路面材料偏于柔性[3]，因此，采用瀝青混合料車轍試驗(yàn)來評價灌入式半柔性路面的高溫抗車轍性能。

眾多研究表明，動穩(wěn)定度能較好地反映瀝青路面在高溫季節(jié)抵抗形成車轍的能力。一般情況下，車轍試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為60℃，輪壓為0.7MPa，本研究考慮到灌入式半柔性路面所應(yīng)用環(huán)境一般為重載高溫路段，因此還考慮不同溫度條件下(60℃、65℃、70℃、75℃、80℃)的車轍試驗(yàn)和不同荷載條件下(0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa、1.3MPa、1.4MPa)的車轍試驗(yàn)。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的瀝青混合料試件制作方法(輪碾法)制備車轍試件，成型后用馬歇爾試模輕輕來回碾壓整平試件。待試件冷卻后用透明塑料布對試塊進(jìn)行包裹，并用膠帶進(jìn)行綁扎處理完畢后進(jìn)行灌漿處理。將車轍板試件養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行車轍試驗(yàn)。

2 抗車轍性能研究分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的車轍試驗(yàn)

選取瀝青混合料空隙率分別為15%、20%、25%和30%的灌入式半柔性路面材料進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)，灌漿材料的養(yǎng)護(hù)齡期為28d。灌入式半柔性路面材料的車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 灌入式半柔性路面材料和SMA-13混合料的動穩(wěn)定度

由圖1可知，灌入式半柔性路面材料的動穩(wěn)定度明顯高于SMA-13瀝青混合料，當(dāng)空隙率為20%～30%時，灌入式半柔性路面的動穩(wěn)定度約為SMA混合料的5～6.5倍，高溫抗車轍性能明顯提高。分析原因認(rèn)為由于剛性灌漿料的灌入，因此灌入式半柔性路面的剛度變大，改變了大空隙瀝青混合料的結(jié)構(gòu)形式，車輛荷載作用下具有較強(qiáng)的抗車轍性能。

為分析灌入式半柔性路面抗車轍性是否是由于灌漿料的增加而提高的論點(diǎn)，本項(xiàng)目對不同空隙率下的灌入式半柔性路面材料進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量試驗(yàn)，灌入式半柔性路面材料的齡期為28d，灌漿材料抗壓強(qiáng)度為40MPa，試件的規(guī)格為直徑100mm±2.0mm，高度為100mm±2.0mm，加載速率為2mm/min，結(jié)果如表4所示。并對動穩(wěn)定度和抗壓回彈模量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表5所示。

表4 不同空隙率灌入式復(fù)合路面材料

表5 動穩(wěn)定度和抗壓回彈模量的相關(guān)性分析

結(jié)果表明，不同空隙率下的動穩(wěn)定度和灌入式半柔性路面抗壓回彈模量線性相關(guān)系數(shù)為0.994，大于置信區(qū)間系數(shù)0.95，表明灌入式半柔性路面的抗車轍性能是由于灌漿料的增加，使得荷載作用下半柔性路面的抗壓強(qiáng)度增加而引起的。

2.2 不同溫度條件下的車轍試驗(yàn)

普通車轍試驗(yàn)溫度一般為60℃，本項(xiàng)目考慮灌入式半柔性路面多用于抗車轍道路，路面溫度較高的情況，因此將研究中的試驗(yàn)溫度變?yōu)?0℃、65℃、70℃、75℃、80℃，加載輪壓為0.7MPa，模擬得到不同溫度下的車轍試驗(yàn)，動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同溫度條件下灌入式半柔性路面材料動穩(wěn)定度

從圖2可以看出，隨著試驗(yàn)溫度的提升，灌入式半柔性路面的動穩(wěn)定度下降，表明灌入式半柔性路面的抗車轍性能隨路面溫度的升高而降低。對于空隙率為15%和20%的灌入式半柔性路面，當(dāng)路面溫度小于75℃時，動穩(wěn)定度下降不明顯，僅為11.47%和11.54%?？障堵蕿?5%和30%時，動穩(wěn)定度下降率分別僅為9.7%和8.9%。為分析溫度對動穩(wěn)定度的影響程度，對不同空隙率下的溫度和動穩(wěn)定度進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)а為0.95，結(jié)果如表6。

表6 不同空隙率下的溫度和動穩(wěn)定度相關(guān)性分析

由表6可知，溫度與灌入式半柔性路面的相關(guān)系數(shù)均小于0.95的顯著水平，表明溫度對半柔性路面的影響不顯著。這是由于灌漿料的灌入改變了灌入式半柔性路面的柔性流變特性，隨著空隙率的增加，“剛性”越來越明顯，因此不受溫度的影響。

2.3 不同荷載條件下的車轍試驗(yàn)

由于灌入式半柔性路面多用于重載路段，因此考慮加載輪壓為0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa、1.3MPa、1.4MPa，得到的不同荷載條件下車轍動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見圖3所示。

圖3 不同荷載條件下灌入式半柔性路面材料動穩(wěn)定度

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著加載壓力的增大，不管何種大空隙瀝青混合料空隙率條件下，其動穩(wěn)定度都呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，表明灌入式半柔性路面抵抗車轍變形的能力在下降，但其動穩(wěn)定度值均大于10000次/mm，表明灌入式半柔性路面在重載條件下依舊具有良好的抗車轍性能。

2.4 基于壓實(shí)變形的動穩(wěn)定度修正

根據(jù)研究結(jié)果可知，灌入式半柔性路面的動穩(wěn)定度都在10000次/mm以上，已有研究表明，當(dāng)材料的動穩(wěn)定度≥10000次/mm時，直接通過我國現(xiàn)行車轍試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的動穩(wěn)定度與平滑法處理得出的數(shù)據(jù)有較大偏差，而且車轍試驗(yàn)時次數(shù)對應(yīng)的車轍深度應(yīng)綜合考慮混合料的壓密變形和固結(jié)變形的總量。

動穩(wěn)定度試驗(yàn)時，忽略了壓實(shí)過渡期的變形，因壓實(shí)過渡期變形也屬于永久變形，最終也會直觀地反映為在路面上形成車轍。在對灌入式半柔性路面動穩(wěn)定度的測試過程中發(fā)現(xiàn)，灌入式半柔性路面的車轍深度主要產(chǎn)生在碾壓前45min，45min后的車轍深度基本趨于穩(wěn)定，即在隨后的15min碾壓過程中，灌入式半柔性路面混合料的永久變形量變化不大。由此計(jì)算出灌入式半柔性路面的車轍動穩(wěn)定度偏大，因此對車轍試驗(yàn)的動穩(wěn)定度應(yīng)綜合考慮混合料的壓密變形和固結(jié)變形的總量。為使車轍試驗(yàn)更好地評價灌入式半柔性路面抗車轍性能，對動穩(wěn)定度進(jìn)行修正，結(jié)果如下：

(1)

式中：C—試件的穩(wěn)定度修正指數(shù)，次/mm2；

d1—車轍試驗(yàn)中試件在45min(t1)時的變形大小，mm；

d2—車轍試驗(yàn)中試件在60min(t2)時的變形大小，mm；

C1，C2——試驗(yàn)機(jī)修正系數(shù)。

按照上式重新計(jì)算修正的動穩(wěn)定度，并采用MTS810試驗(yàn)機(jī)測試灌入式半柔性路面的勁度模量指標(biāo)，該指標(biāo)能更準(zhǔn)確體現(xiàn)灌入式半柔性路面的抗車轍性能，得到的試驗(yàn)結(jié)果見表7所示。

表7 不同空隙率灌入式半柔性路面測試結(jié)果

通過繪制動穩(wěn)定度和穩(wěn)定度修正指數(shù)與勁度模量的關(guān)系，并進(jìn)行線性回歸，得出關(guān)系曲線如圖4。

圖4 綜合穩(wěn)定指數(shù)、動穩(wěn)定度與勁度模量關(guān)系

從圖4以看出，綜合穩(wěn)定指數(shù)與車轍動穩(wěn)定度變化趨勢一致，都是隨著空隙率的增大而逐漸增大；同時綜合穩(wěn)定指數(shù)和車轍動穩(wěn)定度與勁度模量呈現(xiàn)線性關(guān)系，其中動穩(wěn)定度與勁度模量的相關(guān)系數(shù)為0.9242，綜合穩(wěn)定指數(shù)與勁度模量的相關(guān)系數(shù)為0.9940，說明采用綜合穩(wěn)定指數(shù)比現(xiàn)有基礎(chǔ)上車轍試驗(yàn)得到的動穩(wěn)定度評價混合料的高溫穩(wěn)定性更加合理。

3 結(jié)論

灌入式半柔性路面動穩(wěn)定度是SMA-13混合料動穩(wěn)定度的5～6.5倍，具有優(yōu)越的抗車轍性能，且隨著母體大空隙瀝青混合料空隙率增大，高溫抗車轍性能不斷提高，數(shù)據(jù)分析表明灌入式半柔性路面的抗車轍性能主要是由于灌漿料的貢獻(xiàn)。溫度對于灌入式半柔性路面的抗車轍性能沒有顯著的影響，而荷載影響顯著?？紤]壓實(shí)變形后的動穩(wěn)定度修正系數(shù)比動穩(wěn)定度指標(biāo)評價灌入式半柔性路面混合料的高溫穩(wěn)定性能更合理。