灌注式水泥-開(kāi)級(jí)配瀝青混合料變形與疲勞性能研究

張發(fā)秀,劉國(guó)坤，曾亞林

(1.青海興太工程咨詢有限公司，青海 西寧 810000；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

1 概述

開(kāi)級(jí)配瀝青混合料通常指由粗集料嵌擠組成，細(xì)集料較少，壓實(shí)后空隙率≥18%的瀝青混合料，具有減少反射裂縫，以及快速排水的優(yōu)勢(shì)，主要在柔性基層或舊路加鋪改造的下面層中應(yīng)用[1-2]。然而隨著交通量的增大和車輛軸重的增加，普通開(kāi)級(jí)配瀝青路面暴露出車轍變形較大、耐久性不足等弊端。灌注式水泥-開(kāi)級(jí)配瀝青混合料是一種新型路面結(jié)構(gòu)材料，它是在具有開(kāi)級(jí)配的瀝青混合料基體骨架材料壓實(shí)后，灌注水泥漿填充骨料之間的空隙，逐漸凝結(jié)硬化，從而兼具水泥和瀝青各自的特征，較一般開(kāi)級(jí)配瀝青混合料具有更強(qiáng)的耐久性[3]。

對(duì)瀝青路面進(jìn)行水泥灌注的方法較早在日本得到了廣泛應(yīng)用，該種路面每年可鋪筑20多萬(wàn)m2，日本還提出了針對(duì)此路面結(jié)構(gòu)計(jì)算方法[4-5]。我國(guó)對(duì)于半柔性水泥灌漿路面的研究近年來(lái)逐步增加，具有代表性的研究有：程磊[6]針對(duì)半柔性瀝青路面的水泥膠漿配合比，用SPSS軟件進(jìn)行均勻試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，并且用水泥漿流動(dòng)性和強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)來(lái)計(jì)算確定最佳水泥膠漿性能的水灰比、砂含量和礦粉含量等。凌天清[7]等在水泥漿中加入了BD乳液，最后給出了改性灌注聚合物改性水泥膠漿瀝青路面材料的配比，發(fā)現(xiàn)在加入聚合物改性水泥膠漿后，灌漿半柔性路面材料的路用性能得到了很大的提高。丁慶軍[8]等指出灌漿路面的工作性能很大程度上受到母體瀝青混合料體積參數(shù)的影響，母體空隙率越大，灌漿瀝青路面的性能越好。

上述研究對(duì)灌注式瀝青混合料的研究主要針對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)長(zhǎng)期變形和疲勞性能的研究報(bào)道較少，而且瀝青混合料集料一般采用天然巖石，但是隨著資源保護(hù)觀念的增強(qiáng)，天然巖石骨料的稀缺性問(wèn)題日益凸顯[9-10]，關(guān)于天然巖石骨料替代品的研究具有重要意義。本文嘗試研究灌注式瀝青混合料的疲勞性能，制備了天然巖石、過(guò)燒磚、再生混凝土3種骨料的灌注式開(kāi)級(jí)配瀝青混合料試件，開(kāi)展了不同試件初始空隙率下的車轍試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，分析了車轍深度、疲勞壽命等指標(biāo)的變化規(guī)律，從長(zhǎng)期性能角度探討不同骨料類型的優(yōu)劣。

2 試驗(yàn)原材料與制樣

2.1 試驗(yàn)材料

本文使用了3種類型的骨料，分別為天然碎石骨料、過(guò)燒磚碎骨料和再生混凝土骨料，其中過(guò)燒磚碎骨料是制磚業(yè)的廢料，燒成溫度過(guò)高，存在彎曲變形，磚的尺寸極不規(guī)整，一般不在建筑行業(yè)中使用；再生混凝土則來(lái)自某使用10余a的房屋結(jié)構(gòu)，3種骨料壓碎值分別為13.4%、28.9%和18.9%。本文使用瀝青黏合劑基本性質(zhì)如表1所示。

表1 瀝青的性能指標(biāo) Table 1 Performance index of asphalt類別比重/(kg·m-3)針入度/mm軟化點(diǎn)/℃延度/mm初始1.1827052>100老化1.1856654>100

用于灌注的水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，初凝和終凝時(shí)間分別為25和260 min，其3 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間下抗壓強(qiáng)度為27.61 MPa，28 d養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)下抗壓強(qiáng)度50.27 MPa。

2.2 試樣制備

按表2所示的集料配比，嘗試配置18%、21%和24%這3種空隙率(AV)的開(kāi)級(jí)配瀝青混合料。采用輪碾法制作瀝青混合料試件，試件為長(zhǎng)300 mm、寬300 mm、厚50 mm的板塊狀試件，將試模預(yù)熱，將拌和好的開(kāi)級(jí)配瀝青混合料用小鏟稍加拌和后轉(zhuǎn)入試模，中部略高于四周，試樣成型前將碾壓輪預(yù)熱至100 ℃，啟動(dòng)輪碾機(jī)，先在1個(gè)方向碾壓兩個(gè)往返，卸荷后抬起碾壓輪，將試件調(diào)整方向，再加相同荷載碾壓至馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)密實(shí)度(100±1)%為止。壓實(shí)成型后，放在室溫下冷卻18 h后再脫模。最終配置樣品的性質(zhì)如表3所示。

表2 瀝青混凝土集料的配比Table 2 The ratio of asphalt concrete aggregates篩孔尺寸/mm累計(jì)通過(guò)質(zhì)量百分比/%碎石瀝青混合料碎磚和碎再生混凝土瀝青混合料18%AV21%AV24%AV18%AV21%AV24%AV19 10010010010010010013.2——————12.58585858585859.57570657065604.751010101010102.365555551.18——————0.6——————0.3——————0.15——————0.075222222

注漿時(shí)，原始試樣用膠帶纏繞，下部用聚乙烯密封，上部開(kāi)口，進(jìn)行振動(dòng)灌注，殘留在表面的多余漿液在灌注完成后擦除，圖1為灌注前后切割瀝青混合料的照片。漿液水灰比為0.5，圖2為不同初始空隙率混合料注漿后的微觀結(jié)構(gòu)圖，區(qū)域“A”表示集料周邊的瀝青黏合劑覆蓋區(qū)域，而區(qū)域“B”表示開(kāi)級(jí)配混合料中的水泥漿填充區(qū)域，并不是所有的初始空隙都會(huì)被漿液填充，因此所有試件都會(huì)存在殘余空隙率，區(qū)域“C”即代表未被漿液填充的區(qū)域。可以看出，初始空隙率越大，填充到混合物空隙中的水泥漿越多，骨料/水泥漿和瀝青/水泥漿2個(gè)比值將隨著空隙率的增大而減小。

表3 試件基本性質(zhì)Table 3 Basic properties of specimens瀝青混合料類型目標(biāo)空隙率/%瀝青含量/%實(shí)際空隙率/%抗壓強(qiáng)度/MPa18±0.53.218.381.56開(kāi)級(jí)配碎石瀝青混合料(OGSA)21±0.53.421.161.4824±0.53.223.991.4218±0.55.218.141.12開(kāi)級(jí)配碎過(guò)燒磚瀝青混合料(OGOBA)21±0.55.621.341.0824±0.55.223.881.0218±0.54.418.311.32開(kāi)級(jí)配碎再生混凝土瀝青混合料(OGRCA)21±0.54.421.151.2424±0.54.223.841.17

圖1 開(kāi)級(jí)配瀝青混合料注漿前后對(duì)比Figure 1 Comparison of open-graded asphalt mixturebefore and after grouting

(a)AV=18%

(b)AV=21%

(c)AV=24%

3 試驗(yàn)方案

3.1 車轍試驗(yàn)

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[11]，對(duì)機(jī)械碾壓成型的長(zhǎng)300mm、寬300 mm、厚50 mm的板塊狀試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，開(kāi)動(dòng)車轍變形自動(dòng)記錄儀，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，使試驗(yàn)輪往返行走，當(dāng)最大變形達(dá)到25 mm時(shí)停止試驗(yàn)。本文車轍試驗(yàn)還考慮的溫度和濕度的影響，溫度設(shè)置了30 ℃和60 ℃的2種工況，相對(duì)濕度設(shè)置了40%(干)和80%(濕)的2種工況。

3.2 疲勞試驗(yàn)

參照上述試驗(yàn)規(guī)程，將輪碾成型的瀝青混合料試件切割成長(zhǎng)380 mm、厚50 mm、寬63 mm的小梁試件，利用疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)定壓實(shí)瀝青混合料的疲勞壽命，其中試驗(yàn)溫度控制在15 ℃左右，加載頻率為10 Hz，恒定的應(yīng)變控制在500×10-6，至少進(jìn)行10 000次重復(fù)加載。與一般熱拌瀝青疲勞試驗(yàn)不同(加載至彎曲勁度模量降低至初始值的50%)，本文中，當(dāng)彎曲勁度模量降低至初始值的10%時(shí)，試驗(yàn)終止，并記錄相應(yīng)的加載次數(shù)為疲勞壽命，因?yàn)楸疚脑嚰娜渥冎芷诟L(zhǎng)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由于篇幅有限，本文只展示了部分試件的車轍試驗(yàn)結(jié)果，圖3為未注漿OGSA試件車轍深度與加載次數(shù)的關(guān)系?？梢钥闯觯瑢?duì)于未注漿試件，隨著加載次數(shù)增加，對(duì)于空隙率較大的OGSA試件，車轍深度線性增加，而對(duì)于空隙率較小的OGSA試件，車轍增長(zhǎng)速率越來(lái)越大。隨著空隙率的增加，到達(dá)同一車轍深度所需的加載次數(shù)越來(lái)越少。

同時(shí)，可以看出濕度和溫度環(huán)境對(duì)車轍試驗(yàn)的結(jié)果也有顯著影響。例如AV=24%時(shí)，干環(huán)境、30 ℃條件下試件到達(dá)12 mm車轍深度所需的加載次數(shù)約9 500次，而濕環(huán)境、30 ℃條件下只需要加載6 000次左右，干環(huán)境、60 ℃條件下只需要加載7 500次左右。由此可見(jiàn)，未注漿試件抵抗變形的能力對(duì)濕度和溫度變化是十分敏感的。

圖3 未注漿試件車轍深度與加載次數(shù)的關(guān)系Figure 3 Relationship between rutting depth and loading times for ungrouted samples

圖4為注漿OGSA試件車轍深度與加載次數(shù)的關(guān)系(60 ℃環(huán)境下)，圖中對(duì)照試件為密級(jí)配瀝青混合料試件。對(duì)于注漿試件，車轍深度-加載次數(shù)關(guān)系全線的形態(tài)發(fā)生的變化，在加載次數(shù)>2 000次后，車轍深度的增加速率放緩。與未注漿試件不同，注漿試件抵抗車轍變形的能力大大增強(qiáng)，以AV=21%為例，注漿試件在干環(huán)境、60 ℃下，加

圖4 注漿試件車轍深度與加載次數(shù)的關(guān)系Figure 4 Relationship between rutting depth and loading times for grouted sample

載次數(shù)20 000次時(shí)，車轍深度僅為2 mm左右，而未注漿試件在同條件下只需要加載1 800次左右即產(chǎn)生了2 mm的車轍深度。同時(shí)，還可以看出，密級(jí)配對(duì)照試件的抗變形能力是遠(yuǎn)強(qiáng)于開(kāi)級(jí)配試件的，但是比注漿試件略差，這體現(xiàn)了注漿開(kāi)級(jí)配瀝青混合料抗車轍變形的優(yōu)勢(shì)。

值得指出的是，試件原空隙率越大，注漿后反而抵抗車轍變形能力越強(qiáng)，這是因?yàn)榭障堵试酱笠馕吨嗨酀{填充，而且注漿試件對(duì)于干濕環(huán)境敏感性也有所下降。表4為所有試件車轍試驗(yàn)結(jié)果。

表4 車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Rutting test results類型AV%不同條件下的車轍比/(mm·h-1)不同條件下的動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)30 ℃,干30 ℃,濕60 ℃,干60 ℃,濕30 ℃,干30 ℃,濕60 ℃,干60 ℃,濕180.4830.6500.6220.9036 0214 4074 6833 133OGSA210.4350.5960.5480.8267 2284 9695 0753 346240.3710.5270.5070.7628 8675 95554003 730180.5900.7440.7190.9745 5073 9803 9872 956OGOBA210.5450.7130.6710.9295 8534 0414 0623 046240.5250.6880.6640.9176 9834 4584 1203 247180.5320.6920.6630.9225 8124 1064 2213 027OGRCA210.4850.6750.6210.9016 2944 1494 6583 122240.4340.5740.5470.8177 1655 7365 1373 563

從表4可以看出，采用天然碎石作為骨料時(shí)，注漿瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最高，其次為采用碎再生混凝土骨料，再次為采用碎過(guò)燒磚骨料，動(dòng)穩(wěn)定度也與初始空隙率成正比。

各類試件抗壓強(qiáng)度、注漿后殘余空隙率和車轍比三者的關(guān)系如圖5所示，其中車轍比定義為車轍深度與加載次數(shù)對(duì)數(shù)值之間的比值，該值越小，表明抵抗車轍變形的能力越強(qiáng)?？梢钥闯鲈嚰箟簭?qiáng)度與車轍比成反比(R2=0.80)，說(shuō)明注漿瀝青混合料抗壓強(qiáng)度越大抵抗變形的能力越強(qiáng)，而殘余空隙率與車轍比成正比，但相關(guān)性較低(R2=0.64)。

圖5 抗壓強(qiáng)度和殘余空隙率與車轍比的關(guān)系Figure 5 Relationship between compressive strength，residual air voidage and rutting rate

4.2 疲勞試驗(yàn)

圖6 OGSA的疲勞性能曲線Figure 6 Fatigue test results of OGSA samples

圖7 OGOBA的疲勞性能曲線Figure 7 Fatigue test results of OGRCA samples

圖8 OGRCA的疲勞性能曲線Figure 8 Fatigue test results of OGRCA sample

圖6、圖7、圖8分別為通過(guò)疲勞試驗(yàn)得出的OGSA、OGOBA和OGRCA的疲勞性能曲線。可以看出，未注漿試件的抗疲勞性能遠(yuǎn)低于對(duì)照密級(jí)配試件，但注漿后抗疲勞性能明顯優(yōu)化，所有注漿試件的抗疲勞性能都優(yōu)于對(duì)照組試件，以AV=24%為例，相對(duì)于對(duì)照組試件的疲勞壽命，注漿后OGSA的疲勞壽命增加了143.55%，而OGOBA和OGRCA樣品分別增加了116.87%和130.91%。初始空隙率越大，注漿試件抗疲勞性能越好，這也是由于空隙率增大導(dǎo)致更多的水泥填充，同時(shí)可以看出注漿OGSA的疲勞壽命高于另外2種注漿瀝青混合料。

圖9分析了各類試件疲勞壽命(疲勞加載次數(shù))的影響因素，可以看出抗壓強(qiáng)度和殘余空隙率與其疲勞性能有高度的相關(guān)性，其中抗壓強(qiáng)度與疲勞壽命成正比(R2=0.97)， 殘余空隙率與疲勞壽命成反比(R2=0.84)，其規(guī)律與車轍比有相似性。

4.3 灌注質(zhì)量比對(duì)車轍和疲勞性能的影響

圖10顯示了各類試件20 000次加載時(shí)車轍深度、疲勞壽命與注漿比的關(guān)系，其中注漿比被定義為灌注水泥漿質(zhì)量與瀝青質(zhì)量的比值?？梢钥闯鲎{比與疲勞壽命的相關(guān)性更加明顯，R2值為0.81，而與車轍深度的R2值僅為0.53。說(shuō)明瀝青黏合劑含量在影響注漿瀝青混合料疲勞壽命方面也起著關(guān)鍵作用。

圖9 殘余空隙率和抗壓強(qiáng)度與疲勞壽命的關(guān)系Figure 9 Relationship between compressive strength,residual air voidage and fatigue life

圖10 灌注質(zhì)量比對(duì)疲勞壽命和車轍深度的影響Figure 10 Effect of grouting mass ratio on fatigue life and rutting depth

5 工程應(yīng)用

在青海省某高速公路建設(shè)了約600 m的灌注式瀝青混合料路面試驗(yàn)段，分別采用了3種瀝青骨料，各鋪設(shè)200 m，在160 ℃～185 ℃溫度下對(duì)母體瀝青混合料進(jìn)行拌合，根據(jù)規(guī)定的密實(shí)度和平整度，用壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，待瀝青混合料整體溫度下降至 45 ℃左右，利用灌注機(jī)進(jìn)行水泥漿灌注，灌注完成后，用輕型振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓至平整。在2019年11月—2020年4月，對(duì)試驗(yàn)段路面的指標(biāo)進(jìn)行了跟蹤檢測(cè)，結(jié)果如表5所示。

表5 路面指標(biāo)變化檢測(cè)記錄Table 5 Detection record of surface index variation日期OGSA料OGOBA料OGRCA料車轍深度指數(shù)RDI橫向力系數(shù)SFC60構(gòu)造深度TC/mm車轍深度指數(shù)RDI橫向力系數(shù)SFC60構(gòu)造深度TC/mm車轍深度指數(shù)RDI橫向力系數(shù)SFC60構(gòu)造深度TC/mm2019年11月93.561.21.0285.554.20.8784.955.10.932019年12月93.160.91.0285.053.90.8684.055.00.932020年1月92.860.81.0183.853.80.8683.454.80.912020年2月91.860.30.9982.853.80.8482.954.80.912020年3月91.660.10.9882.353.60.8482.654.70.902020年4月91.559.80.9882.053.60.8382.154.50.90

從表5可以看出，采用水泥注漿后，OGSA路面的RDI、SFC60、TC指標(biāo)最佳，其次為OGRCA路面，再次為OGOBA路面。3種骨料瀝青路面的性能隨時(shí)間的變化都不明顯，具有較好的抗變形和抗疲勞性能，但是OGOBA采用了過(guò)燒磚作為骨料，其強(qiáng)度偏小，骨料壓碎值大于28%，參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)[12]，在高速公路和一級(jí)公路中應(yīng)慎用。

6 結(jié)論

本研究對(duì)不同空隙率下灌注式水泥-開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的變形和疲勞性能進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

a.開(kāi)級(jí)配試件注漿后，抵抗車轍變形的能力大大增強(qiáng)，甚至強(qiáng)于密級(jí)配對(duì)照試件，這體現(xiàn)了灌注式水泥-開(kāi)級(jí)配瀝青混合料抗車轍變形的優(yōu)勢(shì)。

b.未注漿試件的抗疲勞性能遠(yuǎn)低于對(duì)照密級(jí)配試件，但注漿后抗疲勞性能明顯優(yōu)化，所有注漿試件的抗疲勞性能都優(yōu)于對(duì)照組試件，初始空隙率越大，注漿試件抗疲勞性能越好。

c.試件的抗壓強(qiáng)度和殘余空隙率與其車轍比和疲勞壽命有高度的相關(guān)性，其中抗壓強(qiáng)度與車轍比成反比、與疲勞壽命成正比，殘余空隙率與車轍比成正比、與疲勞壽命成反比。

d.從骨料類型影響來(lái)看，采用天然碎石作為骨料時(shí)，注漿瀝青混合料的抗變形和抗疲勞性能最佳，其次為采用碎再生混凝土骨料，再次為采用碎過(guò)燒磚骨料。

e.根據(jù)試驗(yàn)段路面檢測(cè)結(jié)果，采用水泥注漿后，3種骨料瀝青路面的性能隨時(shí)間的衰變都不明顯，具有較好的抗變形和抗疲勞性能。但是OGOBA采用了過(guò)燒磚作為骨料，其強(qiáng)度偏小，在高速公路和一級(jí)公路中應(yīng)慎用。