公路半柔性路面材料路用性能分析研究

史亞峰

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷增長，國家越來越重視道路交通的施工建設(shè)，對高等級公路路面性能的要求也越來越高。傳統(tǒng)路面主要包括瀝青和水泥路面，在外界惡劣環(huán)境的干擾下，2種路面材料均易出現(xiàn)車轍、低溫開裂等現(xiàn)象，如何有效解決傳統(tǒng)道路存在的問題成為人們關(guān)注的焦點之一。本研究提出一種半柔性路面材料，并對該材料的性能進(jìn)行測試，驗證其性能的優(yōu)劣；將其用在公路建設(shè)中，有利于提升公路施工建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 公路灌注式半柔性路面材料制備

半柔性路面材料主要由瀝青混合料及灌漿材料共同組成。本研究為驗證半柔性路面材料的性能，采用A、B型2種灌漿料完成半柔性路面材料的制備，對該路面材料進(jìn)行不同時間的養(yǎng)護(hù)，以此提升半柔性路面材料的性能，并將半柔性路面材料與3種常規(guī)瀝青路面材料進(jìn)行對比分析。3種常規(guī)瀝青路面材料包括SMA-13、AC-13C和SUP-13。

1.1 半柔性路面材料試件制備

由于灌漿材料流動性較高，需要在30 min內(nèi)將灌漿材料灌注于半柔性路面材料中。為此，本研究采用振動下滲法完成灌漿材料的灌注，并按照規(guī)范要求完成半柔性路面材料試件的制備，待制成的試件完全冷卻后，對該試件進(jìn)行脫模。為驗證半柔性路面材料的不同性能，分別制備成型馬歇爾、車轍板以及旋轉(zhuǎn)壓實等試件。試件制備完畢后，采用保鮮膜或者透明膠帶將試件的四周完全密封，僅留出一個未封閉的面進(jìn)行灌漿，該方式可有效防止試件內(nèi)漿液滲出。將試件放置于水泥振動臺上端，啟動水泥振動臺，采用邊震動邊灌漿的方式完成半柔性路面灌漿，直至漿體無明顯下滲后，關(guān)閉水泥振動臺，清理試件表面多余的漿體，使試件不受外界環(huán)境的干擾，有利于保證試驗結(jié)果的精準(zhǔn)度。試件凝固時間達(dá)一天后，將脫模后的試件放入溫度為20 ℃、濕度為90%的標(biāo)養(yǎng)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間到達(dá)規(guī)定齡期后，即為試件制備成功，對該試件進(jìn)行性能測試即可。

1.2 地聚合物灌漿量確定

為檢驗半柔性路面材料內(nèi)瀝青混合料級配的合理性，將灌注率作為檢驗瀝青混合料級配的重要指標(biāo)，同時灌注率對半柔性路面材料的性能具有重要影響。為此本研究對半柔性路面材料內(nèi)瀝青混合料的連通孔隙率進(jìn)行計算，連通孔隙率實際上指的是瀝青混合料中存在的空隙，連通孔隙率的數(shù)值可直接決定灌漿材料的體積，該數(shù)值越大，可表明瀝青混合料的可填充性能越強。半柔性路面材料內(nèi)瀝青混合料的連通孔隙率計算公式為：

(1)

式中：代表瀝青混合料的連通孔隙率；代表試件體積，cm；代表計算直徑，cm；代表試件計算高度，cm；代表密閉空隙體積，cm；代表完全干燥的試件在空氣中的質(zhì)量，kg；代表試件在水中的質(zhì)量，kg；代表水的密度，g/cm。

試件完成灌漿操作一天后，對試件表面多余的漿體進(jìn)行清理，以此保證試件表面的平整性。試件清理完畢后，完成試件灌注率的計算，其計算公式為：

(2)

式中：代表瀝青混合料的灌注率；代表清理表面不規(guī)則漿體后試件的實際質(zhì)量，g；代表瀝青混合料毛體積密度，g/cm；代表清理表面不規(guī)則漿體后試件的實際毛體積，cm；代表灌漿材料的表觀密度，g/cm。半柔性路面材料試驗結(jié)果如表1所示。

表1 半柔性路面材料試驗結(jié)果

通過對半柔性路面材料的灌注率進(jìn)行測試可知，該材料內(nèi)部瀝青混合料含有閉口空隙，對地聚合物灌漿材料的灌注具有一定影響，但是灌注率仍可達(dá)到90%。該數(shù)據(jù)表明地聚合物可提升半柔性路面材料的填充性，有利于改善半柔性路面材料的灌漿效果。

2 公路半柔性路面材料路用性能的研究

2.1 半柔性路面材料的高溫穩(wěn)定性

本研究為驗證半柔性路面材料的高溫穩(wěn)定性，利用車轍試驗對該材料進(jìn)行性能測試。在該材料高溫穩(wěn)定性試驗開始之前，應(yīng)對半柔性路面材料進(jìn)行準(zhǔn)備工作。首先完成車轍板試件的灌漿，灌漿操作完畢后，將車轍板試件靜置1 d，并完成車轍試件的脫模養(yǎng)護(hù)，直至標(biāo)準(zhǔn)齡期后，對車轍試件進(jìn)行裝模，全部準(zhǔn)備工作均完畢后，即可開始車轍試驗。試驗過程中將溫度控制在60 ℃，輪壓為0.7 MPa，SFP-13瀝青混合料車轍試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 SFP-13瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

由圖1可知，B型灌漿材料的性能最優(yōu)，2種灌漿材料的高溫性能均與標(biāo)準(zhǔn)齡期之間呈正比關(guān)系變化，隨著標(biāo)準(zhǔn)齡期的不斷增長，可使材料的高溫性能得到改善。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因：齡期的增加可使材料強度不斷增長，有利于試驗初期減小車轍的深度，并提高半柔性路面材料的動穩(wěn)定度。在試驗后期的地聚合物強度的增長速度逐漸放緩，此時材料的動穩(wěn)定度趨于穩(wěn)定狀態(tài)。采用對比分析的方式對半柔性路面材料和常規(guī)瀝青路面材料進(jìn)行比較可知，半柔性路面材料的性能明顯優(yōu)于普通材料，當(dāng)試驗齡期達(dá)到7 d時，該材料的動穩(wěn)定度超過常規(guī)材料的2倍，由此可證明半柔性路面材料的高溫穩(wěn)定性符合試驗要求。由于半柔性路面材料內(nèi)灌注了地聚合物灌漿材料，可有效填補半柔性路面材料間存在的孔隙。隨著灌漿材料的不斷灌入，使半柔性路面材料的結(jié)構(gòu)更加密實，有利于降低半柔性路面材料對溫度的敏感性，通過該方式即可提升半柔性路面材料的抗高溫變形能力。

2.2 半柔性路面材料低溫抗開裂性

本研究為驗證半柔性路面材料的低溫抗開裂性，利用低溫小梁彎曲試驗對該材料進(jìn)行性能測試。在試驗開始之前，應(yīng)對半柔性路面材料進(jìn)行準(zhǔn)備工作。首先完成低溫小梁彎曲試件的灌漿，等待試件靜置1 d后，將其切割成多個試件，對其進(jìn)行脫模養(yǎng)護(hù)。全部準(zhǔn)備工作均完畢后，即可開始低溫小梁彎曲試驗。試驗的溫度應(yīng)控制在-10 ℃、加載速率為50 mm/min；SFP-13瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 SFP-13瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結(jié)果

由圖2可知，B型灌漿材料的性能最優(yōu)，兩種灌漿材料的低溫抗開裂性均與標(biāo)準(zhǔn)齡期之間呈正比關(guān)系變化，隨著標(biāo)準(zhǔn)齡期的不斷增長，可使材料的低溫抗開裂性得到改善。采用對比分析的方式對半柔性路面材料和常規(guī)瀝青路面材料進(jìn)行比較可知，半柔性路面材料的抗彎拉強度較強、最大彎拉應(yīng)變能力遜于常規(guī)瀝青路面材料，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因：半柔性路面材料內(nèi)部含有較高含量的地聚合物，該地聚合物實際上是一種剛性材料，將地聚合物應(yīng)用于半柔性路面材料的制備，可有效提高半柔性路面材料的可填充性以及剛度。隨著半柔性路面材料剛度的不斷增強，在一定程度上可降低該材料的變形能力，使該材料在低溫環(huán)境下易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；但是B型灌漿材料屬于一種有機聚合物乳液，該材料在性質(zhì)方面趨近于瀝青，可與瀝青混合料之間充分融合。由此可知，B型灌漿材料的界面強度優(yōu)于A型。

2.3 半柔性路面材料的水穩(wěn)定性

本研究為驗證半柔性路面材料的水穩(wěn)定性，利用浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗對該材料進(jìn)行性能測試。在測試開始前，對灌漿后的試件養(yǎng)護(hù)至標(biāo)準(zhǔn)齡期。由測試結(jié)果可知，該材料的殘留穩(wěn)定度高達(dá)100%，可滿足設(shè)計要求，主要原因：將試件置于溫度為60 ℃的水中浸泡，試件中地聚合物在高溫環(huán)境下快速反應(yīng)，試件表面出現(xiàn)凝結(jié)硬化現(xiàn)象，由此提升該試件的殘留穩(wěn)定度。隨著齡期的不斷增長，在一定程度上可提高試件的水穩(wěn)定性。通過對試件的凍融劈裂強度比進(jìn)行分析可知，將材料放置于冰箱內(nèi)存儲18 h，地聚合物的強度不斷增長，這有利于提高該材料的水穩(wěn)定性。綜合半柔性路面材料水穩(wěn)定性能的2項指標(biāo)，在后期對半柔性路面材料進(jìn)行制備時，為最大限度地提升半柔性路面材料的水穩(wěn)定性，應(yīng)保證灌漿量的充足。

3 結(jié)語

本研究對半柔性路面材料和常規(guī)瀝青路面材料進(jìn)行比較可知，半柔性路面材料的性能明顯優(yōu)于普通材料。半柔性路面材料具有良好的灌注性能、水穩(wěn)定性以及抗高溫變形等性能，將該材料應(yīng)用于實際路面施工建設(shè)中，有利于提升路面施工的整體經(jīng)濟(jì)效益。