水泥灌漿半柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

田銘華，袁志祥

（1.杭州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州 311500；2.桐廬縣公路服務(wù)中心，浙江杭州 311500）

0 引言

現(xiàn)階段，國內(nèi)外使用的半柔性路面多半為灌入式半柔性路面，該路面結(jié)構(gòu)的原理是通過先將混合料制作成型，再通過灌注漿料形成復(fù)合路面。同時也特指在縫隙較大的開級配瀝青混合料中灌入流動性較好的水泥漿形成的復(fù)合路面結(jié)構(gòu)，其空隙系數(shù)通常在25%～35%，具有適應(yīng)高溫環(huán)境的能力，抗承載力遠高于傳統(tǒng)路面。本文對水泥灌漿半柔性瀝青路面進行探討，希望能夠促進瀝青路面行業(yè)發(fā)展，可以解決水泥灌漿半柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題，提升路面建設(shè)質(zhì)量。

1 半柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)

半柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)主要是內(nèi)部空洞數(shù)量較多、空隙較大的瀝青混合料，利用固定工藝和水泥膠漿相互組合形成的一種承載力更大、抗變形能力更強的復(fù)合結(jié)構(gòu)。其優(yōu)勢主要源自瀝青混合料自身的承載能力，填充水泥膠漿后可以填充內(nèi)部空洞，減少內(nèi)部應(yīng)力對整體結(jié)構(gòu)的損害，受力更加均勻。我國瀝青路面設(shè)計原理和國際上的半柔性路面大致相同，主要采用多層彈性體系為基礎(chǔ)理論，并不斷地在試驗過程中積累經(jīng)驗，優(yōu)化體系，利用復(fù)合性更強、實用性更高的設(shè)計理念形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時借助水泥路面常用的彈性地基進行融合設(shè)計，獲得更強的承載能力。從宏觀上來看，半柔性復(fù)合型路面作為一種新型的路面結(jié)構(gòu)，以往對該領(lǐng)域的研究較少，工藝技術(shù)具有不確定性，我國絕大部分路面結(jié)構(gòu)建設(shè)使用的參數(shù)都是參考傳統(tǒng)瀝青路面的相關(guān)數(shù)據(jù)，借助指標(biāo)分析原料特點，進而虛擬確定的模糊數(shù)值在應(yīng)用相關(guān)技術(shù)時，也只能通過實際實施數(shù)據(jù)進行代入反向測算平均數(shù)值。主要的工作重心是確保結(jié)構(gòu)、承載力和使用壽命，合理控制施工成本?；诖?，有針對性地建立獨立的計算方式和工作體系，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行反復(fù)驗算，主要的設(shè)計參數(shù)包括以下內(nèi)容。

1.1 強度

結(jié)構(gòu)強度和抗變形能力是半柔性路面應(yīng)用最大的優(yōu)勢，所以在實際施工過程中，提升抗變形能力和荷載能力，也是技術(shù)人員需要思考的主要問題。基于此，設(shè)計人員必須結(jié)合實際情況，提升抗壓回彈的數(shù)值，增大結(jié)構(gòu)的強度，實現(xiàn)應(yīng)有的承載能力。

1.2 破壞形式

考慮半柔性路面的極限破壞形式，要事先利用固定工藝模擬道路運行場景，通過小范圍施加重力和工藝測算，明確當(dāng)前半柔性路面的抗剪能力，找出內(nèi)部應(yīng)力的變量關(guān)系，并對比傳統(tǒng)的瀝青混合料，明確影響半柔性路面質(zhì)量的影響因素，通過歷史數(shù)據(jù)分析制定解決方案。

1.3 合理運用疲勞開裂問題

疲勞開裂是指半柔性路面在運行時受客觀因素影響或自身質(zhì)量問題出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，這類質(zhì)量問題非常常見，并且其形成原因和普通的混凝土路面基本相同；所以，在忽略相同條件下，找出數(shù)值變化較大的影響因素，避免因工藝失誤導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題?？梢酝ㄟ^遵循其原理找出結(jié)構(gòu)破損的原因，觀察裂縫寬度和變形浮動情況，明確影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素及造成結(jié)構(gòu)損傷的原因，制定合理的解決方案。

2 材料設(shè)計

灌入式復(fù)合抗車轍路面是在柔性的大孔隙瀝青混合料（孔隙率在25%～30%以上）中灌注剛性較強的復(fù)合漿體，形成復(fù)合路面，在具有瀝青路面美觀舒適的同時兼具混凝土路面的強度穩(wěn)定性。

2.1 原材料要求

2.1.1 粗集料

粗集料主要采用集料清潔度更高，表面較為粗糙，且內(nèi)部水分較少的玄武巖，參照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）實測性能。

2.1.2 細集料

細集料選用石灰?guī)r或玄武巖，使用過程中應(yīng)考慮現(xiàn)場物料厚度，以3mm為分界線，參照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）實測性能。

2.1.3 礦粉材料

礦粉應(yīng)選用以石灰石為主材料的物料，并確保其表面干燥，內(nèi)部含水量較低，內(nèi)部雜質(zhì)含量較少。但使用過程中需要注意，不能將拌和機回收的粉塵作為礦粉使用。

2.1.4 瀝青

灌入式復(fù)合路面宜采用SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足施工需求。

2.1.5 乳化瀝青黏層油

乳化瀝青黏層油主要應(yīng)用在復(fù)合抗車轍路面和下層路基面之間，利用其材料特性起到良好的防水和抗黏結(jié)作用。

2.1.6 灌漿材料

（1）灌漿材料要求

灌漿材料要選用無機膠材料，同時結(jié)合實際情況，選擇一些有機膠結(jié)料強度提升劑和抗收縮劑等輔助劑，使其性能達到預(yù)期效果。具體指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 灌漿材料技術(shù)指標(biāo)要求

（2）配合比設(shè)計

混合料配比設(shè)計時要對目標(biāo)特性進行合理分析，結(jié)合生產(chǎn)工藝和驗證流程，對現(xiàn)有的工藝進行優(yōu)化。

2.2 灌入式復(fù)合瀝青混合料目標(biāo)配合比設(shè)計

2.2.1 原材料試驗

明確固定工藝要求使用的材料，分別按照國家現(xiàn)行的各項規(guī)章制度明確質(zhì)量要求，對復(fù)合瀝青混合料進行抽樣檢測，確保質(zhì)量完好后方可投入使用。灌入式復(fù)合瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 灌入式復(fù)合瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)要求

2.2.2 基質(zhì)瀝青混合料設(shè)計方案

（1）目標(biāo)配合比設(shè)計應(yīng)嚴格遵守表2的級配要求，對不同級配進行工藝分析，選取最合適的油石比，采用馬歇爾成型試件，對其進行孔隙率、馬歇爾穩(wěn)定度測試。根據(jù)試驗結(jié)果和經(jīng)驗選擇一個作為目標(biāo)級配，并在應(yīng)用時同步分析。

（2）按照初試油石比±0.3%分別成型試件進行謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗，確定瀝青用量，并按表2進行相關(guān)檢驗。

2.2.3 灌入材料方案

灌入材料設(shè)計是依據(jù)工作經(jīng)驗和歷史數(shù)據(jù)，通過試配實驗確定灌入材料的級配組成，并要求滿足行業(yè)和國家標(biāo)準。其中，灌漿飽滿度Vg按式（1）計算：

式（1）中：Vg為灌漿飽滿度（%）；m1為灌漿前試件重量（g）；m2為灌漿后試件重量（g）；p為灌入體密度（g/cm3）；V為試件體積（cm）；Vv為基體瀝青孔隙率（%）。

2.2.4 灌入式復(fù)合路面混合料性能驗證

（1）高溫性能

半柔性瀝青路面通常具有較好的高溫穩(wěn)定性能。經(jīng)研究表明，最常用的大孔隙瀝青骨架對抗高溫性能具有極強的促進作用，通過對比多種材料和水泥灌漿瀝青混凝土之間的化學(xué)變化，明確抗變形能力的影響因素，以提升其承載能力。

（2）疲勞性能

提升半柔性路面的疲勞性可以參考傳統(tǒng)瀝青路面的研究思路，有效解決疲勞壽命過短、參數(shù)計量不準確的現(xiàn)象，具體的疲勞方程如下：

式（2）中：Nf為疲勞壽命；參數(shù)n可以從回歸方程中直接求得；參數(shù)k后可從Ln（k）的反函數(shù)中求得。

再生半柔性瀝青混合料通過力學(xué)作用，可以實現(xiàn)圖像分析技術(shù)和微觀技術(shù)的融合，明確影響疲勞性能的因素，解決再生瀝青、再生集料、水泥漿等材料的不可控質(zhì)量因素。

（3）水穩(wěn)性能

半柔性路面具有極強的抗水性能，與密集配瀝青路面相比，在部分工況下優(yōu)于上述工藝。部分專家學(xué)者通過浸水馬歇爾實驗和凍融劈裂試驗，明確AC-16材料和水泥灌漿半柔性路面之間水穩(wěn)性的差距。通過實驗發(fā)現(xiàn)，在不同時間下，水泥灌漿半柔性混合料的水穩(wěn)性要高于AC-16材料，能夠減少絕大部分損傷問題；但該半柔性路面在長期使用過程中，水泥和瀝青界面疲勞裂縫的出現(xiàn)，會使外部水源進入內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，加快質(zhì)量問題出現(xiàn)的頻率。

（4）低溫性能

由于水泥和瀝青的材料性能不同，如果不添加相關(guān)工藝形成的混合料，會彼此排斥，黏結(jié)度不足，使強度無法達到預(yù)期的承載能力，一旦出現(xiàn)溫差變化過大問題時裂縫會頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致路面無法投入使用。通過分析材料質(zhì)量比，利用灌入式復(fù)合瀝青混合料，隨著混合料配比的變化，半柔性路面及結(jié)構(gòu)強度也會隨之發(fā)生變化。如果沒有針對性地制定合適的指標(biāo)參數(shù)，不僅會大幅降低使用壽命，出現(xiàn)質(zhì)量問題的頻率也會隨之升高。通過研究發(fā)現(xiàn)，只有確保混合料配比處于絕對穩(wěn)定的數(shù)值時，現(xiàn)有的路面結(jié)構(gòu)才能具有較強的流動性和承載能力。為提升結(jié)構(gòu)強度，減少溫度影響，必須要求混合料配比絕對準確；但在實際應(yīng)用過程中，因為所需材料數(shù)量大，大面積的混合料調(diào)配很難將混合料比例固定在同一數(shù)值。因此，技術(shù)人員開始嘗試在水泥漿中加入控溫材料，以此解決溫度因素對路面結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)添加材料后，確實起到較好的降溫效果，但其技術(shù)難度較高，造價較高，很難大面積地在瀝青路面工程中應(yīng)用。經(jīng)過不斷的科學(xué)研究和實際應(yīng)用總結(jié)出的方法主要有：首先以陽離子乳化瀝青作為水泥膠漿材料，其造價較低，混合料配比波動范圍較大，在實際應(yīng)用時較好掌握。其次添加以聚乙烯醇為主的輔助劑，通過混合劑量調(diào)配實現(xiàn)應(yīng)有的結(jié)構(gòu)強度，需要技術(shù)人員調(diào)整好輔助劑的添加參數(shù)，確保其維持在指定水平。最后是以硅烷偶聯(lián)劑為代表的界面改性劑，該方法可以使有機物形成穩(wěn)定的路面結(jié)構(gòu)，從而提升結(jié)構(gòu)強度和抗變形能力。3工程案例

結(jié)合該工藝在桐廬縣2020年普通國省道養(yǎng)護大中修工程（G320）主要紅綠燈交叉口的應(yīng)用，方案為銑刨原瀝青面層后加鋪4cm SFP-13半柔性面層+8cmEME-14高模量瀝青混凝土下面層+22cm水泥穩(wěn)定碎石基層（就地再生）。在長興縣2020年普通國省道養(yǎng)護大中修工程（G104）和長興縣2020年普通國省道養(yǎng)護大中修工程（G318）中，對主要紅綠燈交叉口采用以下兩種方案。

（1）方案一：銑刨原10cm瀝青面層后加鋪4cmSMA-13瀝青瑪蹄脂上面層+6cmEME-14高模量瀝青混凝土下面層（江蘇地區(qū)推行較為成功的方案）。

（2）方案二：銑刨原12cm瀝青面層后加鋪12cmSFP-13半柔性面層（高性能灌入式復(fù)合抗車轍路面）。

上述三個路段交通量大，重載車輛多，目前，根據(jù)養(yǎng)護部門反映及現(xiàn)場調(diào)查的情況可知，使用半柔性面層鋪筑的紅綠燈交叉口路段瀝青路面質(zhì)量穩(wěn)定、平整度好、無車轍，徹底解決了重載交通下紅綠燈交叉口路段車轍處理難的問題。

4 結(jié)語

目前，國內(nèi)外對半柔性路面材料的研究較少，仍然停留在原材料調(diào)配和性能優(yōu)化上。未來，設(shè)計人員在水泥灌漿半柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)深入探討水泥漿體的性能和混合料搭配方式，明確強度提升的原理和材料特性，并結(jié)合實際工作中積累的經(jīng)驗，明確提高半柔性路面結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵點，提升道路質(zhì)量。