乳化瀝青對(duì)半柔性路面材料的抗疲勞性能影響分析

梁遐意

（深圳市政府投資項(xiàng)目評(píng)審中心，廣東深圳 518036）

引言

半柔性路面是在大空隙瀝青混合料基體中灌入水泥砂漿，形成一種剛?cè)峤Y(jié)合的路面結(jié)構(gòu)，具有高溫穩(wěn)定性強(qiáng)、行車(chē)舒適，耐磨性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[1-4]。由于水泥砂漿與瀝青混合料基體體積穩(wěn)定性差異大，導(dǎo)致半柔性路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部易發(fā)生疲勞破壞而影響其使用壽命。其中水泥砂漿作為半柔性路面不可或缺的一部分，對(duì)其抗疲勞性能具有至關(guān)重要的影響，可通過(guò)水泥砂漿外摻劑的種類(lèi)和摻量改善水泥砂漿的力學(xué)性能，進(jìn)而提高半柔性路面材料的抗疲勞性能。目前關(guān)于半柔性路面水泥砂漿性能研究已有一些研究成果。丘愉莊,蔡旭等[5]采用半圓彎拉試驗(yàn)研究分析了聚乙烯醇纖維砂漿對(duì)半柔性路面材料自愈合耐久性能影響。包歡,包惠明等[6]設(shè)計(jì)不同鎢渣摻量的水泥砂漿，探索其對(duì)半柔性路面的水穩(wěn)性能影響。王黎明，雋海文[7]研究苯丙乳液對(duì)灌入式半柔性路面材料的性能影響規(guī)律。王端宜等[8]研究分析了羧基丁苯乳膠對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能和半柔性路面路用性能影響。

為提高半柔性路面抗疲勞性能，本文選定乳化瀝青為水泥砂漿外摻劑，制備特殊型水泥砂漿，以改善水泥砂漿流動(dòng)性能、強(qiáng)度及收縮性能，采用間接拉伸疲勞試驗(yàn)研究乳化瀝青對(duì)半柔性路面抗疲勞性能影響，為半柔性路面的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 材料

本試驗(yàn)原材料性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

2 特殊型水泥砂漿

參照日本道路協(xié)會(huì)《ァスファルト鋪裝工事共通仕樣書(shū)解說(shuō)》，半柔性路面灌注用水泥砂漿的性能要求：水泥砂漿在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生7 d，抗壓強(qiáng)度為10～30 MPa，抗折強(qiáng)度＞3.0 MPa，流動(dòng)度為10～14 s。

參考已有研究方法[9-10]，本文采用正交設(shè)計(jì)方法，以水杰比、礦粉用量及砂用量為三因素，開(kāi)展水泥砂漿的流動(dòng)性、力學(xué)性能、收縮試驗(yàn)研究。經(jīng)極差分析，確定普通型水泥砂漿的最佳配合比：水杰比0.65，礦粉用量為9%，砂用量為18%。

本文向普通型水泥砂漿摻入乳化瀝青，制備特殊型水泥砂漿，摻配設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 特殊型水泥砂漿試驗(yàn)結(jié)果

半柔性路面灌注用水泥砂漿的性能要求，對(duì)表2數(shù)據(jù)分析可知：

水泥砂漿摻入乳化瀝青后，增大了水泥砂漿流動(dòng)度，隨著摻量增大，流動(dòng)度逐漸增大；提高了抗折強(qiáng)度，降低了抗折強(qiáng)度，隨著摻量增大，抗折強(qiáng)度增大，抗壓強(qiáng)度減小；降低了水泥砂漿的收縮量，隨著摻量增大，收縮量減少。分析得知，乳化瀝青摻入后，流動(dòng)性能下降，壓折比增大，柔性增強(qiáng)，體積穩(wěn)定性增強(qiáng)。綜合考慮水泥砂漿的流動(dòng)性能、力學(xué)性能、收縮性能影響，確定乳化瀝青摻配比例為6%。

3 半柔性路面基體配合比設(shè)計(jì)

級(jí)配設(shè)計(jì)：

本文采用主骨料空隙填充法（CAVF）[11]設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率下的基體級(jí)配，CAVF 法基本思路是先實(shí)測(cè)主骨架礦料孔隙率，使細(xì)集料體積、礦粉體積、瀝青體積與設(shè)計(jì)孔隙率之和等于主骨架的孔隙體積。粗集料（主骨架）的嵌擠程度可用瀝青混合料的體積指標(biāo)中的VCADRC 描述：

其中，VCADRC為堆積狀態(tài)下粗集料間隙率，%；ρsc為主骨架緊裝密度，g/cm3；ρtc為主骨料的表觀密度，g/cm3。

根據(jù)式（1）的計(jì)算結(jié)果，經(jīng)驗(yàn)確定礦粉與瀝青用量，并采用下式確定粗細(xì)集料用量：

其中，qc、qf、qp和qa是粗集料、細(xì)集料、礦粉和瀝青的質(zhì)量百分率，%；ρtf和ρtp為細(xì)集料和礦粉的表觀相對(duì)密度，g/cm3；ρa(bǔ)為瀝青的密度，g/cm3；Vvs為瀝青混合料目標(biāo)空隙率，%。

本文設(shè)計(jì)基體目標(biāo)空隙率為24%，級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 基體混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

參考大空隙排水型路面OGFC 的設(shè)計(jì)方法[12]，采用謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)方法來(lái)確定基體的最佳油石比。

4 疲勞試驗(yàn)與分析

4.1 間接拉伸疲勞試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用應(yīng)力控制的間接拉伸疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)半柔性路面混合料的疲勞性能。先采用MTS 試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試件的劈裂強(qiáng)度；再開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，保持應(yīng)力不變，應(yīng)力比為0.2、0.3、0.4，測(cè)試相應(yīng)應(yīng)力比下的疲勞破壞時(shí)荷載作用次數(shù)。疲勞破壞是以試件的疲勞斷裂為準(zhǔn)則，達(dá)到疲勞破壞的荷載作用次數(shù)為疲勞壽命。

應(yīng)力控制是在應(yīng)力重復(fù)性加載中，其峰谷值恒定。疲勞方程如式（4）所示：

式中：Nf- 疲勞壽命；σ- 拉應(yīng)力；n、K- 瀝青混合料成分的常數(shù)。

式(4)中參數(shù)K、n 大小反映半柔性路面混合料的疲勞性能。K 值越大，表明混合料抗疲勞性能越優(yōu)異；n 值越大，疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平的變化越敏感，表明抗疲勞性越差[13]。

4.2 試驗(yàn)分析

本文采用普通型水泥砂漿制備A 型半柔性路面材料，采用特殊型水泥砂漿制備B 型半柔性路面材料，開(kāi)展半柔性路面疲勞試驗(yàn)，數(shù)據(jù)分析得出疲勞回歸曲線，回歸方程見(jiàn)圖1。

圖1 疲勞回歸曲線（A 型）

根據(jù)圖1 的曲線分析，A 型半柔性路面疲勞性能參數(shù)，K24%=8.21，n24%=2.27；K28%=7.90，n28%=2.44；K32%=6.80，n32%=3.01。

根據(jù)圖2 的曲線分析，B 型半柔性路面疲勞性能參數(shù)，K24%=9.19，n24%=1.65；K28%=8.32，n28%=2.21；K32%=7.56，n32%=2.72。

圖2 疲勞回歸曲線（B 型）

結(jié)合圖1 和圖2 的數(shù)據(jù)分析，A 型和B 型半柔性路面隨著基體空隙率的增大，結(jié)構(gòu)疲勞性能參數(shù)K 值減小，n 值增大，抗疲勞性能逐漸減弱。這表明基體空隙率增大，水泥砂漿灌漿量增大，加劇了半柔性路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻性，弱化了基體瀝青混合料和水泥砂漿的協(xié)同變形能力，降低了半柔性路面內(nèi)部的體積穩(wěn)定性，導(dǎo)致抗疲勞性能下降。

相比于A 型半柔性路面，摻加乳化瀝青的B 型半柔性路面結(jié)構(gòu)疲勞性能參數(shù)K 值增大，n 值降低，增強(qiáng)了半柔性路面的抗疲勞性能。這表明乳化瀝青顯著改善了半柔性路面結(jié)構(gòu)疲勞性能。分析其原因，乳化瀝青的摻入，降低水泥砂漿的脆性，強(qiáng)化了水泥砂漿與基體瀝青混合料的協(xié)同變形能力，降低了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力集中度，對(duì)抵抗疲勞裂縫具有顯著的積極作用。

5 結(jié)論

（1） 乳化瀝青對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能具有顯著影響作用，可降低水泥砂漿的壓折比和收縮性能，增強(qiáng)水泥砂漿柔性，降低水泥砂漿流動(dòng)性能，提高收縮性能。

（2） 基體空隙率是半柔性路面結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的影響因素之一，基體空隙率越大，會(huì)降低半柔性路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。

（3） 乳化瀝青可顯著提升半柔性路面的抗疲勞性能，在工程應(yīng)用中，可采用乳化瀝青作水泥砂漿外摻劑來(lái)改善半柔性路面材料的抗疲勞性能。