灌漿材料類型對(duì)半柔性路面路用性能影響研究

田瑞乾, 王偉赫, 劉逢濤, 李冷雪, 汲治鵬

(1.邯鄲中建恒質(zhì)工程項(xiàng)目管理有限公司, 河北 邯鄲 056004; 2.中建八局第二建設(shè)有限公司, 濟(jì)南 250014;3.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院, 河北 邯鄲 056038)

半柔性路面SFP(Semi-flexible Pavement)指在空隙率20%～30%的開級(jí)配瀝青混合料中灌入水泥漿體而形成的復(fù)合路面材料,其抗車轍效果理想[1-4]。灌漿材料約占SFP路面材料的20%～26%,對(duì)SFP路面的力學(xué)強(qiáng)度和路用性能影響較大[5-6]。姜雷等[7]采用正交試驗(yàn)法,確定了灌漿材料的最佳配合比。陳鋒平等[8]制備了超早強(qiáng)型灌漿材料,并對(duì)SFP路用性能進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)及評(píng)價(jià)。趙煒[9]通過灌入自制高性能CA砂漿,制備出低溫且抗裂性能良好的SFP材料。莫秋旭等[10]采用水泥、硅灰、粉煤灰等確定了灌漿材料配合比。程磊[11]采用多種試驗(yàn)分析方法研究了灌漿材料配合比,并給出了配合比設(shè)計(jì)方法,同時(shí),對(duì)SFP材料進(jìn)行了路用性能評(píng)價(jià)。周杰[12]利用不同聚合物乳液對(duì)灌漿材料進(jìn)行了改性,并研究了最佳配合比。Bowen Fang等[13]研究發(fā)現(xiàn),灌漿材料中添加丁苯膠乳可提高其與母體瀝青的界面粘結(jié)性,并可有效降低SFP材料裂縫產(chǎn)生幾率。Duanyi Wang等[14]發(fā)現(xiàn)灌漿材料添加羧基膠乳后,可明顯提高SFP材料的抗車轍能力和低溫抗裂性。張弛[15]將水性環(huán)氧樹脂摻入灌漿材料,提高了SFP材料的抗裂性能。

綜上分析,現(xiàn)有研究主要聚焦于SFP灌漿材料的工作性能改善,但灌漿材料類型對(duì)SFP路用性能影響的研究報(bào)道較少。本文制備了普通型、超早強(qiáng)型和抗裂型灌漿材料,通過灌注率、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn),分析灌漿材料類型對(duì)SFP路用性能的影響。

1 半柔性路面材料配合比設(shè)計(jì)

1.1 水泥基灌漿材料配合比設(shè)計(jì)

采用P·O 42.5水泥、R·SAC42.5水泥、粒徑不超過0.6 mm的機(jī)制砂、石灰?guī)r磨細(xì)生產(chǎn)的礦粉、 Ⅱ級(jí)粉煤灰及微珠、UEA膨脹劑、OM301型聚羧酸母液稀釋4.8(±0.1)倍配制的減水劑、甲酸鈣、硼酸、比表面積為465 m2/kg的鋼渣粉、二水石膏及乳化瀝青等材料。通過正交及單摻和復(fù)摻方法,制備出普通型、超早強(qiáng)型及抗裂型灌漿材料。

在水灰比0.60、礦粉摻量5%、砂灰比0.20的基礎(chǔ)上進(jìn)行普通型、超早強(qiáng)型及抗裂型灌漿材料配合比設(shè)計(jì)。摻入7%粉煤灰,6%UEA,0.65%減水劑得到普通型灌漿材料;將P·O 42.5水泥和R·SAC42.5水泥按照13∶7質(zhì)量比復(fù)摻,再摻入4%乳化瀝青,10%粉煤灰微珠,0.12%硼酸,0.8%甲酸鈣得到超早強(qiáng)型灌漿材料;摻入7%粉煤灰,0.65%聚羧酸減水劑,再摻入鋼渣粉、二水石膏和R·SAC42.5水泥按照1∶(0.7～1.1)∶(0.6～0.9)混合的膨脹劑15%,得到抗裂型灌漿材料。參照《公路工程水泥與水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020),實(shí)測其性能指標(biāo),結(jié)果見表1。

表1 灌漿材料各性能指標(biāo)

1.2 母體瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

為研究灌漿材料類型對(duì)路用性能影響,母體瀝青混合料級(jí)配采用課題組固定級(jí)配,見表2。根據(jù)表2級(jí)配,采用SBS改性瀝青、玄武巖集料以及石灰?guī)r磨細(xì)生產(chǎn)的礦粉制備大空隙母體瀝青混合料,如圖1所示。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011),測試SBS瀝青以及大空隙母體瀝青混合料各項(xiàng)性能指標(biāo),結(jié)果見表3。

(a) 車轍板試件

表2 礦料級(jí)配

表3 大空隙母體瀝青混合料性能指標(biāo)

1.3 半柔性路面材料成型

1) 準(zhǔn)備工作

(1) 馬歇爾試件需用脫模機(jī)將母體一端與試模一邊頂至平齊;(2) 車轍試件則需先進(jìn)行脫模刷油處理,以便后期脫模養(yǎng)護(hù);(3) 灌漿前采用黃油協(xié)同塑料薄膜密封,防止漏漿。

2) 制模

(1) 母體瀝青混合料低于50 ℃時(shí)即可進(jìn)行灌漿;(2) 在模具內(nèi)灌漿時(shí),采用磁吸式振動(dòng)臺(tái)輔助灌漿,以確保灌漿密實(shí),使用毛刷反復(fù)刮刷試件表面,以防止空隙阻塞;(3) 灌漿完成后,使用毛刷刷除表面多余漿體材料,并用抹布將試件表面擦露出粗骨料的構(gòu)造深度;(4) 灌漿-抹面完成后,將試件放至養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2 半柔性路面材料灌注率分析

2.1 灌注率計(jì)算

母體瀝青混合料的空隙一部分是連通空隙,一部分是封閉空隙,灌漿材料無法灌入封閉空隙。因此,SFP材料灌注率無法達(dá)到100%,SFP材料的灌注率按式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中:P灌為灌注率,%;m1為灌漿前試件連同試?？傎|(zhì)量,g;m2為灌漿后試件連同試模總質(zhì)量,g;V為試件總體積,cm3;V1為試件空隙率,%;ρ灌為灌漿材料密度,g/cm3。

2.2 灌注率結(jié)果及分析

以馬歇爾試件為計(jì)算對(duì)象,為減小誤差,每組進(jìn)行3次計(jì)算,按照式(1)進(jìn)行灌注率計(jì)算,各類型灌漿材料灌漿所得數(shù)據(jù)以及實(shí)際灌注率見表4。

表4 各類型灌漿材料灌注率

表4數(shù)據(jù)表明,3種灌漿材料均能達(dá)到規(guī)范要求的85%,3種灌漿材料灌注率均良好,且從高到低依次為抗裂型灌漿材料、超早強(qiáng)型灌漿材料、普通型灌漿材料,灌注率平均值分別為98.43%、97.66%、93.31%。

灌注3種灌漿材料且養(yǎng)護(hù)7 d后的車轍板縱向切割剖面如圖2所示,封閉空隙和連通空隙示意如圖3所示。圖2中縱向切割剖面反應(yīng)情況和灌注率計(jì)算結(jié)果相吻合,灌注普通型灌漿材料的剖面圖中有多處黑色的小點(diǎn),為灌注不飽滿的位置,其灌注率最低。分析認(rèn)為,黑色小點(diǎn)中也有一部分為封閉空隙,具體判斷依據(jù)為剖面中黑點(diǎn)周圍是否有瀝青或集料封堵,如無封堵且有灌漿材料部分處于黑點(diǎn)區(qū)域,即為連通空隙,若有封堵即為封閉空隙,此空隙灌漿材料無法進(jìn)入,因此不能認(rèn)為試件未灌滿。圖2中灌注普通型灌漿材料的SFP材料中存在一些空隙未灌滿,而灌注其余2種灌漿材料的SFP材料剖面中幾乎沒有空隙,尤其灌注抗裂型灌漿材料的SFP材料剖面飽滿。綜合表4和圖2可知,超早強(qiáng)型和抗裂型灌漿材料提高了灌注率,在一定程度上可保證SFP質(zhì)量。

圖2 灌注不同類型灌漿材料的半柔性路面車轍板剖面

圖3 封閉空隙和連通空隙示意

3 半柔性路面材料高溫穩(wěn)定性能分析

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

采用不同類型灌漿材料灌漿后,在溫度(20±0.5) ℃、相對(duì)濕度≥95%的恒溫恒濕條件下養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和28 d后進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)比了不同類型灌漿材料對(duì)SFP材料強(qiáng)度和變形能力的影響,并將母體瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值與灌漿后在溫度(20±0.5) ℃、相對(duì)濕度≥95%的恒溫恒濕條件下養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和28 d的馬歇爾穩(wěn)定度和流值進(jìn)行對(duì)比,每組試驗(yàn)進(jìn)行4組平行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果平均值見表5。

表5 灌漿前后試件馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知,灌漿材料的灌入大大提高了馬歇爾穩(wěn)定度,但流值卻減小。馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)表明:1) 灌漿材料可明顯提高SFP材料的高溫穩(wěn)定性能,且灌注同種灌漿材料的馬歇爾穩(wěn)定度隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長而逐漸變大,流值不斷減小,這意味著水泥漿體隨養(yǎng)護(hù)齡期增長引起的強(qiáng)度增長可在馬歇爾穩(wěn)定度指標(biāo)上體現(xiàn)出來,即隨齡期增長,SFP剛度越來越大,因此流值在減小;2) 3種灌漿材料對(duì)SFP材料力學(xué)強(qiáng)度貢獻(xiàn)有所不同,從SFP材料的馬歇爾穩(wěn)定度來看,超早強(qiáng)型>抗裂型>普通型;3) 養(yǎng)護(hù)3 d的數(shù)據(jù)顯示,灌入超早強(qiáng)型灌漿材料的馬歇爾穩(wěn)定度在前期增長較快,流值減小較多,這與灌漿材料強(qiáng)度形成速度有關(guān),超早強(qiáng)型灌漿材料具有極高的早期強(qiáng)度;4) 養(yǎng)護(hù)28 d的數(shù)據(jù)顯示,3種類型SFP材料的馬歇爾穩(wěn)定度略有不同,灌入抗裂型灌漿材料的馬歇爾穩(wěn)定度超過了超早強(qiáng)型的,這與抗裂型灌漿材料增強(qiáng)了SFP抗裂性能有關(guān)。

3.2 車轍試驗(yàn)

采用不同類型灌漿材料灌漿后,在溫度(20±0.5) ℃、相對(duì)濕度≥95%的恒溫恒濕條件下養(yǎng)護(hù)3 d、7 d后進(jìn)行車轍試驗(yàn),如圖4所示,每組試驗(yàn)進(jìn)行3組平行試驗(yàn),結(jié)果見表6。

(a) 車轍試驗(yàn)中

表6 灌漿后車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知,在養(yǎng)生3 d后,SFP材料的動(dòng)穩(wěn)定度均達(dá)到28 000次/mm,相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下,從3 d動(dòng)穩(wěn)定度角度看,SPF材料高溫穩(wěn)定性能超早強(qiáng)型>抗裂型>普通型;7 d動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果顯示,灌入同種灌漿材料的動(dòng)穩(wěn)定度較3 d提高不多,這表明SFP材料高溫穩(wěn)定性極強(qiáng),普通車轍試驗(yàn)一般只能達(dá)到60 ℃,也就是一般情況下夏季路面的最高地表溫度。因此,要想進(jìn)一步確定SFP材料的抗車轍能力,一是對(duì)車轍試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改進(jìn),二是采用其他更為精密的試驗(yàn)儀器。

4 半柔性路面材料低溫抗裂性能分析

4.1 低溫彎曲試驗(yàn)

低溫彎曲試驗(yàn)中,抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量為主要評(píng)價(jià)指標(biāo),低溫狀態(tài)下,抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變?cè)酱?彎曲勁度模量越小,混合料抗裂性能越優(yōu)異。3個(gè)指標(biāo)應(yīng)根據(jù)式(2)～式(4)進(jìn)行計(jì)算。低溫彎曲試驗(yàn)過程示意如圖5所示。

(a) 小梁試件切割

(2)

(3)

(4)

式中:RB為抗彎拉強(qiáng)度,MPa;εB為最大彎拉應(yīng)變;SB為彎曲勁度模量,MPa;b為小梁跨中斷面寬度,mm;h為小梁跨中斷面高度,mm;L為小梁跨徑,mm;PB為小梁破壞時(shí)峰值荷載,N;d為小梁破壞時(shí)跨中撓度,mm。

4.2 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果及分析

該試驗(yàn)在母體車轍板中灌入不同種灌漿材料,養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d和60 d后,將其切割成尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件,并在-10 ℃條件下養(yǎng)護(hù)6 h,每組試驗(yàn)進(jìn)行4次平行試驗(yàn),加載速率為5 mm/min,加載方式為三點(diǎn)彎曲,試驗(yàn)環(huán)境也保持在-10 ℃,試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 不同養(yǎng)護(hù)齡期的SFP低溫抗裂性能指標(biāo)

由表7可知,灌注同種灌漿材料時(shí),隨養(yǎng)護(hù)齡期增加,SFP抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變也增加,說明齡期增加,SFP材料低溫抗裂性能增強(qiáng),且28 d后趨于穩(wěn)定。養(yǎng)護(hù)齡期少于28 d時(shí),灌注超早強(qiáng)型灌漿材料的SFP低溫抗裂性能最好,而當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期超過28 d后,抗裂型SFP材料低溫抗裂性能超越了灌注超早強(qiáng)型灌漿材料的SFP材料。分析認(rèn)為,超早強(qiáng)型灌漿材料早期強(qiáng)度高,水化速度快,硫鋁酸鹽水泥水化產(chǎn)物生長導(dǎo)致微膨脹,增強(qiáng)了母體與灌漿材料的交叉程度,且其中的乳化瀝青破乳增強(qiáng)了母體與灌漿材料之間的界面強(qiáng)度,而SSBEA的后期補(bǔ)償收縮能力較強(qiáng),其水化產(chǎn)生的針狀鈣釩石,刺穿瀝青膜,并在礦料表面聯(lián)結(jié)生長,增強(qiáng)了大空隙母體和灌漿材料的界面結(jié)合強(qiáng)度,因此SFP路面材料低溫抗裂性能在后期增加。綜上,灌注抗裂型灌漿材料和超早強(qiáng)型灌漿材料均可有效提高SFP路面抗裂性能,但灌注抗裂型灌漿材料更有利于提高SFP后期低溫抗裂性能。

5 半柔性路面材料水穩(wěn)定性能分析

5.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

采用不同類型灌漿材料灌漿后,進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn),在相同級(jí)配及空隙率的母體中分別灌入不同類型灌漿材料,養(yǎng)生7 d后依據(jù)圖6進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn),研究不同類型灌漿材料對(duì)SFP的水穩(wěn)定性能,試驗(yàn)結(jié)果見表8。

(a) 試件浸水

表8 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果 %

由表8可知,灌入3種灌漿材料后,相應(yīng)SFP材料殘留穩(wěn)定度均超過85%,且抗裂型>普通型>超早強(qiáng)型。灌入普通型和超早強(qiáng)型灌漿材料的SFP材料殘留穩(wěn)穩(wěn)定度接近,相較馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)灌入普通型灌漿材料后,其SFP材料抗水損性能較灌入超早強(qiáng)型灌漿材料時(shí)要好。分析認(rèn)為,超早強(qiáng)型灌漿材料雖然灌注效果更好一些,但是其強(qiáng)度發(fā)展快,在早期就基本完成全部水化,而普通型灌漿材料水化較慢,在浸水過程中,高溫高濕的養(yǎng)護(hù)環(huán)境促進(jìn)了其水化反應(yīng),因此,出現(xiàn)了普通型>超早強(qiáng)型的現(xiàn)象。而抗裂型灌漿材料在高溫高濕環(huán)境中會(huì)加快抗裂劑水化和水泥水化,且前文分析過其灌注效果最佳,因此,灌入抗裂型灌漿材料后的SFP材料水穩(wěn)定性能更強(qiáng)。

5.2 凍融劈裂試驗(yàn)

采用不同類型灌漿材料灌漿后,進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn),在相同級(jí)配及空隙率的母體中分別灌入普通型、超早強(qiáng)型和抗裂型灌漿材料,養(yǎng)生7 d后進(jìn)行凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn),如圖7所示。

(a) 試件冰凍

灌入不同類型灌漿材料后的SFP材料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見表9。從表9可知,灌入超早強(qiáng)型和抗裂型灌漿材料的SFP材料劈裂強(qiáng)度均高于灌入普通型灌漿材料的SFP材料。相較浸水馬歇爾試驗(yàn),灌入超早強(qiáng)型灌漿材料的SFP材料的抗凍融性能更好。分析認(rèn)為,普通型灌漿材料的可灌性相較另外2種灌漿材料差,灌漿不充分導(dǎo)致空隙多,低溫情況下,水侵入結(jié)冰膨脹,這使SFP材料內(nèi)部微裂紋發(fā)生,水融化后,空隙變大,如此惡性循環(huán),造成水損病害。而灌入超早強(qiáng)型和抗裂型灌漿材料的SFP材料的灌入率相對(duì)更高,水不容易侵入,因此,其凍融劈裂強(qiáng)度比TSR值更高。超早強(qiáng)型灌漿材料其中的硫鋁酸鹽水泥具有早強(qiáng)性能,可增強(qiáng)SFP材料抗凍性能,另外甲酸鈣是一種低溫早強(qiáng)劑,可促進(jìn)低溫下的水泥水化,因此,超早強(qiáng)型灌漿材料更適合低溫下使用,灌入超早強(qiáng)型灌漿材料的SFP材料抗水損能力更強(qiáng)。

表9 灌入不同種灌漿材料后的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

綜合浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果,抗裂型灌漿材料可更好地保證SFP材料的水穩(wěn)定性能。而普通型灌漿材料適用于天氣暖熱氣候區(qū),超早強(qiáng)型灌漿材料適用于晝夜溫差大的氣候區(qū)。

6 結(jié)論

本文灌注成型了3種SFP材料,并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)SFP材料路用性能進(jìn)行了研究,得出如下結(jié)論:

1) 超早強(qiáng)型和抗裂型水灌漿材料提高了灌注率,在一定程度上可保證SFP質(zhì)量;灌注同種灌漿材料,隨齡期增長,SFP剛度越來越大,高溫穩(wěn)定性能越來越好。

2) 灌注抗裂型灌漿材料和超早強(qiáng)型灌漿材料可有效提高SFP路面抗裂性能,而灌注抗裂型灌漿材料更有利于提高SFP后期低溫抗裂性能。

3) 抗裂型灌漿材料可更好地保證SFP材料的水穩(wěn)定性能,普通型灌漿材料適用于暖熱多雨氣候區(qū),超早強(qiáng)型灌漿材料適用于晝夜溫差大的氣候區(qū)。