摘 要

关键词

道路工程 | 半柔性路面 | 路用性能 | 级配 | 试验研究

      半柔性路面是指把以水泥为主要成分的特制浆剂，灌注入空隙率高达20%～28%的母体沥青混合料中而形成的路面;该路面将沥青路面柔性特点、水泥材料刚性特点恰当结合在一起，通过母体沥青混合料骨料之间的嵌挤作用以及水泥基材共同形成材料强度，从而提高结构层抵抗荷载作用的能力，达到“刚柔并济”的目的;半柔性路面材料如图1。

      半柔性路面材料中，为便于水泥浆剂材料灌注充分、填隙密室，作为载体的母体沥青混合料应具有一定的空隙率，同时还应发挥其骨架支撑作用，须具备一定的力学强度。为此，笔者基于正交设计与极差分析方法，研究沥青含量、4.75mm含量、2.36mm含量、矿粉含量等对母体沥青混合料物理力学参数(空隙率、稳定度)的影响进行研究，选择最优的母体沥青混合料的矿料级配;并对不同级配的的半柔性路面材料进行高温、低温性能研究。

      灌浆剂所采用水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，依据水泥及水泥混凝土试验规程中要求的相关试验方法，进行检测，试验结果如表1。

      水泥基灌浆材料由于水胶比较大，在硬化过程中浆体容易引起收缩，为抵消可能发生的收缩，在浆剂中加入膨胀剂，本文采用TD－U硫铝酸钙类膨胀剂，其适宜掺量为胶凝材料用量的8%～10%，检测结果如表2。

      母体沥青混合料中矿料采用玄武岩，沥青采用基质70#沥青，沥青检测结果如表3。

      母体沥青混合料级配直接影响到母体骨架结构的物理、力学性能。本研究以空隙率、稳定度为测试指标，研究矿粉含量、沥青含量4.75mm含量(4.75mm～9.5mm集料分计筛余)、2.36mm含量(关键筛孔2.36mm～4.75mm集料分计筛余)对母体沥青混合料物理力学参数的影响，为母体沥青混合料级配设计提供一定参考。

      基于现有研究成果的级配范围，采用正交试验法和极差分析法，分析矿粉含量、油石比、4.75mm含量、2.36mm含量这4个因素对母体沥青混合料空隙率、稳定度的影响程度及影响规律。油石比用量范围根据相关文献及其他研究成果得出的范围内选取。试验条件:在击实温度为140℃条件下，采用双面击实50次成型马歇尔试件，并测定各试件空隙率、稳定度;正交试验参数如表4。

      采用极差法分析各因素对母体沥青混合料空隙率、稳定度的影响程度，极差值越大表明因素影响程度越显著，分析结果如图2、图3。

图2、图3可知:

      (1)4个因素对沥青混合料的空隙率影响程度排序为:油石比2.36mm含量4.75mm含量矿粉含量;其中油石比对空隙率的影响最为明显，此结论与文献中“沥青质量分数是影响空隙率最主要的因素”的结论一致。

      (2)4个因素对混合料稳定度影响程度排序为:油石比矿粉含量2.36mm含量4.75mm含量。

      (3)针对母体沥青混合料级配而言，2.36mm集料含量对空隙率、稳定度影响均比4.75mm集料含量影响作用大，因此在级配优化试验过程中，更应关注2.36mm含量。

     通过进一步分析确定各因素的合理掺量范围，笔者建立各因素与空隙率、稳定度之间的关系，结果如图4～图11。

图4～图11可知:

      (1)除油石比与稳定度的关系、4.75mm含量与空隙率的关系呈曲线关系外，其余因素与空隙率、稳定度基本呈直线关系;且空隙率与2.36mm含量、油石比呈负相关关系，与矿粉含量呈正相关关系;稳定度与2.   36mm含量呈正相关关系，与矿粉含量呈负相关关系。

      (2)日本文献对半柔性路面母体沥青混合料要求的空隙率一般为20%～28%，而稳定度3.0Kn;分析各因素对空隙率的影响作用，建议2.36mm含量≤4.5%、油石比≤3.5%、4.75mm含量≤6%;结合稳定度分析结果，各因素对稳定度不构成限制条件，但油石比与稳定度存在二次曲线关系，即存在最佳油石比;在控制空隙率的条件下，建议根据稳定度来确定最佳油石比。

      (3)结合上述分析，半柔性路面材料母体沥青混合料级配采用W－1、W－2、W－3(如图12);后续为进行不同材料路用性能对比，增加指南推荐级配SFAC－13、普通沥青混合料AC－13与AC－20级配。

      目前对半柔性路面材料性能评价并无适用性规范，多数研究沿用普通沥青混合料试验规程对其进性能评价。笔者依据现行规程对半柔性路面材料高温性能、低温性能进行研究。

      沥青路面的高温稳定性是指沥青混合料在车辆荷载作用下抵抗永久变形的能力。不同半柔性路面材料高温稳定性能试验结果如图13。

图13、表5可知:

      (1)从半柔性路面材料“变形量－时间”关系曲线可看出，前40分钟曲线斜率较大，车辙变形量发展较快;40分钟后，曲线呈平缓发展趋势，车辙变形量发展缓慢，曲线类似水平线，说明40min后试件变形已基本完成;

      (2)高温性能试验过程中，半柔性路面材料竖向变形量(y)与时间对数(log10t)之间基本呈现线性关系;

      (3)4种半柔性路面材料60min试验过程中，总变形量＜1mm且DS试验值均20000次·mm－1，说明该半柔性路面具有良好的高温性能，采用该材料可以提高和改善路面抵抗高温变形能力。

      沥青混合料在低温时应具有较高的强度和较大的变形能力，为防止沥青路面在冬季气温较低条件下开裂。依据“T0715－2011沥青混合料弯曲试验”，评价高性能半柔性路面材料低温变形能力。

    试验条件:温度－10℃±0.5℃、速率50mm/min，对250mm×30mm×35mm小梁试件跨中施加集中荷载。半柔性路面材料养护条件:室内温度为20℃±3℃，湿度不小于90%，龄期为7d。

      以规定的速率50mm/min在跨径中央施加集中荷载，直至试件破坏，记录荷载－扰度曲线(图14为W－1、AC－20材料的荷载－跨中扰度曲线);不同材料低温试验检测结果如表7。

图14、表6可知:

      (1)与普通沥青混合料AC－20应力－应变曲线相比，半柔性路面材料在破坏过程中，其应力随应变变化较快，即达到最大应力前，试件应力－应变斜率较大，体现出一定的刚性。

      (2)同条件同龄期养护的半柔性路面材料的弯曲应力、弯曲应变明显小于普通沥青混合料，可见半柔性路面材料低温性能比普通沥青混合料低温性能差。

      (3)现行规范提出的采用－10℃时弯曲试验的破坏应变作为沥青混合料低温抗裂技术指标，且规定“普通沥青混合料破坏应变不得小于2000，改性沥青混合料破坏应变不得小于2500”;由此可知本文所研究的4种半柔性路面材料的低温性均能不满足现行规范的相关要求。

      (1)各因素对母体沥青混合料空隙率影响程度排序为:油石比2.36mm含量4.75mm含量矿粉;对混合料稳定度影响程度排序为:油石比矿粉2.36mm含量4.75mm含量。

      (2)空隙率与2.36mm含量、油石比呈负相关关系，与矿粉含量呈正相关关系;稳定度与2.36mm含量呈正相关关系，与矿粉含量呈负相关关系;结合空隙率20%～28%、稳定度≥3.0Kn的技术要求，在母体沥青混合料级配设计过程中，建议2.36mm含量≤4.5%、油石比≤3.5%、4.75mm含量≤6%。

      (3)半柔性路面材料温度试验过程中总变形量＜1mm，且DS试验值均20000次·mm－1，具有良好的高温性能。

      (4)与AC－13、AC－20普通沥青混合料相比，半柔性路面材料的弯曲应力和弯曲应变与普通沥青混合料相比显著较小，其低温性能达不到现行规范对沥青混合料低温性能的相关要求;后续可重点对半柔性路面材料低温性能及开裂机理展开研究，扩大其推广应用范围。