苯丙乳液改善灌入式半柔性路面材料性能的試驗研究

王黎明，雋海文

(1.東北林業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江省公路勘察設計院 黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

灌入式半柔性路面是指將特制水泥基灌漿料灌入大空隙瀝青混合料中而形成的一種剛柔兼備的路面材料[1-4]。水泥基灌漿料可提高混合料模量，使之具有優異的抗車轍性能，從而適用于重載、長大縱坡、收費站等局部路段。然而，模量的提高相應地會降低其柔性。實踐發現低溫縮裂是半柔性路面的主要破壞模式[5-7]。半柔性路面材料的低溫縮裂及其引起的進一步損傷嚴重地影響路面的耐久性[8-10]。因此，如何調和這種材料的優缺點，提高使用性能，就成了需要解決的問題。

由于半柔性路面材料骨架-填充結構的限制，其瀝青骨架基體與填充料的體積關系相對固定，則水泥基灌漿料就是決定半柔性路面材料剛柔特性的基本要素。通過添加聚合物改善灌漿料進而提高半柔性路面材料性能的技術路線清晰可行，很多研究者都做過相關的技術探索。黎振民等[11]研究發現橡膠粉可以顯著改善半柔性材料低溫性能，但對其力學性能會產生消極影響。孫政等[12]研究發現熱固性水性環氧樹脂可以明顯提高半柔性材料高溫抗剪性能，而對低溫性能及疲勞性能的改善作用則有限。宋家楠等[13]研究發現SBR和VEA復合乳液可以顯著提高半柔性材料低溫抗裂性，但對其高溫穩定性會產生不利影響。由此可見：由于聚合物各有優缺點，對半柔性材料性能的改善效果存在差異性。

苯丙乳液由苯乙烯和丙烯酸酯單體經乳液共聚而得，是一種重要的中間化工產品，現主要用作建筑涂料、金屬表面乳膠涂料、地面涂料、膠粘劑等。苯丙乳液可以與水泥或其水化產物發生化學反應，形成特殊的化學鍵，優化水泥基材料的內部結構，增加混凝土或砂漿等水泥基材料的韌性，已經在土木工程材料領域得到廣泛的關注與青睞[14-17]。苯丙乳液對水泥基材料性能的影響為改善半柔性材料性能提供了新的思路，但迄今為止，苯丙乳液對于改善半柔性路面材料性能的影響規律研究尚未開展。本研究通過系列試驗分析探尋了苯丙乳液對半柔性路面材料多方面路用性能的影響規律，以期為改善半柔性路面材料的應用性能及拓展其應用空間提出技術依據。

1 試驗原材料

1.1 瀝青與集料

試驗選用SBS-I-C改性瀝青、玄武巖集料(9.5～13.2，4.75～9.5，0～2.36 mm)、石灰石礦粉。依據規范進行的基本技術指標測試結果如表1、2所示。

表1 SBS-I-C改性瀝青的技術性能指標Tab.1 Technical performance indicators of SBS-I-C modified asphalt

1.2 水泥基灌漿料

水泥：P·O42.5普通硅酸鹽水泥；細砂：過0.6 mm方孔篩后的天然河砂；外加劑：UEA膨脹劑和FDN減水劑；苯丙乳液用固含量為50%的商品，具體技術參數見表3。

表2 集料與礦粉的技術性能指標Tab.2 Technical performance indicators of aggregate and mineral powder

表3 苯丙乳液的技術參數Tab.3 Technical parameters of styrene-acrylic emulsion

2 試件配合比設計

2.1 基體瀝青混合料配合比設計

基體材料設計的兩個關鍵指標分別是集料用量和油石比。借鑒瀝青混合料設計的體積法，擬定24%的目標空隙率；對級配初擬2.5%～4.5%的油石比，以0.5%為步長；按粉膠比1.15計算每個瀝青用量下礦粉用量。將目標空隙率、初擬油石比、礦粉用量、材料密度、粗集料骨架間隙率等幾方面的參數代入方程組(1)即可求出不同目標空隙率下的粗、細集料用量。

(1)

式中，qc，qf，qp為粗集料、細集料、礦粉的含量；qa為油石比；ρsc，ρtf，ρtp，ρa分別為粗集料堆積密度、細集料、礦粉的表觀密度和瀝青的密度；VVC，VVS分別為搗實狀態下粗集料骨架間隙率、設計空隙率。

基體最佳瀝青用量的設計原則為既提供足夠膠結，又不流淌。因此采用謝倫堡析漏與肯塔堡飛散試驗共同確定，不同瀝青用量下的試驗結果繪于圖1、圖2。

圖1 目標空隙率為24%析漏損失Fig.1 Target void rate 24% leakage loss

圖2 目標空隙率為24%飛散損失Fig.2 Target void rate 24% scattering loss

由圖1可看出，曲線在3.6%左右出現突變點，分別從曲線左右兩點做切線，交點油石比為3.6%，即為最大瀝青用量。由圖2可看出，曲線在3.5%左右出現突變點，分別從曲線左右兩點做切線，交點油石比為3.5%，即為最小瀝青用量。最佳瀝青用量的取值范圍為3.5%～3.6%，以3.6%作為最佳瀝青用量。相應級配曲線見圖3。

圖3 基體瀝青混合料級配曲線Fig.3 Gradation curve of matrix asphalt mixture

對最佳瀝青用量下的基體混合料旋轉壓實試件進行3組平行的空隙率檢驗，測試結果見表4。結果表明基體試件的實測空隙率與目標空隙率差異較小，最大差異為0.8%，證明基體設計準確。

表4 基體混合料空隙率測試結果Tab.4 Tested void ratio of matrix mixture

2.2 水泥基灌漿料配合比設計

以灌漿料流動度、抗折強度、抗壓強度等3項性能為目標標準，改變苯丙乳液摻量，通過正交試驗確定了苯丙乳液灌漿料配合比。其中乳液摻量按外摻計，乳液中的水在用水量中扣除以保持實際水灰比不變；UEA膨脹劑和FDN減水劑摻量分別為膠凝材料用量的 5%和 1%；河砂用量20%。具體配比見表5。其各項技術參數符合文獻[18]及《道路灌注式半柔性路面技術規程》(T/CECS G: D51-01—2019)等行業技術要求。

表5 水泥基灌漿料配合比及技術參數Tab.5 Mix proportion and technical parameters of cement based grouting material

3 試件制備與試驗方法

3.1 試件制備

采用旋轉壓實成型法與輪碾成型法制備直徑10 cm 圓柱體和30 cm×30 cm×5 cm基體試件。脫模后的試件用保鮮膜和透明膠帶包裹周圍與底面，使上表面露出。調試HZJ-1型振動臺，使其振動頻率為(50±2) Hz，振幅為(0.35±0.02)mm，隨后將試件放置振動臺上手工灌漿，當基體表面溢出灌漿料，灌漿料不再下滲且通過保鮮膜可觀察到底部漿液時判斷為灌注飽滿，關閉振動臺停止灌漿。灌漿完成待表面灌漿料凝固，刮去表面多余的灌漿料，然后將試件放在溫度為(20±2)℃，濕度不小于95%的養護室內養護28 d后進行相關性能測試(彎曲試驗試件也在28 d切割)。

3.2 試驗方法

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中T0738方法，使用UTM-30疲勞試驗機測試圓柱體試件的單軸壓縮動態模量以評價剛柔特性影響；采用T0719車轍試驗評價高溫穩定性影響；T0715彎曲試驗評價低溫抗裂性影響；T0729凍融劈裂試驗評價水穩定性影響。高溫穩定性采用3個試件進行平行試驗；動態模量、彎曲、凍融劈裂分別采用6個試件進行平行試驗。

4 試驗結果分析

4.1 苯丙乳液對模量的影響

20 ℃,0.1，5，10,25 Hz這4個頻率下的單軸壓縮動態模量試驗結果如圖4和圖5所示。由兩圖可知，隨著苯丙乳液摻量的提高，半柔性路面材料的動態模量持續大幅度降低，說明苯丙乳液可有效降低混合料剛性或提高柔性。

圖4 不同頻率同苯丙乳液摻量下的動態模量Fig.4 Dynamic moduli with same content of styrene-acrylic emulsion at different frequencies

圖5 同頻率不同苯丙乳液摻量下的動態模量Fig.5 Dynamic moduli with different contents of styrene-acrylic emulsion at same frequency

圖4中，6%摻量以后的模量降低趨勢加快。在典型的10 Hz頻率時，6%摻量相對0摻量空白組的動態模量降低16%，9%摻量相對降低39%，二者影響幅度相差2.4倍。圖4中，曲線可明顯分為兩組，低于6%時模量隨頻率的變化趨勢與空白組接近，9%和12%趨勢一致且相對6%以下變化趨勢更快。圖5同頻率曲線的模量在6%以后變化加快和圖4曲線的分組說明6%～9%以上摻量可能影響了灌漿料微觀結構使其性能有較大幅度變化。

圖4中9%和12%趨勢一致說明高摻量影響與低摻量影響的差異真實存在，不是來源于試驗誤差。

4.2 苯丙乳液對高溫穩定性的影響

車轍試驗的動穩定度試驗結果如圖6所示。由圖6，高于6%的苯丙乳液可明顯提高動穩定度，可進一步提高混合料高溫穩定性。

圖6 不同苯丙乳液摻量下的動穩定度Fig.6 Dynamic stabilities with different contents of styrene-acrylic emulsion

同時，隨著乳液摻量的增加，動穩定度呈先提高后降低的變化趨勢，在9%出現峰值，此時動穩定度可提高21%。表明對高溫穩定性來說，存在合理乳液摻量，更高則帶來不利影響。

4.3 苯丙乳液對低溫抗裂性的影響

-10 ℃條件下彎曲試驗的彎拉應變試驗結果如圖7所示。由圖7，苯丙乳液可明顯提高極限彎拉應變，可顯著改善混合料低溫抗裂性。

圖7 不同苯丙乳液摻量下的彎拉應變Fig.7 Flexural strains with different contents of styrene-acrylic emulsion

隨著苯丙乳液摻量的增加，彎拉應變也呈先增大后降低的變化趨勢，在6%摻量時出現峰值，此時極限彎拉應變相對空白組提高54%。聯系動態模量試驗結果，說明存在最佳摻量使半柔性路面材料低溫抗裂性最優，而并非模量越低越好。

4.4 苯丙乳液對水穩性的影響

凍融劈裂試驗結果如圖8所示。由圖8，苯丙乳液可顯著提高凍融劈裂強度比，對改善半柔性路面材料的抗水損害能力有明顯貢獻。

圖8 不同苯丙乳液摻量下的凍融劈裂強度比Fig.8 Freeze-thaw splitting strength ratios with different styrene-acrylic emulsion contents

隨著苯丙乳液摻量的增加，凍融劈裂強度比呈先增大后降低的變化趨勢，在9%摻量附近出現峰值，此時凍融劈裂強度比提高到93%，比空白組高了10個百分點。可以認為苯丙乳液增強了瀝青基體與灌漿料之間的黏結黏附特性，有效阻礙了水對瀝青的剝離作用，且存在最佳用量。

5 結論

研究表明：苯丙乳液可顯著改善灌入式半柔性路面材料性能，但對不同性能的影響存在不同的合理或最優摻量。具體表現在：

(1)隨著摻量提高，苯丙乳液大幅度降低混合料的動態模量；不同試驗頻率下，摻量低于6%時模量隨頻率的變化趨勢與空白組接近，高于9%時變化趨勢加快，6%～9%摻量是對模量影響的轉折區間。

(2)高于6%摻量的苯丙乳液可明顯提高動穩定度，進一步提高高溫穩定性。隨著乳液摻量的增加，動穩定度呈先提高后降低的變化趨勢，在9%出現峰值，此時動穩定度可提高21%。

(3)苯丙乳液可明顯改善混合料低溫抗裂性。隨著苯丙乳液摻量的增加，彎拉應變呈先增大后降低的變化趨勢，在6%摻量時出現峰值，此時改變幅度可達54%。

(4)苯丙乳液可顯著提高混合料抗水損害能力。隨著苯丙乳液摻量的增加，凍融劈裂強度比呈先增大后降低的變化趨勢，在9%摻量附近出現峰值，此時凍融劈裂強度比比空白組高10%。