高承載高耐久性再生路面材料力學(xué)特性研究

何瀟律， 付 軍， 丁慶軍

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

目前，我國的高速公路和城市道路路面可分為瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面兩大類，在夏季高溫季節(jié)，瀝青路面易出現(xiàn)車轍、波浪和擁包等變形破壞。水泥混凝土路面在溫度應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生裂縫，且路面結(jié)構(gòu)一旦產(chǎn)生病害后修復(fù)困難[1]。半柔性路面便在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，半柔性路面是指在大孔隙基體瀝青混合料路面中灌入以水泥為主要成分的特殊膠漿而形成的路面，它兼具了水泥混凝土路面的柔性和瀝青混凝土路面的剛性，且施工方便、造價(jià)低廉[2]。

國內(nèi)外針對半柔性路面基體結(jié)構(gòu)及灌漿材料展開相應(yīng)研究，利用水泥強(qiáng)度高、耐久的特點(diǎn)，灌入瀝青骨架基體中后形成半柔性路面，可明顯提高路面承載能力。但國內(nèi)外尚未開展水泥漿體強(qiáng)度、模量、體積穩(wěn)定性對路面承載能力與耐久性(抗老化性能、耐疲勞性能、抗水損壞性能)之間的關(guān)系研究。

本文依托湖北省公路管理局科技項(xiàng)目“利用廢棄瀝青混凝土制備高承載、高耐久路面材料的研究”，對不同灌入率高承載高耐久性再生瀝青路面材料的力學(xué)性能和路用性能進(jìn)行研究，對于提高我國高速公路以及一般公路建設(shè)水平，具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 水穩(wěn)定性能研究

水損害是瀝青路面的主要病害之一，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因主要是瀝青混凝土面層的水穩(wěn)定性能不足，因此用瀝青路面的水穩(wěn)定性能來評價(jià)瀝青路面在荷載和雨水的作用下抵抗破壞的能力很有必要[3]。本文采用浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比來評價(jià)高承載高耐久性再生瀝青路面材料的水穩(wěn)定性能主要由，試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 浸水殘留穩(wěn)定度測試結(jié)果

從表1可以看出：高承載高耐久性再生瀝青路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度以及浸水殘留穩(wěn)定度都比普通再生瀝青路面材料的要高，其浸水殘留穩(wěn)定度均大于91%；對于不同孔隙率的瀝青混合料基體在灌入水泥漿體后，其馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾穩(wěn)定度隨著水泥漿灌入率的增大而提高，而其浸水殘留穩(wěn)定度的變化不大。由表2可以看出：高承載高耐久性再生瀝青路面材料的劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度以及劈裂強(qiáng)度比都比普通再生瀝青路面材料的要大，其凍融劈裂強(qiáng)度比在90%以上。

表2 凍融劈裂強(qiáng)度比測試結(jié)果

2 高低溫性能研究

2.1 高溫穩(wěn)定性能

瀝青混合料在外界行車荷載作用下抵抗永久變形的能力稱為高溫穩(wěn)定性能。其中車轍問題是瀝青路面高溫穩(wěn)定性良好與否的集中體現(xiàn)，車轍、擁包等永久變形的產(chǎn)生，使得路面的平整度明顯降低，從而影響路面的行車舒適性；而且坑槽易積水，除了加速路面的破壞之外，還會對行車安全造成很大的威脅[4]。因此應(yīng)當(dāng)對再生瀝青混合料的高溫性能進(jìn)行評價(jià)。本文采用常規(guī)車轍試驗(yàn)(0.7MPa)來分析高承載高耐久性再生瀝青瀝青路面材料高溫穩(wěn)定性能，測試結(jié)果如表3所示。

表3 高溫穩(wěn)定性能測試結(jié)果

表3的結(jié)果表明：高承載高耐久性再生瀝青路面材料的動穩(wěn)定度達(dá)到了12 600次/mm以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通再生瀝青路面材料的2 423次/mm，滿足高等級公路路面性能要求；另外，對于不同的水泥漿的灌入率，隨著灌入率的增大，其動穩(wěn)定度也相應(yīng)提高。因此，高承載高耐久性再生瀝青路面材料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性能。

圖1 高承載高耐久再生瀝青混合料(車轍板和馬歇爾試塊)

2.2 低溫穩(wěn)定性能

瀝青路面在使用期間的開裂是各國道路界普遍關(guān)心的問題。再生瀝青混合料中含有的瀝青已經(jīng)經(jīng)歷了較長時(shí)間的老化，低溫條件下性能大幅降低。因此，需要對再生瀝青混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行研究。本文通過低溫小梁彎曲性能測試對高承載高耐久性再生瀝青路面材料的低溫性能進(jìn)行評價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 低溫小梁彎曲性能測試結(jié)果

由表4的結(jié)果可知：高承載高耐久性再生瀝青路面材料的最大彎拉應(yīng)變均大于2 600 ，而普通再生瀝青路面材料的最大彎拉應(yīng)變還不到2 000 ；高承載高耐久性再生路面材料的抗彎拉強(qiáng)度一般要高于普通再生瀝青路面，其勁度模量普遍低于2 200 MPa，因此其低溫抗裂性能明顯好于普通再生瀝青路面材料，在低溫條件下具有更加優(yōu)異的柔韌性，可以降低瀝青混合料在低溫下出現(xiàn)裂紋的可能性。

3 彎曲疲勞性能研究

疲勞損壞是瀝青混凝土路面都會遇到的破壞形式，在路面材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是主要的考慮因素，也是長壽命路面的研究基礎(chǔ)。路面在行車荷載的作用下，路面經(jīng)受反復(fù)的應(yīng)力-應(yīng)變作用，路面材料的強(qiáng)度會逐漸降低，當(dāng)荷載作用次數(shù)達(dá)到一定時(shí)，材料的強(qiáng)度降到無法抵抗荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，這時(shí)材料容易出現(xiàn)疲勞開裂。本文采用三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)來進(jìn)行再生瀝青路面材料的疲勞性能研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 三點(diǎn)彎曲疲勞性能測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)研究表明：高承載高耐久性再生瀝青路面材料具有優(yōu)異的抗疲勞性能，當(dāng)水泥漿灌入率一定時(shí)，隨著應(yīng)力比的增大，其疲勞壽命次數(shù)明顯降低，而且幅度很大，應(yīng)力比從0.2增大到0.4過程中，其疲勞壽命次數(shù)由幾萬次降為幾千次，由此可知，高承載高耐久性再生瀝青路面材料的疲勞性能對應(yīng)力很敏感；另外，對于不同的灌入率，其疲勞壽命隨水泥漿的灌入率的先增大后降低，孔隙率為25%時(shí)抗疲勞性能最好，而隨后抗疲勞性能急劇降低，這可能是因?yàn)樗酀{的加入增大了路面材料整體的脆性，繼而導(dǎo)致其疲勞壽命有所降低，但當(dāng)灌入率增大到一定程度時(shí)，比如從28%到31%，其疲勞壽命次數(shù)降低并不明顯。

4 抗壓回彈模量研究

抗壓回彈模量是反映路面材料應(yīng)力-應(yīng)變性能的重要指標(biāo)，也是目前國內(nèi)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行力學(xué)驗(yàn)算和厚度計(jì)算的一個(gè)重要參數(shù)。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0713-2000“瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)(圓柱體)”進(jìn)行高承載高耐久性再生瀝青混合料抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量的測試。其試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量測試結(jié)果

從表6中可以看出：高承載高耐久性再生瀝青路面材料的抗壓強(qiáng)度都在2.21 MPa以上，在水泥漿灌入率為31%時(shí)甚至可以達(dá)到5.17 MPa，是普通再生瀝青路面材料2.07 MPa的2.49倍，其抗壓回彈模量一般高于490 MPa，遠(yuǎn)大于普通再生瀝青路面的回彈模量值，因此高承載高耐久性再生瀝青路面材料具有良好的抗變形能力；另外，隨著水泥漿體灌入率的增大，其抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量都有明顯的提高，說明水泥漿的加入對再生瀝青路面材料的抗變形能力有利。

圖2 試驗(yàn)用小梁試件和回彈模量試件

5 結(jié)束語

(1)高承載高耐久性再生瀝青路面材料具有良好的水穩(wěn)定性能，隨著水泥漿體灌入率的增大，馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂抗拉強(qiáng)度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度也相應(yīng)增大；其浸水殘留穩(wěn)定度均大于91%，凍融劈裂強(qiáng)度比均在90%以上。

(2)高承載高耐久性再生瀝青路面材料具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性能，動穩(wěn)定度均在12 600次/mm以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通再生瀝青路面材料(2 423次/mm)；隨著水泥漿體灌入率的增大，其動穩(wěn)定度也相應(yīng)提高，從12 608次/mm增至31 502次/mm。

(3)高承載高耐久性再生瀝青路面材料的低溫抗裂性能良好，最大彎拉應(yīng)變均大于2 600 ，優(yōu)于普通再生瀝青路面材料(1995 )，抗彎拉強(qiáng)度均大于4.9 MPa，勁度模量普遍低于2 200 MPa，因此其低溫抗裂性能明顯好于普通再生瀝青路面材料，在低溫條件下具有更加優(yōu)異的柔韌性，可以降低瀝青混合料在低溫下出現(xiàn)裂紋的可能性。

(4)高承載高耐久性再生瀝青路面材料具有優(yōu)良的抗疲勞性能，當(dāng)水泥漿灌入率一定時(shí)，隨著應(yīng)力比的增大，其疲勞壽命次數(shù)明顯降低，應(yīng)力比從0.2增大到0.4過程中，疲勞壽命次數(shù)由幾萬次降為幾千次；另外，隨著灌入率的增加，其疲勞壽命先增大后降低，當(dāng)孔隙率為25%時(shí)抗疲勞性能最好。

(5)高承載高耐久性再生瀝青路面材料具有良好的抗變形能力，其抗壓強(qiáng)度均在2.21 MPa以上，高于普通再生瀝青路面材料(2.07 MPa)，抗壓回彈模量均高于490 MPa；隨著水泥漿體灌入率的增大，其抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量都有明顯的提高，說明水泥漿的加入對再生瀝青路面材料的抗變形能力有利。