水泥灌漿半柔性瀝青路面研究綜述

陶麗萍

（上海市青浦區(qū)道路運輸管理事務中心，上海市201799）

0 引言

瀝青混凝土路面和水泥路面作為兩種使用最廣泛的路面形式，有著各自的優(yōu)點。但是在長期的使用過程中發(fā)現(xiàn)它們都有各自難以克服的問題。對于瀝青路面來說，重載交通下的車轍問題嚴重影響了路面的質量降低了使用壽命[1]。對于水泥路面來說，由于水泥的凝結時間需要導致施工開放時間間隔較長，對道路交通和建設成本造成了巨大的影響，另外水泥路面的脹縫和縮縫的存在降低了行駛舒適度[2]。半柔性路面特指在大孔隙（25%~35%）開級配瀝青混合料中灌入流動性較好的水泥漿形成的復合路面結構[3-7]，與傳統(tǒng)瀝青混凝土路面不同的是，它能夠有效提高路面的高溫抗車轍能力[8]，而與水泥路面相比，它不需要設置伸縮縫，提高了路面的行駛舒適度，因此引起了研究者的廣泛關注[9]。本文就半柔性路面的結構、材料和路用性能等方面對半柔性路面的研究進行總結和展望。

1 結構設計

1.1 結構設計理論

半柔性路面是大孔隙瀝青混合料和水泥膠漿組合而成的一種復合的空間骨架結構，其結構強度由大孔隙瀝青混合料骨架和和水泥膠漿共同承擔。我國瀝青路面設計是采用以彈性多層體系理論為基礎的理論設計法；水泥路面設計采用的是彈性地基板設計理論。半柔性復合路面作為一種新型的路面結構型式，對其設計理論與方法的研究非常少，目前還沒有具體的規(guī)定。當前半柔性瀝青路面結構的設計主要是參考我國現(xiàn)行瀝青路面設計方法與指標，通過驗算面層底部的拉應力來確保路面結構擁有足夠的疲勞壽命，與此同時，測量路基表面的垂直壓應變來進行結構驗算[10]。主要設計思想包括以下內容：

（1）確保路面結構擁有足夠的強度以抵抗外界荷載的作用：主要通過提高抗壓回彈模量和增大劈裂強度來實現(xiàn)。

（2）考慮半柔性路面的極限破壞形式：半柔性路面的應力-應變關系與普通瀝青混合料較為接近，而與水泥混凝土差別較大，具體見圖1。

圖1 不同材料的應力-應變關系曲線

（3）采用疲勞開裂作為設計的控制指標：疲勞開裂被認為是半柔性路面的主導破壞模式，其發(fā)展過程與普通瀝青混凝土較為相似，在不發(fā)生結構性損害的情況下遵循萌生-發(fā)展-連通的破壞模式，直至裂縫寬度和范圍不斷增大，形成結構性損傷，最終導致路面毀壞；而疲勞斷裂前路面幾乎沒有明顯的變形,一旦發(fā)現(xiàn)路面變形則此時幾乎將最終發(fā)生斷裂破壞。結構設計需控制疲勞開裂的指標。

（4）半柔性路面結構的荷載響應與柔性路面相似，計算點的位置與柔性路面的一致。

1.2 結構設計參數(shù)

設計參數(shù)主要包括交通參數(shù)和材料參數(shù)，交通參數(shù)計算主要是確定設計年限內的累計當量軸載，確定交通等級；材料參數(shù)主要包括土基的動態(tài)回彈模量和半柔性里面材料的劈裂抗拉強度。確定好結構設計參數(shù)后，進行半柔性復合路面材料面層和半剛性材料層底面拉應力計算和路基表面的垂直壓應變計算，以驗算結構的強度。

1.3 結構組合設計

早期歐美國家主要將半柔性路面用在表層，通過在水泥灌漿中摻加不同的顏色達到美化路表的作用[11-12]。后來研究者更加注重半柔性層的功能性，進行路面結構的組合設計。路面結構的合理組合設計是發(fā)揮路面各個功能層最大效果，實現(xiàn)材料的合理應用的有效途徑。在路面結構組合設計過程中，應結合其所在結構層的受力特征進行合理設計。半柔性路面層主要是被用來作為路面的抗車轍功能結構層來設計，通過與普通瀝青混凝土路面進行組合，達到經濟性與功能性的結合[13]。

2 材料設計

2.1 母體瀝青混合料設計

母體瀝青混合料必須具有一定量的連通孔隙，以便水泥漿體能夠充分灌注和填充孔隙，同時也需要一定的強度，充分發(fā)揮其骨架支撐作用[14]。一般以母體瀝青混合料的物理力學參數(shù)空隙率和動穩(wěn)定度為指標來設計礦料的級配。其中母體瀝青混合料的空隙率是半柔性路面設計的最主要的控制參數(shù)，因為空隙率的大小決定了水泥膠漿的貫通率，對路面的路用性能有著很大的影響。黎侃[13]等應用有限元模擬研究了不同空隙率下半柔性路面的內部應力分布情況，提出了基于瀝青混合料極限應力的最佳空隙率的確定方法，見圖2。另外，最佳瀝青用量的確定主要是利用謝倫堡析漏和肯塔堡飛散實驗。母體瀝青混合料的確定一般有兩種方法，一種是直接使用開級配瀝青混合料OGFC的配合比，另一種是采用正交法確定各個影響因素下的最佳配合比[14]。

圖2 有限元模擬半柔性路面內部應力分布情況[13]

基于體積法的母體瀝青混合料的設計流程見圖3。另外，為了得到良好的水泥漿貫通率和溫度變形協(xié)調性以及國內外專家也對母體瀝青混合料的設計參數(shù)進行了大量的研究。Hou等[15]通過22組不同級配的母體瀝青混合料試件研究了母體瀝青混合料級配對灌漿效果的影響，研究發(fā)現(xiàn)灌漿效果受母體瀝青混合料的空襲連通性的影響，而空隙的連通率主要受表面形貌特征、結構的孔隙尺寸的影響，與設計空隙率的差別較大。而且灌漿效果也與母體瀝青混合料中細集料的含量的有關。丁慶軍等[16]發(fā)現(xiàn)半柔性瀝青路面的強度隨著孔隙率的增大而增大，在保持孔隙率不變的情況下，采用均勻級配設計得到的半柔性瀝青路面的強度優(yōu)于采用連續(xù)級配設計。在此基礎上，陽晏[17]研究成果發(fā)現(xiàn)母體瀝青混合料的連通孔隙率的增加有助于提高抗車轍性能、抗低溫開裂性能以及抗疲勞性能，而過大的連通孔隙率不利于半柔性路面的抗水損害性能。Yang等[18]使用主礦料間隙填充法對母體瀝青混合料進行設計，發(fā)現(xiàn)均能滿足設計要求。并且提出以瀝青膜厚度和謝倫堡飛散值作為設計的控制指標。

圖3 母體瀝青混合料設計過程

2.2 水泥灌漿材料設計

水泥灌漿材料主要由水泥、標準砂、礦粉、水以及外摻劑組成，對于其性能要求，日本半柔性路面設計規(guī)范對流動度（10~14 s）、抗壓（9.8~29.4 MPa）和抗折強度(大于2.0 MPa)作了具體的要求。而在實際設計時還需要考慮水泥砂漿的粘附性和體積穩(wěn)定性。與瀝青良好的粘附性能夠有效提高半柔性路面的低溫開裂性能和抗疲勞性能，主要是通過摻加不同類型和比例的外摻劑來提高其粘附性，常用的外摻劑主要有：粉煤灰、乳化瀝青和羧基丁苯乳膠。水泥砂漿的配比設計主要是以其性能要求為控制指標，采用正交法進行設計。王巍等[19]的研究采用正交設計法來設計水泥灌漿材料，考慮了水膠比、砂種類與比例、礦粉摻量以及添加劑摻量等因素，以流動性能和強度作為考察指標，提出了水泥灌漿材料的優(yōu)化設計方法。程磊等[20]考慮到半柔性路面用水泥膠漿必須具有良好的流動性以及足夠的強度等性質。鑒于影響水泥膠漿性能的因素很多,采用均勻設計法安排試驗,并應用SPSS統(tǒng)計軟件對試驗結果進行回歸,確定了影響水泥膠漿性能的主要因素,并確定了其最佳配比。丁慶軍等[21]研究的研究發(fā)現(xiàn)在水泥膠漿中摻入一定量的橡膠粉能夠提高漿體的體積穩(wěn)定性，改善水泥砂漿與瀝青間界面的粘接性能，并能夠有效的提高半柔性路面材料的低溫抗裂與疲勞開裂性能。橡膠粉雖然能夠在一定程度上改善水泥漿的干縮性能和泌水性能，同時防止離析現(xiàn)象的出現(xiàn)，但是橡膠粉的加入會造成水泥漿強度的降低。另外，橡膠粉取代特細砂摻入水泥膠漿中，體積取代率為15%時效果最佳，橡膠粉水泥砂漿能夠改善漿體與瀝青集料的界面粘結性能，亦能改善半柔性路面材料的低溫抗裂性能與疲勞開裂性能。加入橡膠粉后的水泥砂漿與瀝青界面形貌見圖4。

圖4 水泥砂漿與瀝青界面形貌

在水泥砂漿材料優(yōu)化設計方面，李國強等[22]在半柔性材料的結構優(yōu)化上尋求突破點，開乳化瀝青水泥混凝土復合路面材料。也有學者針對水泥砂漿開展性能優(yōu)化研究，將樹脂引入水泥砂漿中得到水泥漿體灌漿材料，并對樹脂改性半剛性面層復合材料的物理力學性能進行了研究。Zhang等[23]研究發(fā)現(xiàn)水泥砂漿設計中對流動度、強度和干縮性能影響最大的因素依次是：水灰比、粉煤灰摻量和礦料摻量。也有學者研究發(fā)現(xiàn)在水泥漿中摻入5%的硅粉和適量的減水劑以及水灰比能夠有效提高水泥的抗壓抗折強度和流動度。

3 路用性能研究

3.1 高溫性能

半柔性路面具有良好的高溫穩(wěn)定性能。研究表明，大孔隙瀝青混凝土骨架對瀝青抗高溫性能的貢獻率為70%[24]。Hou等[25]人通過對比AC-16與水泥灌漿瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度發(fā)現(xiàn)后者能夠有效提高高溫變形能力。俞增煌[26]通過車轍試驗研究發(fā)現(xiàn)，相比于普通瀝青混合料，半柔性水泥灌漿瀝青混合料的抗車轍能力有大幅度提升。

3.2 疲勞性能

半柔性路面的疲勞性能研究通常采用瀝青路面的研究思路，常用疲勞方程如式（1）所示。其中，Nf代表疲勞壽命，參數(shù)n可以從回歸方程中直接求得，參數(shù)k可從Ln（k）的反函數(shù)中求得[3，27]。

Ding等[28]研究了宏觀尺度下再生半柔性瀝青混合料在周期性循環(huán)荷載下的力學相應，并采用圖像分析技術和有限元技術研究了微觀條件下半柔性水泥灌漿瀝青混合料的力學性能，發(fā)現(xiàn)影響混合料疲勞性能的主要影響因素依次是：再生瀝青、再生集料、水泥漿和普通集料。梁遐意[32]研究了泡沫溫拌半柔性瀝青混合料的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)隨著空隙率的增大，疲勞性能出現(xiàn)波動，當空隙率為28%時，疲勞性能最佳。

3.3 水穩(wěn)性

半柔性路面的耐油蝕性和抗水損害性能與密集配瀝青路面相當或優(yōu)于密集配瀝青路面。Hou等人[25]通過浸水馬歇爾實驗和凍融劈裂實驗研究了AC-16和水泥灌漿半柔性瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，實驗結果證明不同的養(yǎng)生時間下水泥灌漿半柔性瀝青混合料的水穩(wěn)性都好于AC-16，見圖5。

圖5 控制與養(yǎng)生條件下AC-16試件和水泥灌漿半柔性瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度與凍融劈裂強度試驗結果

但是在路面的長期使用過程中，水泥與瀝青界面的疲勞裂縫的出現(xiàn)會使水侵入裂縫，加劇路面的損害。另外，梁遐意[32]的研究發(fā)現(xiàn)泡沫乳化瀝青的水穩(wěn)性會隨著空隙率的增大而增大。

3.4 低溫性能

由于水泥與瀝青兩種性質完全不同的材料形成的界面的粘結強度較弱，而且兩種材料的剛度相差較大以及溫度變形的差異性導致裂縫問題經常出現(xiàn)，成為半柔性路面面臨的最大的挑戰(zhàn)。Huang等[29]制備了6種不同摻量（瀝青/水泥質量比：0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5）的水泥改性瀝青膠漿，發(fā)現(xiàn)隨著瀝青/水泥質量比的提高，半柔性路面的剛度逐漸下降，最大可降低62.5%；疲勞壽命逐漸升高，最大可提高43.6%。Fang等[30]嘗試在水泥膠漿中摻加丁苯橡膠（SBR）以期提高半柔性路面的抗裂性，研究發(fā)現(xiàn)當摻量為2%時能夠有效提高水泥膠漿的流動度和工作性，同時提高與瀝青界面的粘結強度，提高低溫和疲勞開裂性能。劉廣英等[31]的研究嘗試在水泥漿中加入相變控溫材料達到夏季降低路面溫度的目的，發(fā)現(xiàn)采用相變材料硅酸乙酯用溶膠-凝膠法制得水泥砂漿得到的半柔性路面具有良好的降溫效果。目前抑制半柔性路面開裂的方法有很多，主要可以概括為以下幾類：（1）以陽離子乳化瀝青為代表的瀝青改性水泥膠漿；（2）以聚乙烯醇為代表的水泥改性劑；（3）以硅烷偶聯(lián)劑為代表的界面改性劑。所有這些改性方法的目的是在水泥與瀝青這種有機物-無機物界面形成一種橋接的作用，從而在提高界面粘附強度的同時具有一定的適應變形的能力。

4 總結與展望

目前國內外對半柔性路面材料的研究主要集中在半柔性路面材料的設計方法、路用性能、母體瀝青混合料性能、水泥漿體性能的優(yōu)化、材料強度形成機理和材料疲勞性能等方面，并且取得了一系列的研究成果。未來提高半柔性路面性能和適用性的關鍵在于降低水泥漿的凝結時間，提高水泥與瀝青界面的變形協(xié)調性和粘附強度。