灌入式半柔性路面抗車轍性能研究

王 濤，李成棟，彭浩然，譚洋洋，于 新

(1.山東路易達交通科技有限公司 臨沂市 276000； 2.臨沂市城市道路管理處 臨沂市 276000；3.河海大學 南京市 210098)

灌入式半柔性路面作為道路車轍病害的新處治方法，是在大空隙瀝青混合料路面中灌注水泥基材料，形成的一種半柔半剛性路面[1]。重點研究不同空隙率下的灌入式半柔性路面在不同溫度、不同荷載條件下的抗車轍性能[2]，并與傳統SMA-13路面材料比較，結合研究結論提出更合理的評價指標。

1 材料與試驗方法

1.1 材料

為研究灌入式半柔性路面材料性能，首先要制備大空隙瀝青混合料后再進行灌漿料的灌注，大空隙瀝青混合料在試驗室拌和，原材料有SBS改性瀝青、玄武巖粗集料(10～15mm、5～10mm)、石灰巖細集料(0～3mm)、礦粉，所有材料性能均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)的技術要求。水泥基灌漿料的基本性能滿足表1要求，根據研究，大空隙瀝青混合料作為母體混合料，推薦空隙率范圍為15%～30%，因此級配設計如表2所示，最佳油石比如表3所示。SMA-13瀝青混合料設計也按規范要求進行。

表1 水泥基灌漿材料性能檢測結果

表2 瀝青混合料級配設計

表3 瀝青混合料最佳油石比結果

1.2 試驗方法

目前并沒有規范的試驗方法來評價灌入式半柔性路面材料的路用性能，相關研究認為灌入式半柔性路面材料偏于柔性[3]，因此，采用瀝青混合料車轍試驗來評價灌入式半柔性路面的高溫抗車轍性能。

眾多研究表明，動穩定度能較好地反映瀝青路面在高溫季節抵抗形成車轍的能力。一般情況下，車轍試驗的試驗溫度為60℃，輪壓為0.7MPa，本研究考慮到灌入式半柔性路面所應用環境一般為重載高溫路段，因此還考慮不同溫度條件下(60℃、65℃、70℃、75℃、80℃)的車轍試驗和不同荷載條件下(0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa、1.3MPa、1.4MPa)的車轍試驗。

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)中的瀝青混合料試件制作方法(輪碾法)制備車轍試件，成型后用馬歇爾試模輕輕來回碾壓整平試件。待試件冷卻后用透明塑料布對試塊進行包裹，并用膠帶進行綁扎處理完畢后進行灌漿處理。將車轍板試件養護28d后進行車轍試驗。

2 抗車轍性能研究分析

2.1 標準試驗條件下的車轍試驗

選取瀝青混合料空隙率分別為15%、20%、25%和30%的灌入式半柔性路面材料進行高溫車轍試驗，灌漿材料的養護齡期為28d。灌入式半柔性路面材料的車轍試驗結果如圖1所示。

圖1 灌入式半柔性路面材料和SMA-13混合料的動穩定度

由圖1可知，灌入式半柔性路面材料的動穩定度明顯高于SMA-13瀝青混合料，當空隙率為20%～30%時，灌入式半柔性路面的動穩定度約為SMA混合料的5～6.5倍，高溫抗車轍性能明顯提高。分析原因認為由于剛性灌漿料的灌入，因此灌入式半柔性路面的剛度變大，改變了大空隙瀝青混合料的結構形式，車輛荷載作用下具有較強的抗車轍性能。

為分析灌入式半柔性路面抗車轍性是否是由于灌漿料的增加而提高的論點，本項目對不同空隙率下的灌入式半柔性路面材料進行抗壓強度和抗壓回彈模量試驗，灌入式半柔性路面材料的齡期為28d，灌漿材料抗壓強度為40MPa，試件的規格為直徑100mm±2.0mm，高度為100mm±2.0mm，加載速率為2mm/min，結果如表4所示。并對動穩定度和抗壓回彈模量進行相關性分析，結果如表5所示。

表4 不同空隙率灌入式復合路面材料

表5 動穩定度和抗壓回彈模量的相關性分析

結果表明，不同空隙率下的動穩定度和灌入式半柔性路面抗壓回彈模量線性相關系數為0.994，大于置信區間系數0.95，表明灌入式半柔性路面的抗車轍性能是由于灌漿料的增加，使得荷載作用下半柔性路面的抗壓強度增加而引起的。

2.2 不同溫度條件下的車轍試驗

普通車轍試驗溫度一般為60℃，本項目考慮灌入式半柔性路面多用于抗車轍道路，路面溫度較高的情況，因此將研究中的試驗溫度變為60℃、65℃、70℃、75℃、80℃，加載輪壓為0.7MPa，模擬得到不同溫度下的車轍試驗，動穩定度試驗結果見圖2。

圖2 不同溫度條件下灌入式半柔性路面材料動穩定度

從圖2可以看出，隨著試驗溫度的提升，灌入式半柔性路面的動穩定度下降，表明灌入式半柔性路面的抗車轍性能隨路面溫度的升高而降低。對于空隙率為15%和20%的灌入式半柔性路面，當路面溫度小于75℃時，動穩定度下降不明顯，僅為11.47%和11.54%。空隙率為25%和30%時，動穩定度下降率分別僅為9.7%和8.9%。為分析溫度對動穩定度的影響程度，對不同空隙率下的溫度和動穩定度進行相關性分析，相關系數а為0.95，結果如表6。

表6 不同空隙率下的溫度和動穩定度相關性分析

由表6可知，溫度與灌入式半柔性路面的相關系數均小于0.95的顯著水平，表明溫度對半柔性路面的影響不顯著。這是由于灌漿料的灌入改變了灌入式半柔性路面的柔性流變特性，隨著空隙率的增加，“剛性”越來越明顯，因此不受溫度的影響。

2.3 不同荷載條件下的車轍試驗

由于灌入式半柔性路面多用于重載路段，因此考慮加載輪壓為0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa、1.3MPa、1.4MPa，得到的不同荷載條件下車轍動穩定度試驗結果見圖3所示。

圖3 不同荷載條件下灌入式半柔性路面材料動穩定度

從圖3可以發現，隨著加載壓力的增大，不管何種大空隙瀝青混合料空隙率條件下，其動穩定度都呈現逐漸降低的趨勢，表明灌入式半柔性路面抵抗車轍變形的能力在下降，但其動穩定度值均大于10000次/mm，表明灌入式半柔性路面在重載條件下依舊具有良好的抗車轍性能。

2.4 基于壓實變形的動穩定度修正

根據研究結果可知，灌入式半柔性路面的動穩定度都在10000次/mm以上，已有研究表明，當材料的動穩定度≥10000次/mm時，直接通過我國現行車轍試驗標準計算出的動穩定度與平滑法處理得出的數據有較大偏差，而且車轍試驗時次數對應的車轍深度應綜合考慮混合料的壓密變形和固結變形的總量。

動穩定度試驗時，忽略了壓實過渡期的變形，因壓實過渡期變形也屬于永久變形，最終也會直觀地反映為在路面上形成車轍。在對灌入式半柔性路面動穩定度的測試過程中發現，灌入式半柔性路面的車轍深度主要產生在碾壓前45min，45min后的車轍深度基本趨于穩定，即在隨后的15min碾壓過程中，灌入式半柔性路面混合料的永久變形量變化不大。由此計算出灌入式半柔性路面的車轍動穩定度偏大，因此對車轍試驗的動穩定度應綜合考慮混合料的壓密變形和固結變形的總量。為使車轍試驗更好地評價灌入式半柔性路面抗車轍性能，對動穩定度進行修正，結果如下：

(1)

式中：C—試件的穩定度修正指數，次/mm2；

d1—車轍試驗中試件在45min(t1)時的變形大小，mm；

d2—車轍試驗中試件在60min(t2)時的變形大小，mm；

C1，C2——試驗機修正系數。

按照上式重新計算修正的動穩定度，并采用MTS810試驗機測試灌入式半柔性路面的勁度模量指標，該指標能更準確體現灌入式半柔性路面的抗車轍性能，得到的試驗結果見表7所示。

表7 不同空隙率灌入式半柔性路面測試結果

通過繪制動穩定度和穩定度修正指數與勁度模量的關系，并進行線性回歸，得出關系曲線如圖4。

圖4 綜合穩定指數、動穩定度與勁度模量關系

從圖4以看出，綜合穩定指數與車轍動穩定度變化趨勢一致，都是隨著空隙率的增大而逐漸增大；同時綜合穩定指數和車轍動穩定度與勁度模量呈現線性關系，其中動穩定度與勁度模量的相關系數為0.9242，綜合穩定指數與勁度模量的相關系數為0.9940，說明采用綜合穩定指數比現有基礎上車轍試驗得到的動穩定度評價混合料的高溫穩定性更加合理。

3 結論

灌入式半柔性路面動穩定度是SMA-13混合料動穩定度的5～6.5倍，具有優越的抗車轍性能，且隨著母體大空隙瀝青混合料空隙率增大，高溫抗車轍性能不斷提高，數據分析表明灌入式半柔性路面的抗車轍性能主要是由于灌漿料的貢獻。溫度對于灌入式半柔性路面的抗車轍性能沒有顯著的影響，而荷載影響顯著。考慮壓實變形后的動穩定度修正系數比動穩定度指標評價灌入式半柔性路面混合料的高溫穩定性能更合理。