灌入率對濕熱地區(qū)半柔性材料路用性能的影響

陳遠遠

(陽光學(xué)院 土木工程學(xué)院,福建 福州 350015)

半柔性路面具備剛性路面和柔性路面材料的優(yōu)點，可廣泛用于各等級公路、城市道路、收費廣場、停車場、港口碼頭以及機場的路面。目前，關(guān)于半柔性路面的研究取得了一定成果。孫雅珍等[1]通過正交試驗法，分析了不同因素、不同摻量對水泥砂漿材料性能的影響規(guī)律，進而確定了具有高強度、高流動性和低膨脹特點的高性能水泥砂漿(HPCM)最佳配合比范圍，并通過車轍試驗研究了水泥砂漿的灌漿效果。陳湘華等[2]評價了半柔性路面材料的抗裂性能，分析其開裂機理，采用半圓彎曲試驗方法評價不同溫度、不同母體孔隙率下半柔性路面材料的抗裂性能。邱鈺婷[3]采用ABAQUS有限元分析法建立了半柔性路面計算模型，模擬計算了水泥混凝土路面加鋪半柔性路面應(yīng)力，分析了不同因素對單層和雙層加鋪結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響。對半柔性材料路用性能的研究，大多集中在探討孔隙率、漿體灌入率、瀝青種類及材料級配對半柔性材料路用性能的影響規(guī)律，目的在于為半柔性路面材料工程設(shè)計與施工提供相關(guān)建議[4-7]，而關(guān)于不同灌入率對半柔性路面材料路用性能的影響研究較少。石磊等[8]研究了不同漿體灌入率對半柔性路面材料性能的影響，提出了漿體灌入率的最低要求，但未研究影響灌入率的因素及這些因素的影響程度。本文針對灌入率的影響因素及不同灌入率對半柔性路面材料路用性能的影響展開研究，對其高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性進行評估，從濕熱地區(qū)路用性能角度提出對膠漿灌入率的最低要求。

1 原材料

1.1 瀝青混合料原材料

選用緊裝密度為1.665 g/cm3、表觀密度為2.684 g/cm3的輝綠巖礦料為粗集料，連續(xù)級配瀝青混合料的粗集料級配見表1；間斷級配瀝青混合料的粗集料級配為表1中的9.5～13.2 mm單一粒徑集料；選用表觀密度2.694 g/cm3的輝綠巖石屑為細集料，細集料的級配見表2；選用70#重載交通基質(zhì)瀝青，25 ℃針入度63.4(0.1 mm)，10 ℃延度68.3 cm，軟化點54.4 ℃；選用石灰?guī)r經(jīng)磨細后的礦粉，表觀密度為2.646 g/cm3。

表1 連續(xù)級配瀝青混合料的粗集料級配Tab.1 Gradation of continuous graded coarse aggregate

表2 細集料級配Tab.2 Gradation of fine aggregates

1.2 水泥膠漿原材料

選用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5、粒徑范圍分別為0～0.3 mm和0.3～0.6 mm的細砂及水，選用TW-3(F)早強高效減水劑和AEA膨脹劑。

2 半柔性路面材料配合比研究

2.1 連續(xù)級配基體瀝青混合料配合比

采用經(jīng)驗法擬定級配曲線進行試配，通過不斷調(diào)整粗、細集料的用量，測出其空隙率，將實測空隙率與設(shè)計空隙率相比較，最終獲得空隙率20%、25%、30%的連續(xù)級配瀝青混合料級配，見表3。

表3 連續(xù)級配瀝青混合料級配表Tab.3 GradationTable of continuous graded asphalt mixtures

2.2 間斷級配基體瀝青混合料配合比

采用體積法設(shè)計25%空隙率的間斷級配瀝青混合料，細集料、瀝青及礦粉的體積與瀝青混合料最終設(shè)計空隙率體積之和應(yīng)等于主骨架空隙體積[9]。將粗集料緊裝密度與粗集料表觀密度代入式(1)，得出粗集料的空隙率Vvc，根據(jù)經(jīng)驗確定礦粉用量為4.0%，設(shè)置5組瀝青用量分別為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%。聯(lián)立式(2)和式(3)，代入各已知量計算，得到粗集料用量和細集料用量見表4。

(1)

qc+qf+qp=100

(2)

(3)

式中：qc、qf、qp及qa分別為粗集料、細集料、礦粉及瀝青質(zhì)量百分數(shù)；Vvc、Vvs分別為粗集料緊裝空隙率和瀝青混合料設(shè)計空隙率；ρtc、ρtf、ρtp分別為粗集料、細集料和礦粉的表觀密度；ρsc為粗集料緊裝密度；ρa為瀝青密度。

表4 不同瀝青用量的集料計算結(jié)果Tab.4 Calculation results for aggregates of different asphalt content

采用謝倫堡析漏試驗和肯塔堡飛散試驗確定瀝青用量。將瀝青混合料倒入燒杯中放入烘箱，60 min±1 min后從烘箱取出燒杯，將混合料向下扣倒在玻璃板上，析漏量以圖1所示的黏附在燒杯上的瀝青結(jié)合料、細集料、瑪蹄脂等的總質(zhì)量占高溫受熱前的瀝青混合料總質(zhì)量的百分率表示。飛散損失以瀝青混合料馬歇爾試件在圖2所示洛杉磯試驗機中旋轉(zhuǎn)撞擊達規(guī)定的次數(shù)后，瀝青混合料試件散落材料質(zhì)量的百分率表示。分別繪制上述5種瀝青用量的瀝青混合料的析漏量、飛散損失與瀝青用量的關(guān)系曲線(見圖3)，由曲線的“拐點”處得到最大(小)瀝青用量。

圖1 高溫狀態(tài)下的瀝青混合料析出Fig.1 Precipitation of asphalt mixture at high temperature

圖2 洛杉磯試驗機Fig.2 Los Angeles testing machine

(a)析漏量

(b)飛散損失圖3 析漏量、飛散損失與瀝青用量的關(guān)系曲線Fig.3 Curves of leakage, scattering loss and asphalt dosage

由圖3可知，謝倫堡析漏試驗關(guān)系曲線拐點對應(yīng)的最大瀝青用量為3.7%，肯塔堡飛散試驗關(guān)系曲線拐點對應(yīng)的最小瀝青用量為3.5%，綜合二者結(jié)果，取3.6%為最佳瀝青用量。因此，間斷級配瀝青混合料設(shè)計級配見表5，瀝青用量為3.6%，礦粉用量為4.0%。

表5 間斷級配瀝青混合料級配表Tab.5 GradationTable of discontinuous graded asphalt mixtures

2.3 水泥膠漿配合比設(shè)計

針對0～0.3 mm和0.3～0.6 mm這兩種粒徑的細砂分別設(shè)計兩個砂膠比，另外再設(shè)計一組不加細砂的膠漿配比，水泥膠漿配合比見表6。

表6 水泥膠漿材料配比Tab.6 Ratio of cement mortar materials

3 灌入率的影響因素分析

3.1 灌入率測試方法

制作基體瀝青混合料標準馬歇爾試件，測得其灌漿前的連通空隙率V1；采用光滑的防水材料包裹試件四周和底面，只留出其中一個灌漿平面；灌入水泥膠漿，等到其初凝以后、終凝之前，刮掉多余膠漿，使膠漿與混合料骨料齊平，測得其灌漿后的連通空隙率V2。則水泥膠漿的灌入率n為

(4)

3.2 灌入率測試結(jié)果

利用表6的5組水泥膠漿配合比與表3、表5的4種基體瀝青混合料配合比進行組合，按上述方法測試其灌入率，結(jié)果見表7及圖4。

表7 灌入率試驗結(jié)果 Tab.7 Test results of filling rate 單位：%

圖4 灌入率試驗結(jié)果柱狀圖Fig.4 Histogram of the filling rate test results

分析以上試驗結(jié)果可知：

1)瀝青混合料設(shè)計空隙率對灌入率的影響

(1)對于不同空隙率的瀝青混合料，當(dāng)灌入同類型膠漿時，水泥膠漿的灌入率隨著設(shè)計空隙率增大而增大，這是因為空隙率越大，封閉孔越小，水泥膠漿更容易灌入基體瀝青混合料。

(2)當(dāng)空隙率大于25%時，瀝青混合料空隙率對灌入率影響較小。以A型膠漿為例，空隙率25%的混合料灌入率比空隙率20%的混合料灌入率提高了18.5%，空隙率30%的混合料灌入率比空隙率25%的混合料灌入率提高了5.0%，提高幅度明顯降低，其他類型膠漿也是這種變化規(guī)律。

2)級配類型

對比空隙率為25%的連續(xù)級配和間斷級配瀝青混合料可知，其灌入率十分接近，說明空隙率25%時，級配類型對膠漿灌入率基本沒有影響。

3)細砂粒徑

(1)對于同一級配的瀝青混合料，當(dāng)灌入砂膠比相同但細砂粒徑不同的水泥膠漿(B-D、C-E)時，灌入率隨細砂粒徑增大而降低。砂膠比越大，灌入率降低的程度越明顯。

(2)使用粒徑為0.3～0.6mm的細砂時，即使灌入空隙率30%的瀝青混合料，其灌入率也僅為88.7%，其余空隙率瀝青混合料的灌入率大部分都小于75%；而使用粒徑為0～0.3mm的細砂時，可以顯著提高灌入率。因而本文建議水泥膠漿的細砂粒徑宜選用0～0.3mm。

4)砂膠比

對于同一級配的瀝青混合料，當(dāng)灌入細砂粒徑相同但砂膠比不同的水泥膠漿(B-D、C-E)時，灌入率隨砂膠比增大而減小。細砂粒徑越大，砂膠比對膠漿灌入率的影響越大。

4 灌入率對半柔性材料路用性能的影響分析

4.1 高溫穩(wěn)定性能評價結(jié)果及分析

基于對灌入率的研究可知，C型膠漿和A型膠漿在空隙率25%的連續(xù)級配瀝青混合料中的灌入率約為90%，以此灌入率為飽和灌漿，以50%灌入率為半飽和灌漿。為評價高溫穩(wěn)定性能，制作空隙率25%的瀝青混合料車轍板，配制凈漿(A型膠漿)和砂漿(C型膠漿)兩種水泥膠漿灌入車轍板中作為車轍試驗試件，灌入量分為未灌漿、半飽和灌漿以及飽和灌漿，同時設(shè)置未灌漿試件進行對比。由于濕熱地區(qū)高溫持續(xù)時間長、極值溫度高，因此將車轍試驗試件在20 ℃下養(yǎng)生7d后放入70 ℃環(huán)境下保持5h，在該溫度環(huán)境下進行圖5所示的車轍試驗，結(jié)果見表8及圖6。

圖5 半柔性路面材料車轍試驗Fig.5 Rutting test of semi flexible pavement materials

表8 半柔性路面材料車轍試驗結(jié)果Tab.8 Test results of semi-flexible pavement material rutting

圖6 半柔性路面材料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果Fig.6 Dynamic stability test results of semi-flexible pavement materials

分析表8和圖6可知：在70 ℃試驗溫度下，由于未灌漿試件在試驗過程中，車轍深度迅速增大，在2min內(nèi)已達到15mm，因而將未灌漿試件動穩(wěn)定度計為0 次/mm；而半飽和灌漿與飽和灌漿的試件，動穩(wěn)定度均達到了12 000 次/mm以上。說明水泥膠漿可以顯著提高半柔性路面材料的高溫穩(wěn)定性，且膠漿灌入率50%時動穩(wěn)定度已高于各類瀝青混合料的最高要求，也達到了《半柔性路面應(yīng)用技術(shù)指南》對動穩(wěn)定度大于10 000 次/mm的要求[10]。建議半柔性路面材料7d齡期，動穩(wěn)定度指標為10 000 次/mm，灌入率應(yīng)不小于50%。

4.2 水穩(wěn)定性評價結(jié)果及分析

制作兩批空隙率25%的瀝青混合料馬歇爾試件，配制凈漿(A型膠漿)和砂漿(C型膠漿)兩種水泥膠漿灌入試件，灌入量也分為未灌漿、半飽和灌漿以及飽和灌漿。一批試件灌入膠漿后在20 ℃下養(yǎng)生5d齡期后浸水48h，另一批試件不浸水，進行圖7所示的馬歇爾穩(wěn)定度試驗以測浸水馬歇爾穩(wěn)定度和標準馬歇爾穩(wěn)定度，計算出的半柔性路面材料殘留穩(wěn)定度見表9，浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果柱狀圖如圖8所示。

圖7 半柔性路面材料馬歇爾穩(wěn)定度試驗Fig.7 Marshall stability test of semi-flexible pavement materials

表9 半柔性路面材料殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果Tab.9 Residual stability test results of semi-flexible pavement materials

圖8 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果Fig.8 Test results of water saturated Marshall stability

分析表9和圖8可知：

1)由于未灌漿試件在60 ℃熱水浸泡48h后已經(jīng)散掉，故未灌漿試件的殘留穩(wěn)定度即為0，半飽和灌漿試件殘留穩(wěn)定度為80%～90%，飽和灌漿試件殘留穩(wěn)定度為120%以上，說明水泥膠漿的灌入可以明顯提高半柔性路面材料的水穩(wěn)定性。

2)飽和灌漿試件的殘留穩(wěn)定度達到了100%以上，這是因為水泥試件的養(yǎng)生齡期僅為7d，在60 ℃熱水中浸泡48h后，膠漿強度快速增長，使得浸水馬歇爾穩(wěn)定度比標準馬歇爾穩(wěn)定度還要高。建議半柔性路面材料7d水穩(wěn)定性指標應(yīng)不小于100%;結(jié)合圖8分析可知,膠漿灌入率應(yīng)至少不小于70%。

5 結(jié)論

通過對灌入率的影響因素研究，以及不同灌入率半柔性路面材料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性的評估，可以得到以下結(jié)論：

1)采用增大瀝青混合料的空隙率、選用較小砂膠比和較細粒徑的細砂拌制水泥膠漿等方式均可提高膠漿灌入率。

2)當(dāng)空隙率大于25%時，瀝青混合料空隙率對灌入率影響較小，而級配類型對膠漿灌入率基本沒有影響。

3)灌入率顯著影響半柔性材料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，為保證半柔性路面材料路用性能，建議膠漿灌入率應(yīng)至少不低于70%。