半柔性路面母體瀝青混合料配合比設計要點

黨正霞，王 勇，白俊勝，孟凡璽，梁星敏

(1.山東路易達交通科技有限公司 臨沂市 276000；2.臨沂市政集團有限公司 臨沂市 276000；3.河海大學 南京市 210098)

1 概述

近年來，灌入式半柔性路面技術作為車轍病害處治新方法，受到越來越廣泛的應用[1-2]。灌入式半柔性路面是在母體大空隙瀝青混合料路面中灌注水泥基材料形成的一種新型復合路面材料。該種復合材料通過瀝青集料的嵌擠作用和灌漿材料的硬化共同形成強度，因此灌入式半柔性路面材料的剛度超過了柔性的瀝青路面，具有更好的抵抗荷載變形的能力，對于解決重載嚴重路段的車轍問題，具有十分重要的使用價值和廣闊的應用前景[3]。

在實際應用過程中，大空隙瀝青混合料作為灌入式半柔性路面的母體材料，其配合比設計時主要的關注點和爭論點在原材的選擇(瀝青類型、集料類型)和配合比設計中空隙率的確定等問題上。結合工程實際，采用現場試驗段數據和試驗室檢測數據，研究不同瀝青類型、集料類型、空隙率下的灌入式半柔性路面性能，提出符合工程實際的可選擇材料、空隙率來指導工程實際。

2 原材料選擇

2.1 瀝青類型選擇

大空隙瀝青混合料對于瀝青粘度有較高的要求，瀝青粘度越高，大空隙瀝青混合料在重荷載條件下抗變形能力越強，且施工時不易析漏。因此，在進行大空隙瀝青混合料配合比設計時，可供選擇的瀝青類型有SBS改性瀝青和高粘度改性瀝青，性能指標檢測結果如表1所示。

表1 改性瀝青性能檢測結果

試驗室對大空隙瀝青混合料試件進行灌漿，控制大空隙瀝青混合料的空隙率為25%，灌漿料性能指標如表2所示。采用車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗來評價不同瀝青類型下的灌入式半柔性路面的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能和抗水損害性能，結果如表3所示。

表2 水泥基灌漿材料性能檢測結果

由表3可知，當瀝青類型由SBS改性瀝青變為高粘改性瀝青時半柔性路面的高溫抗車轍性能改變不大，僅提高1.9%，這是由于灌入式半柔性路面的抗車轍性能主要是由于灌漿料的剛度提供，瀝青類型對于其高溫抗車轍性能影響不大。

表3 不同瀝青類型下灌入式半柔性路面的路用性能

而檢測低溫抗裂性能時，高粘改性瀝青的勁度模量小于SBS改性瀝青半柔性路面，減小15%，且破壞應變高7.76%，表明隨著瀝青粘度的增加，灌入式半柔性路面的低溫抗裂性能有所改善，分析原因認為高粘瀝青由于稠度大，因此低溫下溫度敏感性小于SBS改性瀝青，低溫破壞時更具“韌性”，因此低溫抗裂性能得到改善。

由于灌入式半柔性路面灌漿料趨于“水泥基”材料，在水中浸泡時漿體材料得到養生，強度會有所提高，因此評價灌入式半柔性路面時不宜采用浸水馬歇爾試驗，選擇采用凍融劈裂試驗。由表3可知，采用高粘度改性瀝青的半柔性路面相比較于SBS改性瀝青半柔性路面抗水損害能力有所改善，提高4.6%。

綜上所述，采用高粘改性瀝青的灌入式半柔性路面的路用性能如高溫抗車轍、抗水損害、低溫抗裂性能比SBS改性瀝青的灌入式半柔性路面性能都有所改善，但效果不明顯，實際工程應用時，高粘改性瀝青價格是SBS改性瀝青的3倍左右，因此，綜合考慮選擇SBS改性瀝青。

2.2 集料類型選擇

本項目為進行集料類型的對比與選擇，選用的集料有石灰巖10～15mm、5～10mm、0～5mm，玄武巖選擇的集料規格為10～15mm、5～10mm，填料為石灰巖礦粉。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。

(1)灌入式半柔性路面摩擦系數、構造深度檢測

由于玄武巖的硬度和耐磨耗能力普遍高于石灰巖，在進行集料類型選擇時，本項目主要考慮灌入式半柔性瀝青路面的抗滑性能和構造深度。在公路干線交通量相同的路口鋪筑灌入式半柔性路面試驗段，運行半年、一年、兩年、三年跟蹤檢測其路面的摩擦系數和構造深度，結果如圖1所示。

由圖1可知，隨著使用年限的增加，灌入式半柔性路面的摩擦系數和構造深度都不斷變小，表明在重荷載作用下，路面不斷受磨損，且玄武巖半柔性路面的摩擦系數和構造深度都大于石灰巖半柔性路面，具有較好的抗磨損能力。三年使用期后，石灰巖路面和玄武巖路面的摩擦系數分別降低12.21%和5.96%，構造深度分別降低48.5%和27.8%。因此判斷，石灰巖用于灌入式半柔性路面時，在重載下路面磨損程度要比玄武巖路面嚴重許多。為驗證這一觀點，以時間作為影響因子，摩擦系數和構造深度分別作為因變量進行方差分析，結果如表4所示。

表4 通車時間對摩擦系數、構造深度單因素方差分析

本試驗采用方差分析的方法進行數據分析，方差分析是R.A.Fister發明的，在科學實驗中常常要求分析不同試驗因素或處理方法對試驗結果的影響。用于兩個及兩個以上樣本均數差別的顯著性檢驗，通過分析研究不同變量的變異對總變異貢獻的大小，來確定控制變量對研究結果影響力的大小。通常，根據控制變量的個數，方差分析分為單因素方差分析和多因素方差分析[4]。組間樣本離差平方和是各水平組均值和總體均值離差的平方和，反映了控制變量的影響；組內離差平方和是每個數據與本水平組平均離差的平方和，反映了數據抽樣誤差的大小程度。F服從F(k-1,n-k)分布，根據F分布表給出相應的相伴概率值，如果相伴概率值小于顯著水平а，則認為控制變量不同水平下總體均值之間有顯著差異，否則則認為無顯著性差異。

根據表4結果，路面運行時間對摩擦系數、構造深度的方差分析顯著系數都小于0.05,認為道路運行時間能顯著影響路面的摩擦系數、構造深度。分別比較摩擦系數和構造深度的組間均方差F值，都得到F石灰巖>F玄武巖，因此認為在道路運行過程中石灰巖的摩擦系數和構造深度的磨損程度大于玄武巖路面。

(2)灌入式半柔性路面外觀跟蹤

本項目同時對試驗段的石灰巖、玄武巖灌入式半柔性路面的外觀進行跟蹤，結果如圖2所示。石灰巖灌入式半柔性路面在交通荷載作用下面層刮漿后的構造深度逐漸喪失，且石料出現磨光現象，部分路面由于石料棱角磨光后灌漿料也受到磨損，面層出現粉末，且路面比玄武巖灌入式路面泛白，出現較大色差。

圖2 石灰巖和玄武巖灌入式半柔性路面外觀

3 大空隙瀝青混合料空隙率的選擇

在實際應用過程中，大空隙瀝青混合料作為灌入式半柔性路面的母體材料，其空隙率直接影響了高溫抗車轍性能和低溫抗裂等性能，空隙率小，增加了灌漿材料灌注的難度，不能確保灌入式半柔性路面材料良好的高溫抗車轍性能；空隙率大，雖然確保了良好的高溫穩定性能，但灌入式半柔性路面材料脆性偏大，低溫抗裂性較差[5]。因此，確定大空隙瀝青混合料適宜的空隙率至關重要。

試驗室狀態下制備空隙率分別為10%、15%、20%、25%、30%、35%的瀝青混合料試件，將灌漿材料灌入試件中，進行車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗來評價該半柔性路面的高溫、低溫、抗水損害性能。

3.1 高溫穩定性

為了研究空隙率對灌入式半柔性路面材料高溫穩定性能的影響，制備灌入式半柔性路面材料，不同空隙率下進行高溫車轍試驗，車轍試驗結果見圖3。

圖3 不同空隙率下灌入式半柔性路面動穩定度

由圖3可知，灌入式半柔性路面的高溫穩定性隨著空隙率的增大不斷增加，趨于線性關系，為驗證這一觀點，對空隙率和動穩定度進行線性分析，空隙率為自變量，動穩定度為因變量。結果如表5所示。線性相關系數R2>0.95，證明以上觀點正確。分析原因認為灌入式半柔性路面的高溫抗車轍性能主要的貢獻因子是灌漿料水化形成的強度，大空隙瀝青混合料的空隙率越大，灌漿料越多，強度越高，因此呈線性相關性。一般取灌入式半柔性路面的動穩定度大于10000次/mm為合格，因此，單從抗車轍性能考慮，大空隙瀝青混合料的空隙率宜大于10%。

表5 空隙率與動穩定度的線性擬合結果

3.2 低溫抗裂性能

結合高溫穩定性試驗結果，為研究灌入式半柔性路面的低溫抗裂性能，試驗室狀態下制備混合料空隙率分別為15%、20%、25%、30%、35%的試件，進行低溫小梁彎曲試驗，試驗結果如表6所示。

表6 低溫小梁彎曲試驗結果

由表6可知，當瀝青混合料的空隙率增大時，彎拉強度和勁度模量增大，破壞應變減小，當空隙率達到35%時灌入式半柔性路面材料的破壞應變低于2500με，不滿足規范要求，空隙率不應大于35%。分析原因認為空隙率越大，灌漿材料的灌注量越大，半柔性材料的脆性越大，低溫抗裂性能越差。

3.3 抗水損害性能

考慮到灌入式半柔性路面的混合料組成是空隙率比較大的瀝青混合料以及灌入灌漿料，所以本研究通過凍融循環劈裂試驗來對其水穩定性做出評價。考慮前期研究空隙率對灌注可行性、高溫、低溫性能的影響，選擇空隙率分別為15%、20%、25%和30%的半柔性路面材料研究抗水損害性能。試驗結果如圖4所示。隨著空隙率的增加，灌入式半柔性路面的TSR有所提高，但幅度不大。為選擇合適的空隙率，采用費希爾最小顯著差異法LSD進行兩因素差異性分析[5]，若顯著水平а>0.95則認為兩兩之間有顯著性差異。結果如表7所示。

圖4 不同空隙率下灌入式半柔性路面凍融劈裂試驗結果

由表7可知，15%和20%空隙率下灌入式半柔性路面的凍融劈裂結果不存在顯著差異，而20%和25%、25%和30%之間的抗水損害性能都存在顯著差異。僅考慮水損害性能時，選擇空隙率大于20%。

表7 空隙率下凍融劈裂試驗結果兩兩差異性分析

綜上所述，考慮灌入式半柔性路面的高溫抗車轍、低溫抗裂和抗水損害性能，灌入式半柔性路面的大空隙瀝青混合料空隙率應選擇20%～30%。

4 結語

用高粘改性瀝青的灌入式半柔性路面的路用性能比SBS改性瀝青的灌入式半柔性路面性能都有所改善，但效果不明顯，實際工程應用時，考慮經濟因素應選擇SBS改性瀝青。在道路運行過程中石灰巖路面的摩擦系數和構造深度的磨損程度大于玄武巖路面，應選擇玄武巖集料。大空隙瀝青混合料配合比設計時，最佳的空隙率大小應為20%～30%。