基體瀝青混合料組成設(shè)計對灌注式復(fù)合混合料的性能影響研究

張軍輝，張琴英

(浙江省金華市武義縣交通運輸局 金華市 321200)

0 引言

灌注式瀝青路面已被廣泛用于解決承受高交通量或重載的路面車轍問題，該復(fù)合路面體系是通過將具有高流動性的水泥基灌漿材料灌注到空隙率約為20%～30%的開級配多孔瀝青混合料骨架中制成的[1]。利用柔性瀝青和剛性水泥材料的優(yōu)勢，其良好的應(yīng)力松弛可以不需要設(shè)置溫度縫，與水泥混凝土路面相比，將大大提高行車舒適性，其更強的剛性可以確保更高的負(fù)載耐受性。它還有許多其他優(yōu)點，如良好的耐油性和著色性[2-3]。

目前對灌注式瀝青路面的研究主要集中在水泥基灌漿材料配比(水膠比、外加劑摻量和砂用量等[4-5])和多孔基體瀝青混合料空隙率[6-7]對混合料各項路用性能的影響上，而對多孔基體混合料的研究相對較少。基體瀝青混合料骨架的強度組成主要包括瀝青膠結(jié)料的粘聚力和集料骨架間的嵌擠摩擦作用[8]。多孔基體瀝青混合料在復(fù)合材料中發(fā)揮著骨架支撐作用，在灌注式瀝青混合料中所占的質(zhì)量比超過70%，其強度和各項性能對灌注式混合料性能影響顯著。因此，探討分析多孔基體瀝青混合料的設(shè)計組成對灌注式瀝青路面路用性能的影響有著重要的意義。

為了研究多孔基體瀝青混合料的設(shè)計組成對灌注式瀝青路面路用性能的影響，通過添加高粘劑和調(diào)整級配組成設(shè)計了4種空隙率接近的多孔基體瀝青混合料，并通過動態(tài)蠕變試驗、低溫彎曲試驗和浸水馬歇爾試驗分析了兩種變量對灌注式瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性的影響。

1 原材料

1.1 瀝青

采用SBS改性瀝青設(shè)計制備多孔瀝青混合料骨架，按照規(guī)范要求進(jìn)行性能測試并匯總于表1。

表1 SBS改性瀝青性能測試結(jié)果

1.2集料

多孔瀝青混合料的級配設(shè)計包含的原材料有9.5～16.0mm的1#粗集料，4.75～9.5mm的2#中粗集料以及4.75mm以下的3#細(xì)集料。其中，1#粗集料和2#中粗集料是玄武巖，3#細(xì)集料是石灰?guī)r。針對所用集料的性能展開測試，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)技術(shù)要求。

1.3 礦粉和纖維

填料采用具有良好粘附性的石灰石礦粉，纖維穩(wěn)定劑采用道路工程常用的木質(zhì)素纖維，對礦粉的使用性能進(jìn)行測試，其結(jié)果如表2所示。

表2 礦粉性能指標(biāo)

1.4 高粘添加劑和灌漿材料

采用某公司生產(chǎn)的高粘添加劑來增強基體瀝青混合料的強度，該添加劑為干法改性劑，無需提前與瀝青混合，高粘添加劑的性能參數(shù)與相關(guān)規(guī)范如表3所示。灌漿材料同樣選用該公司生產(chǎn)的高性能水泥基灌漿材料，據(jù)JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》中的流錐法測試了灌漿材料的流動性能，并對其不同齡期的抗壓強度進(jìn)行了測試。最終確定灌漿材料和水的最佳比例為1∶0.32，并將其性能測試結(jié)果匯總于表4。

表3 高粘添加劑性能指標(biāo)

表4 灌漿材料性能指標(biāo)

2 混合料配合比設(shè)計

為了研究多孔基體瀝青混合料的骨架嵌擠作用和膠結(jié)料粘聚力對灌注式瀝青混合料性能的影響，通過調(diào)整級配設(shè)計和添加高性能改性劑兩種方式分別設(shè)計了4種多孔瀝青混合料，為了杜絕水泥基灌漿材料的影響，盡可能控制基體混合料的空隙率一致，多孔基體瀝青混合料的級配設(shè)計結(jié)果如表5所示。試件制備的拌和順序為：高粘添加劑和集料拌和60s，加入瀝青拌和60s，礦粉拌和30s，木質(zhì)素纖維拌和30s，拌和加熱溫度為175℃。采用馬歇爾擊實儀雙面擊實50下成型試件，并根據(jù)規(guī)范要求測試其密度和體積參數(shù)匯總于表5。

3 性能測試

為了研究多孔基體瀝青混合料的設(shè)計對灌注式瀝青混合料的性能影響，采用動態(tài)蠕變試驗、低溫彎曲試驗和浸水馬歇爾試驗對灌注式瀝青混合料的路用性能進(jìn)行評價，為了保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，灌注式瀝青混合料試件的養(yǎng)護(hù)時間統(tǒng)一為7d，可以保證灌漿材料的充分水化。

表5 四種多孔基體瀝青混合料級配表

3.1 高溫性能

本試驗采用半正弦壓力荷載進(jìn)行動態(tài)重復(fù)加載，周期為1s，包括0.1s加載時間和0.9s間歇時間。軸向壓力設(shè)定為600kPa，無側(cè)向圍壓。試驗溫度設(shè)定為60℃，終止條件為軸向累積應(yīng)變達(dá)到3.5%或荷載作用次數(shù)達(dá)到10000次。試驗采用直徑100mm、高150mm的圓柱體試件。試驗前，將試件放置于溫控箱中恒溫4h，并在試件兩端各墊一張四氟乙烯薄膜，以消除試件端部約束效應(yīng)對試驗結(jié)果和精度的影響。將蠕變曲線匯總于圖1。在600kPa的軸向壓力下，灌注式瀝青混合料出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

圖1 動態(tài)模量試驗結(jié)果

從圖1中可以看出，試件的高溫性能排序為3#>2#>1#>4#，對應(yīng)的4種灌注式瀝青混合料的流動次數(shù)分別為8364、7928、7457和6345次，對比1#～3#灌注式瀝青混合料可以看出，隨著高粘添加劑的用量不斷增加，3#混合料的流動次數(shù)提高了12.2%，表明高粘添加劑的使用有效增強了瀝青膠結(jié)料的粘聚力，進(jìn)而提高了灌注式瀝青混合料整體高溫抗變形性能；而對比1#和4#灌注式瀝青混合料可以發(fā)現(xiàn)，隨著集料級配中粗集料比例的降低，集料骨架的嵌擠作用逐漸減弱，骨架間形成的內(nèi)摩擦力也隨之減少，導(dǎo)致灌注式瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性逐漸下降，4#試件的流動次數(shù)降低了14.9%。這表明多孔基體瀝青混合料的設(shè)計對灌注式瀝青混合料具有重要影響，提高粗集料比例和瀝青膠結(jié)料強度可以提高其高溫性能。

3.2 低溫性能

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)定》(JTG E20—2011)，進(jìn)行-10℃下彎曲試驗來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。采用規(guī)程T0703瀝青混合料輪碾成型的板塊狀試件，用切割法制作棱柱體試件(尺寸為長250mm±2.0mm、寬30mm±2.0mm、高35mm±2.0mm的小梁試件)。以50mm/min的加載速率在跨徑中央施加集中荷載，直至試件破壞。圖2和圖3分別為試件過程圖和低溫性能評價指標(biāo)。

圖2 低溫彎曲試驗

圖3 低溫彎曲試驗結(jié)果

從低溫彎曲試驗結(jié)果可以看出：

(1)對比1#～3#灌注式瀝青混合料的破壞應(yīng)變和勁度模量可知，隨著高粘添加劑的摻加量不斷增加，試件的破壞應(yīng)變不斷增大，勁度模量不斷降低，與1#混合料相比，3#混合料的破壞應(yīng)變增加了9.7%，勁度模量降低了5.6%，以上結(jié)果均表明高粘劑對瀝青膠結(jié)料的提升作用可以增強灌注式瀝青混合料的低溫抗裂性能。

(2)對比1#和4#灌注式瀝青混合料可以看出，4#混合料的破壞應(yīng)變提高了6.6%，而勁度模量基本相同，這是由于4#混合料中粗集料的比例降低，而裂縫主要在集料縫隙之間傳遞發(fā)展，粗集料的減少可以提高裂縫在集料間的延伸距離，進(jìn)而小幅提高了混合料的破壞應(yīng)變，而小梁試件尺寸較小，集料骨架的嵌擠作用無法完全發(fā)揮，因此，級配組成對混合料的低溫性能影響較小。

綜上所述，提高基體瀝青混合料中瀝青膠結(jié)料的性能可以提高灌注式瀝青混合料的低溫抗裂性能，而在相同空隙率下調(diào)整級配對低溫性能的影響較小，可以忽略。

3.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗對灌注式瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行評價。按標(biāo)準(zhǔn)擊實法成型馬歇爾試件，將試件隨機分為兩組，一組置于60℃的恒溫水槽中保溫0.5h后進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度測試，另一組在60℃水槽中保溫48h后進(jìn)行測試，將試驗結(jié)果匯總于表6所示。

表6 浸水馬歇爾試驗結(jié)果

根據(jù)1#～3#混合料試驗結(jié)果可知，高粘添加劑的摻加提高了灌注式混合料浸水前后的馬歇爾穩(wěn)定度和殘余穩(wěn)定度，馬歇爾穩(wěn)定度的提升驗證了動態(tài)蠕變試驗的結(jié)果，殘余穩(wěn)定度提升是因為高粘劑提高了瀝青膠結(jié)料的粘附性，水分難以進(jìn)入集料和瀝青交界處，提高了灌注式瀝青混合料的抗水損害性能。而4#混合料的殘余穩(wěn)定度與1#混合料基本相同，說明基體瀝青混合料的級配對其水穩(wěn)定性影響不大。

4 結(jié)論

為了研究多孔基體瀝青混合料的設(shè)計組成對灌注式瀝青路面路用性能的影響，在保證空隙率接近的情況下，通過調(diào)整混合料的設(shè)計組成進(jìn)行了不同基體材料的配合比設(shè)計，并對灌注式瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性進(jìn)行評價，得到結(jié)論如下：

(1)由動態(tài)蠕變試驗可知，通過添加高粘劑增強瀝青膠結(jié)料的粘聚力和提高集料骨架間的嵌擠作用均可以提高灌注式瀝青混合料的高溫抗變形性能，其高溫性能分別提高了12.2%和17.5%。

(2)由低溫彎曲試驗可知，提高瀝青膠結(jié)料的粘聚力可以提高灌注式混合料的低溫抗裂性能，3#混合料的破壞應(yīng)變提升了9.7%，而改變級配組成對低溫性能影響并不顯著。

(3)由浸水馬歇爾試驗可知，提高瀝青膠結(jié)料的粘聚力可以提高混合料的抗水損害性能，而改變級配組成對水穩(wěn)定性能影響不大。