基體空隙率對灌漿瀝青路面路用性能的影響研究

楊 明，唐文波，陳 軍

(1.貴州省六枝公路管理段 六盤水市 553000；2.貴州省水城公路管理局 六盤水市 553000；3.貴州中路交通技術有限公司 貴陽市 550000)

0 引言

瀝青路面具有噪音小、開放交通快、抗滑效果好和無接縫等優點，被廣泛應用于我國高等級路面建設，但是瀝青路面作為溫度敏感性材料，在荷載和高溫作用下容易產生車轍病害，嚴重降低了瀝青路面的行駛質量和使用壽命[1-3]。近年來人們對公路出行和運輸的要求不斷提高，交通量與日俱增，加劇了瀝青路面的車轍病害產生，嚴重影響了我國公路運輸事業的發展。

為了解決瀝青路面的車轍病害，研究人員研發了灌漿瀝青路面結構，并取得了良好的路用效果。灌漿路面是通過在大空隙基體瀝青混合料中灌注水泥基灌漿材料形成的復合路面結構，其結合了瀝青材料的柔性和水泥材料的剛性，具有優異的抗變形性能、耐久性和耐高溫性能[4-6]。目前，灌漿路面已經被歐美日中等多個國家認可，用于重載路段、交叉路口、公交站臺、BRT專用車道、收費站、港口、機場等特殊重載車轍嚴重路段的修筑[7-9]。大部分研究對大空隙基體瀝青混合料的空隙率要求在20%～25%左右，考慮到基體瀝青混合料的空隙率決定了灌漿料的灌注量，考慮到灌漿料的剛性特征，其用量增加有利于提升灌漿瀝青路面的抗變形性能[10]。因此，增大基體瀝青混合料空隙率是一種潛在地提升灌漿瀝青路面抗車轍性能的手段，但是過高的空隙率可能會導致灌漿瀝青路面抗裂性能的降低，目前缺乏相關的研究。

為了研究基體瀝青混合料空隙率對灌漿瀝青路面路用性能的影響，設計了20%、23%、26%和29%的4種空隙率基體瀝青混合料來制備灌漿瀝青混合料(GAC)，并對其進行路用性能測試。

1 原材料

1.1 瀝青

SBS改性瀝青被用于基體瀝青混合料設計，其性能測試[9]見表1。

表1 SBS改性瀝青性能

1.2 集料和礦粉

采用玄武巖集料和石灰石礦粉用于大空隙基體瀝青混合料配合比設計。其中，石灰石礦粉的基礎性能如表2所示。

表2 石灰石礦粉性能測試

1.3 水泥基灌漿料

選擇南京興佑交通科技有限公司生產的高性能水泥基灌漿材料。根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》中測試不同水固比灌漿料的流動度以及抗壓強度。最終確定灌漿料的水固比為0.3，灌漿料的性能指標如表3。

表3 灌漿料性能指標及技術要求

2 基體瀝青混合料配合比設計

2.1 骨架級配

采用體積法來進行基體瀝青混合料配合比設計，設計空隙率分別為20%、23%、26%和29%，體積設計法是通過級配設計實現對目標空隙率的控制，其具體方法如下：利用泰波公式來確定基體瀝青混合料主骨架的級配組成，并根據各級各檔集料的篩分結果進行調整；根據集料的表觀密度和粗集料的緊裝密度計算主骨架的空隙率；根據設計經驗確定礦粉和瀝青的用量分別為2.5%和3.8%；據體積設計法的相關試驗和計算，初步確定了4種不同空隙率瀝青混合料的級配，并制備了馬歇爾試件測試其實際空隙率，最終確定的級配曲線如圖1所示。上述試件的命名規則為：P為空隙率(%)。

圖1 PAC-13試件的合成級配圖

2.2 最佳瀝青用量

考慮到不同瀝青混合料級配存在差異，馬歇爾試驗被用來確定其最佳瀝青用量。依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行了相關試驗，測試了不同瀝青用量下馬歇爾試件的毛體積密度、穩定度、流值等指標，確定了不同空隙率基體瀝青混合料的最佳瀝青用量。相關測試結果如表4所示。

表4 PAC-13試件的最佳瀝青用量相關測試

從表4中可以看出，根據配合比設計結果制備的馬歇爾試件其設計空隙率與實際空隙率基本一致，而且4種大空隙基體瀝青混合料的穩定度均超過了5kN，具有足夠的力學強度。

2.3 配合比驗證

根據大空隙瀝青混合料的組成特點，分別需要通過謝倫堡析漏和肯塔堡飛散試驗對瀝青混合料的瀝青用量上限和下限進行限制，保證瀝青混合料運輸和應用過程中不會發生流淌和剝落。針對不同配比的大空隙基體瀝青混合料進行謝倫堡析漏和肯塔堡飛散試驗，來分析其油石比是否符合性能要求，具體結果如表5所示。

表5 析漏和飛散試驗結果

由表5可知，不同配比的基體瀝青混合料均符合析漏和飛散試驗的基本要求，表明上述油石比滿足規范要求，設計得到的基體瀝青混合料能夠用于灌漿瀝青路面施工。

3 GAC路用性能

為了評價不同基體瀝青混合料空隙率對灌漿瀝青路面路用性能的影響，制備了不同基體瀝青混合料空隙率的GAC，試件的命名方式為：G為基體瀝青混合料空隙率(%)。

3.1 高溫性能

采用車轍試驗儀對不同基體瀝青混合料空隙率的GAC進行車轍試驗，試驗溫度為60℃，接地壓力為0.7MPa。將不同試件的動穩定度匯總于圖2。

圖2 GAC車轍試驗結果

由圖2可知，提高基體瀝青混合料空隙率可以提高GAC的動穩定度，基體瀝青混合料空隙率從20%提高至29%，其動穩定度從12400次/mm提高至18600次/mm，提高了50.0%。空隙率提高增大了灌漿料的灌注比例，灌漿料在高溫環境下仍然能夠保持優異的力學性能，進而提升了GAC的抗變形性能。因此，可以采用提高基體瀝青混合料空隙率來提高灌漿瀝青路面的抗車轍性能。

3.2 低溫性能

采用UTM對不同基體瀝青混合料空隙率的GAC進行低溫彎曲試驗。小梁試件由300mm×300mm×50mm車轍板切割而成，其尺寸為250mm×30mm×35mm。試驗溫度為-10℃，試驗前需要將試樣保溫12h。兩個支架的間距為200mm，在試件的跨中位置施加50mm/min的速度加載。將不同試件的破壞應變和勁度模量分別匯總于圖3和圖4。

圖3 GAC的破壞應變

圖4 GAC的勁度模量

由圖3可知，基體瀝青混合料空隙率的提高會降低GAC的破壞應變，基體瀝青混合料空隙率從20%提高至29%，其破壞應變從1425με降低至1052με，降低了26.2%。由圖4可知，基體瀝青混合料空隙率的增大會提高GAC的勁度模量，基體瀝青混合料空隙率從20%增大至29%，其勁度模量從5245MPa提高至6495MPa，提高了23.8%。從上述結果可以看出，基體瀝青混合料空隙率的增大，提高了灌漿料在GAC中的比例，增強了GAC的剛性特征，提高了混合料的勁度模量，導致GAC的抗裂性能下降，因此，需要結合灌漿瀝青路面實際的環境條件和交通情況來確定基體瀝青混合料的空隙率。

4 結論

針對瀝青路面的車轍病害，采用灌漿瀝青路面用于抗車轍路面建設，并設計制備了具有不同基體瀝青混合料空隙率的GAC，測試了其路用性能，得到的結論如下：

(1)通過體積設計法制備了具有不同空隙率(20%、23%、26%和29%)的基體瀝青混合料，其設計指標均滿足大空隙瀝青混合料的性能要求，采用體積設計法可以得到指定空隙率的基體瀝青混合料。

(2)通過車轍試驗和低溫彎曲試驗測試了GAC的路用性能，結果表明，提高基體瀝青混合料的空隙率可以有效提高GAC的高溫抗車轍性能，但是會降低混合料的低溫抗裂性能，由此可知，需要針對灌漿瀝青路面的現場環境和交通情況來進行基體瀝青混合料設計。