灌入式半柔性混合料路用性能研究進(jìn)展

基金項目：

中央引導(dǎo)地方科技項目“廣西典型固體廢棄物道路領(lǐng)域綜合資源化利用技術(shù)研發(fā)中心”（編號：桂科ZY21195043）；廣西交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項目“工業(yè)園區(qū)環(huán)保型灌注式路面結(jié)構(gòu)與材料應(yīng)用技術(shù)研究”（桂交便函〔2022〕174號）

作者簡介：

涂福韻（1988—），工程師，主要從事路基、路面、橋梁施工技術(shù)研究工作。

文章梳理和總結(jié)了灌入式半柔性混合料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（指南）與技術(shù)要求，從高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及疲勞性能四個方面闡述了其路用性能。研究表明：灌入式半柔性混合料借鑒瀝青混合料的車轍、浸水馬歇爾以及凍融劈裂試驗(yàn)?zāi)芎线m地表征其路用性能，但其疲勞性能評價沿用瀝青混合料的相應(yīng)方法存在不足；灌入式半柔性混合料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、良好的水穩(wěn)定性以及一定的低溫抗裂性能，具有推廣應(yīng)用價值。

道路工程；灌入式；半柔性混合料；路用性能

U416.217 A 03 007 3

0 引言

灌入式半柔性混合料是在已鋪筑的大空隙瀝青混合料上采用流動性良好的水泥基灌漿料灌入至混合料內(nèi)部空隙中，經(jīng)適當(dāng)養(yǎng)護(hù)后形成一種“剛?cè)岵?jì)”的新型路面材料。目前該材料的命名并未統(tǒng)一，有學(xué)者稱其為灌注式半柔性混合料或半柔性復(fù)合路面，因其具有較強(qiáng)的抗車轍能力，近年來在道路領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注，對緩解長大縱坡、城市十字交叉路口、BRT公交車道等特殊路段道路永久變形具有重要意義［1-3］。

灌入式半柔性混合料組成機(jī)理較為復(fù)雜，影響因素較多，如基體瀝青混合料的材料組成、配合比設(shè)計、空隙率及內(nèi)部空隙分布特性等。鑒于灌入式半柔性混合料的復(fù)雜性，本文主要探討其有關(guān)路用性能，以半柔性混合料有關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)為出發(fā)點(diǎn)，歸納和總結(jié)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對灌入式半柔性混合料的技術(shù)要求，并從高溫、低溫、水穩(wěn)定性及疲勞性方面梳理相關(guān)研究成果，以推動灌入式半柔性混合料應(yīng)用。

1 灌入式半柔性混合料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（指南）

灌入式半柔性混合料有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（指南）在國內(nèi)發(fā)展較晚。據(jù)有關(guān)報道，重慶交通大學(xué)等單位依托國家西部交通科技項目，并在借鑒國內(nèi)外半柔性路面技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成了《半柔性路面應(yīng)用技術(shù)指南》。隨著公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的不斷提升，我國瀝青路面的使用性能和服役壽命得到了改善，但是瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足導(dǎo)致的車轍病害較為突出，尤其是南方地區(qū)。鑒于半柔性路面優(yōu)異的高溫抗車轍性能，近年來，灌入式半柔性混合料在我國得到了廣泛應(yīng)用，諸多道路工作者不斷總結(jié)半柔性路面實(shí)施技術(shù)，并結(jié)合地區(qū)氣候環(huán)境特性，形成了地方標(biāo)準(zhǔn)，如2014年出版的廣東地方標(biāo)準(zhǔn)《專用砂漿半柔性路面應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，以及在此基礎(chǔ)上于2019年形成的交通行業(yè)第一部半柔性混合料標(biāo)準(zhǔn)《半柔性混合料用水泥基灌漿材料》。在交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的推動下，我國相繼發(fā)行了地方標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的各種半柔性路面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指南（如下頁表1所示）。灌入式半柔性混合料的內(nèi)容包括了大空隙瀝青混合料基體、灌漿料以及灌入式半柔性混合料的技術(shù)要求，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、質(zhì)量管理和驗(yàn)收成套相關(guān)技術(shù)，助力灌入式半柔性混合料的規(guī)模化應(yīng)用推廣。

2 灌入式半柔性混合料路用性能評價

根據(jù)灌入式半柔性混合料的組成特性，大空隙瀝青混合料中的空隙率介于20%～30%，在一定的灌漿飽滿度下，瀝青混合料基體的體積一般是水泥基灌漿料的2～3倍，即瀝青混合料基體的體積比率顯著高于水泥灌漿料。因此，縱觀現(xiàn)有灌入式半柔性混合料有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（指南），幾乎所有半柔性混合料的路用性能評價方法主要參考現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）［11］。表2梳理了截至2022年12月中旬之前國內(nèi)發(fā)布的有關(guān)半柔性混合料技術(shù)要求指標(biāo)。由表2可知：（1）一般采用灌漿飽滿度或填充率和灌入率表征大空隙瀝青混合料基體中水泥漿的填充程度，具體的試驗(yàn)方法各標(biāo)準(zhǔn)基本類似；（2）高溫與水穩(wěn)定性主要參考和借鑒瀝青混合料中常用的高溫和水穩(wěn)定性評價試驗(yàn)，考慮到材料的應(yīng)用場合，一些試驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)根據(jù)不同地區(qū)氣候特征進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，半柔性混合料的高溫性能良好，對車轍試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)荷載進(jìn)行了升級，同時在試驗(yàn)具體數(shù)值上也有所改變；（3）低溫性能主要是采用小梁試驗(yàn)的彎曲破壞應(yīng)變表征，由于材料應(yīng)用環(huán)境、層位不同，破壞應(yīng)變的試驗(yàn)溫度和數(shù)值存在差異，部分標(biāo)準(zhǔn)還采用了彎拉強(qiáng)度作為輔助指標(biāo)。值得留意的是上述路用性能的測試涉及水泥灌漿料的硬化，因此，其路用性能與齡期以及養(yǎng)護(hù)條件緊密相關(guān)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)（指南）在灌入式半柔性混合料路用性能評價齡期和養(yǎng)護(hù)條件存在一定差異，這也是半柔性混合料技術(shù)要求存在差異的重要原因。

2.1 高溫穩(wěn)定性

根據(jù)已有文獻(xiàn)和工程試驗(yàn)證實(shí)，灌入式半柔性混合料具備優(yōu)異的抗車轍能力，較高的彈性模量，可緩解瀝青路面的塑性變形破壞。與此同時，縱觀諸多研究成果，針對其高溫性評價方法主要是參考瀝青混合料有關(guān)指標(biāo)，如動穩(wěn)定度、馬歇爾穩(wěn)定度等。瀝青混合料基體的空隙率和養(yǎng)護(hù)齡期對高溫穩(wěn)定性影響較大，王濤等［12］認(rèn)為該類材料的動穩(wěn)定度是常規(guī)SMA的5倍以上，提高瀝青混合料基體的空隙率相當(dāng)于增加了水泥灌漿料在半柔性混合料的體積分?jǐn)?shù)，由于水泥灌漿料對溫度敏感性較低，與試驗(yàn)溫度相比，荷載條件對動穩(wěn)定度指標(biāo)的敏感性強(qiáng)于溫度的影響。嚴(yán)守靖等［13］發(fā)現(xiàn)預(yù)留灌漿深度值會影響半柔性混合料的高溫穩(wěn)定性，其中高溫穩(wěn)定性的臨界值為7.92 mm，預(yù)留深度在7.92～10.56 mm的半柔性混合料可取得滿意的路用性能。由于傳統(tǒng)的車轍試驗(yàn)未考慮到水分、溫度以及交通荷載的耦合作用，一些學(xué)者提出采用漢堡浸水車轍試驗(yàn)進(jìn)一步評價其高溫穩(wěn)定性，同時通過調(diào)整溫度、荷載條件也可模擬不同層位和交通環(huán)境下材料的路用性能。

2.2 水穩(wěn)定性

半柔性混合料包含了水硬性膠凝材料，在浸水的過程中，水泥漿體強(qiáng)度會發(fā)生增加，同時半柔性混合料的內(nèi)部空隙較少，水分難以侵入水泥、瀝青界面，使得浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度超過100%［14］。因此，為避免傳統(tǒng)浸水馬歇爾試驗(yàn)存在的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不真實(shí)，未能客觀反映半柔性混合料的水穩(wěn)定性問題，諸多研究人員提出應(yīng)將其與凍融劈裂試驗(yàn)相結(jié)合。鄭曉光等［15］研究表明，半柔性混合料的水穩(wěn)定性與SMA相當(dāng)，具有良好的水穩(wěn)定性。現(xiàn)有灌入式半柔性混合料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范針對水穩(wěn)定性的技術(shù)要求一般是凍融試驗(yàn)高于其他試驗(yàn)值，同時，考慮到半柔性混合料主要應(yīng)用于上面層和中面層，綜合現(xiàn)行瀝青混合料水穩(wěn)定性的技術(shù)要求，凍融劈裂和浸水馬歇爾殘留強(qiáng)度比分別為80%、85%，部分標(biāo)準(zhǔn)的殘留強(qiáng)度比高達(dá)90%甚至95%，對半柔性混合料的設(shè)計、施工及質(zhì)量控制要求過高，與我國目前半柔性路面整體施工水平不匹配，不利于新技術(shù)、新工藝的推廣應(yīng)用。

2.3 低溫性能

半柔性混合料是一種含有瀝青膠結(jié)料、水泥膠凝材料以及礦料和空隙的多元多相復(fù)合材料，盡管水泥組成比例不高，但是對半柔性混合料低溫抗變形的能力產(chǎn)生重要影響。從理論上而言，水泥水化后的鈣礬石和Ca（OH）2在大空隙瀝青混合料內(nèi)部空隙界面形成較為連續(xù)的水泥石-瀝青膠漿-集料多級復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)雖然顯著提升了不同材料的界面強(qiáng)度，但是也極大弱化了其變形協(xié)調(diào)能力，導(dǎo)致半柔性混合料的低溫性能下降。低溫彎曲應(yīng)變可較好地反映材料的低溫抗裂性能，這也是國內(nèi)半柔性混合料有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦采用的技術(shù)指標(biāo)，并根據(jù)公路氣候特征對試驗(yàn)溫度進(jìn)行了調(diào)整。研究表明，半柔性混合料的低溫性能不及SMA［15］，甚至不如普通瀝青混合料［16］。由于半柔性混合料的勁度模量和強(qiáng)度高于傳統(tǒng)瀝青混合料，道路學(xué)者提出了低溫蠕變、低溫劈裂強(qiáng)度以及應(yīng)變能密度等指標(biāo)綜合評價其低溫性能，表明半柔性混合料本身線收縮系數(shù)小，不易誘發(fā)溫度裂縫，可用于寒區(qū)道路。

2.4 疲勞性能

半柔性混合料的疲勞性能雖然在現(xiàn)行的地方標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)中未提出有關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)評價方法和指標(biāo)，但提高疲勞性能對抵抗反復(fù)的交通荷載具有重要意義，也是提升道路服役壽命，降低道路全生命周期碳排放的關(guān)鍵舉措之一。目前，灌入式半柔性混合料疲勞性能的研究方法主要是參考瀝青混合料的疲勞性測試手段，如彎曲疲勞和間接拉伸疲勞等。研究表明，半柔性混合料的疲勞壽命優(yōu)于傳統(tǒng)瀝青混合料，但也有研究發(fā)現(xiàn)由于水泥-瀝青界面存在天然缺陷，其疲勞性能不及一般瀝青混合料［17］。因此，有關(guān)半柔性混合料試驗(yàn)的試驗(yàn)手段有分歧，尚需進(jìn)一步研究材料的疲勞破壞機(jī)理，以提出新的試驗(yàn)方法。

3 結(jié)語

（1）在參考瀝青混合料高溫、水穩(wěn)定性評價方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)灌入式半柔性混合料的特性，適當(dāng)調(diào)整有關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，采用車轍、馬歇爾以及凍融試驗(yàn)可以較好地反映半柔性混合料的路用性能。

（2）灌入式半柔性混合料具有較高的彈性模量和抗車轍變形能力，也具有良好的水穩(wěn)定性，與SMA相當(dāng)。

（3）借鑒瀝青混合料的彎曲試驗(yàn)，采用彎曲破壞應(yīng)變可以很好地表征半柔性混合料的低溫抗裂性能。半柔性混合料的抗裂性能良好，可適應(yīng)于寒冷地區(qū)。

（4）現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（指南）未明確半柔性瀝青混合料的疲勞性能試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)方法有待進(jìn)一步研究。

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收稿日期：2022-10-15