不同因素對半柔性路面材料抗裂性能的影響研究

劉 剛

(山西路橋建設集團國際公司，山西 太原 030006)

0 引言

目前，在高速公路建設中主要采用瀝青混凝土和水泥混凝土鋪筑路面，水泥混凝土路面作為一種剛性路面，其具有較強的承載能力和良好的抗沖擊、抗磨及抗腐蝕性能，但因路面鋪筑后的養生期較長使得路面開放交通較遲，且由于其具有較強的剛性，路面很容易產生裂縫、破碎板等病害，維修難度較大，行車舒適性也較差，對于后續路面的升級改造造成很大的不利影響；瀝青混凝土路面行車舒適性較

好，施工周期短，易于維修，近年來在高速公路中應用較為廣泛，但是其強度較低，而且作為一種感溫性材料，易于受溫度變化的影響。在夏季高溫多雨季節，瀝青路面會受到高溫、雨水及車輛荷載等多種因素耦合作用，路面逐漸產生一系列病害，如車轍、掉粒、坑槽等。在冬天寒冷季節，瀝青面層會產生較大的收縮變形，而此時瀝青主要表現為脆性，促使瀝青混合料質地脆硬，抗變形能力急劇下降，瀝青路面出現溫縮裂縫導致強度明顯降低。在春、秋兩季，基層的整體抗彎拉強度較小，瀝青路面在車輛垂直荷載作用下，會產生較大的彎拉應力和彎拉應變，經過車輪荷載反復作用后，應力或應變超過瀝青混合料的疲勞極限，路面產生疲勞斷裂破壞。

為了緩解和克服水泥路面與瀝青路面的不足，一種新型的半柔性路面材料應運而生。這種材料結合了水泥路面強度高、瀝青路面柔性好的特點，實現了路面材料“剛柔并濟”的思路。因此，開展新型半柔性路面材料的性能研究，對于提高公路路面建設具有重要的意義和價值。本文依托長沙市公路局“高性能半柔性復合路面與基層的開發應用研究”課題對影響半柔性路面材料性能的因素進行分析探討，以期為工程實際提供參考。

1 原材料性能與試驗方法

1.1 原材料性能

1.1.1 瀝青性能

本研究選取東莞泰和瀝青有限公司生產的70#SBS-I-D改性瀝青，以及課題組自主研發的橡膠改性瀝青與高粘改性瀝青，三種瀝青的主要技術性能見表1：

表1 瀝青技術指標性能測試結果對比表

1.1.2 粗集料性能

本研究選用三種粗集料，分別取自邯鄲武安白沙產的石灰巖、重慶樂山產的玄武巖和湖北紅安產的輝綠巖，其技術指標性能如表2所示：

表2 粗集料技術指標性能測試結果對比表

1.1.3 細集料性能

細集料多采用機制砂，其棱角性良好，但是表面粗糙程度較低，因此還會摻入一部分的石屑，促使細集料的表面摩擦力增大，進一步提高瀝青混合料性能。本研究采用邯鄲武安白沙產的機制砂，其主要技術指標如表3所示：

表3 細集料技術指標性能測試結果表

1.1.4 填料性能

礦粉具有良好的吸附能力，能很好地填充水泥集料之間的空隙，使膠結能力更強，從而提升混凝土強度.本文填料選用石灰巖磨細得到的礦粉，其性能如下頁表4所示：

表4 礦粉技術性能測試結果表

1.1.5 水泥砂漿

本文用于灌注大空隙基體瀝青混合料的水泥砂漿配合比如表5所示：

表5 水泥砂漿配合比表

制備得到的水泥砂漿流動性較好，泌水率和離析率較小，3 d抗壓強度為18.6 MPa，抗折強度為4.82 MPa，28 d抗壓強度為44.23 MPa，抗折強度為7.51 MPa。

1.2 試驗方法

1.2.1 低溫彎曲試驗

通過低溫小梁彎曲試驗(JTG E20-2011)來檢驗混合料的低溫拉伸特性，室內成型車轍板試件，然后利用切割機切割為符合要求的小梁試件，采用萬能材料試驗機MTS810試驗機，試驗中小梁的尺寸為：長250 mm±2.0 mm，寬30 mm±2.0 mm，高35 mm±2.0 mm，跨徑200 mm±0.5 mm。選取測試環境分別為-10 ℃，荷載施加速度為50 mm/min，以試驗得到的彎拉強度、最大破壞應變和計算得到的勁度模量為評價指標。

1.2.2 單軸壓縮試驗

室內成型一定尺寸的車轍板試件，采用切割機將試件切割為80 mm×40 mm×40 mm，利用MTS810試驗機進行加載試驗，試驗溫度選擇10 ℃，加載頻率為50 mm/min，以試驗得到的單軸壓縮強度、壓縮應變及壓縮勁度模量作為評價指標。

1.2.3 四點彎曲疲勞試驗

采用MTS萬能材料試驗機，選用四點彎曲疲勞試驗方法對半柔性路面材料進行疲勞性能研究，試驗采用應力控制模式，荷載為10 Hz的正弦波，應力比采用單一應力比0.4，試驗溫度選15 ℃，控制加載速率為50 mm/min，以試驗得到的疲勞壽命對半柔性路面材料疲勞性能進行研究。

2 試驗結果分析

2.1 低溫抗裂性

2.1.1 低溫彎曲試驗

(1)瀝青類型對半柔性路面材料低溫抗裂性的影響

首先研究了不同瀝青類型對半柔性材料低溫性能產生的影響，在研究不同瀝青種類的影響時，粗集料選用玄武巖，試驗結果如表6所示：

表6 不同瀝青對半柔性材料低溫抗裂性的影響對比表

同一溫度條件下，彎拉強度和最大應變越大，勁度模量越小，低溫性能越好。從表6可以看出，三種瀝青對于半柔性路面材料低溫性能的影響較大，三種瀝青對應半柔性路面材料的彎拉強度與最大應變從大到小依次為高粘改性瀝青>70#SBS-I-D改性瀝青>橡膠改性瀝青；勁度模量從大到小依次為橡膠改性瀝青>70#SBS-I-D改性瀝青>高粘改性瀝青。由此可以看出采用高粘改性瀝青時的半柔性材料低溫性能最好，70#SBS-I-D改性瀝青次之，橡膠改性瀝青最差。

(2)粗集料類型對半柔性路面材料低溫抗裂性的影響

然后研究了不同粗集料類型對半柔性材料低溫性能產生的影響，在研究不同粗集料種類的影響時，瀝青選用70#SBS-I-D，試驗結果如表7所示：

表7 不同粗集料對半柔性材料低溫抗裂性的影響對比表

從表7可以看出，三種粗集料對應半柔性路面材料的彎拉強度從大到小依次為輝綠巖>玄武巖>石灰巖；最大應變從大到小依次為玄武巖>輝綠巖>石灰巖；勁度模量從大到小依次為輝綠巖>石灰巖>玄武巖。綜合考慮三種集料對半柔性材料低溫抗裂性的影響較大，可以發現玄武巖對應的半柔性材料低溫性能最佳。

2.1.2 單軸壓縮試驗

(1)瀝青類型對半柔性路面材料低溫抗裂性的影響

為了進一步研究瀝青類型對半柔性材料低溫抗裂性的影響，試驗采用單軸壓縮強度試驗對三種集料對應的半柔性材料進行試驗，試驗時粗集料類型選擇玄武巖，試驗結果如表8所示：

表8 不同瀝青對半柔性材料低溫抗裂性的影響對比表

從表8可知，從單軸壓縮強度與壓縮應變大小來看，高粘改性瀝青>橡膠改性瀝青>70#SBS改性瀝青；從壓縮勁度模量可知，70#SBS改性瀝青>橡膠改性瀝青>高粘改性瀝青。綜合來看，瀝青對單軸壓縮強度的影響較小，選擇高粘改性瀝青效果最佳。

(2)粗集料類型對半柔性路面材料低溫抗裂性的影響

在研究集料種類對低溫性能的影響時，瀝青選擇70#SBS-I-D，試驗結果如表9所示：

表9 不同粗集料對半柔性材料低溫抗裂性的影響對比表

從表9結果來看，單軸壓縮強度從大到小分別為輝綠巖>玄武巖>石灰巖；但從壓縮應變來看，變化規律與壓縮強度正好相反，灰綠巖對應的壓縮勁度模量最大，玄武巖次之，石灰巖最小。綜合對比三種集料來看，玄武巖對應的半柔性材料低溫性能最好。

2.2 疲勞抗裂性

2.2.1 四點彎曲疲勞試驗

(1)瀝青類型對半柔性路面材料疲勞抗裂性的影響

為研究三種瀝青對半柔性材料疲勞性能的影響，本文采用MTS810進行四點彎曲疲勞試驗，試驗結果如表10所示：

表10 不同瀝青對半柔性材料疲勞壽命的影響對比表

從表10可得知，三種瀝青對應的半柔性材料的疲勞壽命中高粘改性瀝青最大，橡膠改性瀝青次之，70#SBS-I-D最小，說明高粘改性瀝青用于半柔性材料的抗疲勞性能效果最好。

(2)粗集料類型對半柔性路面材料疲勞抗裂性的影響

對不同粗集料類型的半柔性路面材料疲勞壽命進行評價，瀝青采用70#SBS-I-D，試驗結果如表11所示：

表11 不同粗集料對半柔性材料疲勞壽命的影響對比表

從表11試驗結果發現，輝綠巖對應的疲勞壽命均值最大，玄武巖與輝綠巖大小相當，僅次于輝綠巖，石灰巖最小。僅考慮疲勞性能的情況下，采用輝綠巖的效果最佳。

2.3 綜合分析

從低溫小梁彎曲試驗、單軸壓縮強度試驗以及四點彎曲疲勞試驗得到的結果綜合來看，在半柔性路面材料的原材料選擇時推薦粗集料采用玄武巖，瀝青選用高粘改性瀝青。

3 結語

本文依托“高性能半柔性復合路面與基層的開發應用研究”課題對影響半柔性路面材料性能的因素進行探討，通過室內性能試驗研究了不同集料與不同瀝青類型對半柔性路面材料性能的影響，得出以下結論：

(1)瀝青種類對單軸壓縮強度的影響較小，但是對低溫彎曲性能和疲勞壽命影響較大，在綜合考慮抗裂性能的情況下推薦采用高粘改性瀝青。

(2)集料類型對于半柔性材料低溫抗裂性與疲勞性能有略微差異，單考慮低溫性能玄武巖最好，疲勞性能時輝綠巖最好，玄武巖稍弱，但綜合考慮推薦采用玄武巖較佳。