泡沫瀝青+水泥半柔性基層混合料性能與經濟性分析

馬文光， 吳志勇

(四川省交通勘察設計研究院有限公司， 成都 610000)

半柔性混合料是指采用瀝青、水泥共同作為結合材料，利用水泥的水化作用和瀝青的粘結效果，使混合料的強度介于半剛性與柔性材料之間的材料。半柔性混合料兼具瀝青的柔性和水泥的強度，用于瀝青路面的基層時由于其強度介于柔性基層與半剛性基層之間，能夠起到有效的過渡作用，對減小路面結構層間剪應力和防止路面反射裂縫具有良好的應用效果[1-3]。

半柔性混合料的柔性粘結劑可采用改性瀝青、乳化瀝青和泡沫瀝青等。采用改性瀝青時通常先成型大孔隙瀝青混合料，然后將水泥漿灌入路面空隙，常用于公交場站和交叉路口等易發生車轍的位置。乳化瀝青和泡沫瀝青具有良好的施工和易性，與水泥、集料共同拌和形成混合料，常用于路面基層。泡沫瀝青+水泥穩定碎石是目前常用的半柔性基層材料，采用物理降粘的方法在不降低瀝青性能的情況下提高混合料的施工和易性，瀝青與水泥共同構成了半柔性混合料的粘結體系。由于半柔性混合料的材料組成相對于柔性基層與半剛性基層較為復雜，對混合料強度影響因素的分析難以得到較明確的結果，原材料與路用性能之間的關聯信息具有明顯的灰關聯特性。本文以中型粒徑的半柔性混合料為研究對象，測試半柔性混合料的空隙率、劈裂強度和水穩定性，采用灰熵分析方法研究級配、瀝青、水泥對路用性能的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1) 集料

集料選擇石灰巖集料，規格為0 mm～5 mm、5 mm～10 mm、10 mm～15 mm、15 mm～20 mm，技術指標如表1所示。

表1 集料的基本性能

2) 瀝青

使用中海70#道路石油瀝青生產泡沫瀝青，發泡用水量為瀝青質量分數的2.5%，發泡溫度為160 ℃，瀝青的技術指標如表2所示。

表2 70#道路石油瀝青技術指標

3) 水泥

水泥為P·O 32.5普通硅酸鹽水泥，技術指標如表3所示。

表3 水泥技術指標

4) 級配

我國對于半柔性基層混合料缺乏專用于指導級配設計的規范，因此，本文參照柔性基層與半剛性基層混合料常用的粗粒式級配進行試驗，分別為AC-20偏上限級配、AC-20中值級配、SMA-20、AC-25以及JTG/T F20—2015《公路路面施工技術細則》中的C-A-3型半剛性基層級配。維特根公司具有專用于半柔性材料的攤鋪機械，并于2004年提出了《維特根冷再生技術手冊》[4]用于指導半柔性材料的設計與施工，本文選擇WTG中值級配進行試驗。混合料級配如表4所示。

1.2 試驗方案

1) 擊實試驗確定半柔性基層混合料最佳含水率

參照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》成型圓柱體試件，在2%水泥摻量條件下進行擊實試驗，設置含水率為2.5%～6%，試驗梯度為0.5%，確定表4中6種級配的最佳含水率分別為5%、5%、4%、4.5%、4.5%、5%。

表4 半柔性基層混合料級配組成

2) 混合料路用性能研究

參照T0843-2009的方法，采用壓力機靜壓成型Φ100 mm×100 mm的圓柱形試件。將試件帶模養生1 d后脫模，放置于40 ℃烘箱內通風養生3 d，將試件取出冷卻后分為2組并測試空隙率。取出1組試件在25 ℃條件下通風養護2 h，按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0716-1993的方法測試常規劈裂強度M0；另外1組在25 ℃條件下浸水養護24 h，測試浸水劈裂強度M1。

1.3 確定灰熵關聯度

灰熵分析方法是在灰色關聯分析方法的基礎上引入灰熵的概念，計算比較序列相對參考序列的灰色關聯熵和灰熵關聯度，可對系統內各變量之間的影響顯著性進行排序，是一種適用于貧信息系統的分析方法[5-6]。

灰熵分析的主要過程為：分析系統內的自變量和因變量，建立比較序列X=[Xi(k),i=1,2,3，…，n,k=1,2,3，…，m]和參考序列Y=[Yj(k),j=1,2,3,…，h,k=1,2,3，…，m]。由于比較與序列之間的量綱和數量級存在差異，首先應對序列無量綱化為X′和Y′，按照式(1)進行。

(1)

計算比較序列與參考序列的灰關聯度，灰關聯度是比較序列與參考序列距離的反映，按照式(2)計算。

ε(X′i(k),Y′j(k))=

(2)

式中：ζ是分辨系數，區間為0～1.0，一般取0.5。

按照式(3)計算比較序列相對參考序列的灰熵密度值：

(3)

比較序列Xi相對參考序列Yj的灰關聯熵和灰熵關聯度分別按照式(4)、式(5)計算。

(4)

(5)

2 混合料級配特征研究

2.1 干涉顆粒粒徑及級配

半柔性基層的強度來源于集料之間的嵌擠和瀝青、水泥的粘結作用，礦料的骨架支撐作用是影響混合料強度的重要因素。此外，混合料非連續的結構特征使其形成一定的空隙，影響混合料滲水系數和強度。顆粒堆積理論認為混合料是由骨架顆粒、中間顆粒和細顆粒逐級填充形成，中間顆粒對骨架顆粒存在干涉效應。當中間顆粒含量較少時，粗細顆粒之間無明顯干涉，形成骨架嵌擠型結構，當中間顆粒含量較多導致干涉效應增強時，形成懸浮密實結構[7]。干涉顆粒的最小粒徑可以根據骨架顆粒確定，如式(6)所示。

DIC=0.225Dmin

(6)

式中：DIC為干涉顆粒的最小粒徑，mm；Dmin為骨架顆粒的最小粒徑，mm。文獻[8]將粗粒式級配的粗集料定義為31.5 mm～16 mm、16 mm～13.2 mm、13.2 mm～9.5 mm，9.5 mm～4.75 mm共4個粒級，混合料由粗集料中各檔集料逐級填充，本文將公稱最大粒徑為19 mm級配的骨架礦料范圍定義為大于4.75 mm，公稱最大粒徑為26.5 mm的級配骨架范圍為大于9.5 mm。計算DIC并根據JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》附錄A中的公路工程集料標準篩孔尺寸，取與DIC相鄰的篩孔作為DIC的代表粒徑[9]。計算幾種常見基層混合料的干涉顆粒最小粒徑，如表5所示。

表5 半柔性基層混合料級配干涉粒徑 mm

2.2 混合料級配特征參數

根據礦料級配組成可計算中間顆粒與粗骨架顆粒之間的干涉系數[7]，如式(7)所示。

(7)

式中：DF為干涉系數；VIC為干涉顆粒的體積；VDASR為骨架顆粒的體積。

對于粒徑小于DIC的細顆粒，其主要起到填充礦料骨架的作用，與粗集料之間無明顯干涉效應。提出細集料對骨架顆粒的填充系數與干涉填充比，如式(8)、式(9)所示。

(8)

(9)

式中：DS為填充系數；VS為粒徑小于DIC顆粒的體積；FR是礦料級配的干涉填充比。

2.3 混合料級配特征分析

針對上述半柔性基層混合料級配特征參數，計算AC-20上、AC-20中、SMA-20、AC-25、C-A-3、WTG的DF、DS、FR，如圖1所示。

根據圖1可知，不同級配的干涉系數DF存在較大差異，DF由大到小排序為：WTG>C-A-3>AC-20上>AC-20中>AC-25>SMA-20。從級配類型上，SMA-20是骨架密實級配，其干涉系數最小；AC-20上、AC-20中、AC-25屬于AC類級配，其干涉系數大于SMA，數值介于0.4～0.6之間；C-A-3、WTG的干涉系數較大，表明其具有較多的中間粒徑顆粒含量。

圖1 級配干涉系數與填充系數計算結果

填充系數DS由大到小排序為：WTG>AC-20上>C-A-3>AC-25>AC-20中>SMA-20，懸浮密實結構的填充系數大于骨架密實型，其主要原因是懸浮密實型級配中間顆粒與骨架之間干涉效應過于顯著，導致粗集料堆積的空隙體積增大，需要更多的細集料進行填充，才能滿足混合料密實性的要求。

干涉/填充比FR表征級配中干涉效應與細集料填充效應的相對程度，FR過大，混合料干涉效應過強而填充效應不足，易導致空隙率偏大；FR過小則會導致混合料中間粒徑的集料太少，缺少中間粒徑對外部荷載產生的應力進行傳遞和分散，容易導致礦料骨架的破壞。6種級配的FR由大到小排序為AC-20中>C-A-3>AC-25>AC-20上>SMA-20>WTG。

3 泡沫瀝青+水泥穩定碎石路用性能研究

3.1 混合料的空隙率及劈裂強度

半柔性基層承受上層結構的自重和車輛荷載，同時還起到防止水下滲的作用，因此應具有足夠的強度和密實性。本文參照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》T0843的方法，采用壓力機靜壓成型Φ100 mm×100 mm的圓柱形試件，測試試件的空隙率和劈裂強度，結果如圖2、圖3所示。

分析圖2和圖3可知：

1) 從圖2(a)可以看出，混合料的空隙率均隨油石比增大而減小，同等油石比下AC類級配的空隙率大于SMA類；相對于AC-20級配，公稱粒徑為25 mm的AC-25、C-A-3、WTG級配的空隙率較小。

(a) VV

(b) M0

(c) M1

(d) MS

(a) VV

(b) M0

(c) M1

(d) MS

2) 在較低油石比下SMA-20的空隙率略大于AC-25、C-A-3、WTG，空隙率隨油石比的增大而減小，油石比為2.5%～3.5%時，SMA-20空隙率最小。分析其原因，SMA-20屬于骨架密實型，低油石比狀態下粗集料的骨架嵌擠導致SMA-20相對難以壓實；隨著油石比增大，瀝青的潤滑作用增強，混合料空隙率減小；由于SMA-20的干涉系數較小，細集料對骨架的填充效果優于其他級配，混合料更容易實現壓實。

3) 圖2(b)、(c)顯示6種級配混合料的劈裂強度隨油石比變化的規律性相對空隙率較差，除AC-20上外，其余5種級配的混合料總體上呈現先升后降的趨勢；圖2(d)的殘留劈裂強度比則表現出更加無規律特征。混合料的強度是級配、瀝青、水泥綜合作用的結果，劈裂強度的無規律特點也表明采用控制變量的方法難以對各影響因素進行定量分析。

4) 為進一步分析水泥和瀝青摻量對混合料性能的影響，在AC-20上級配的基礎上進行試驗。圖3(a)是AC-20上級配在各水泥和瀝青摻量下的空隙率，可以看出混合料的空隙率隨油石比增大而減小，水泥對空隙率影響存在峰值，在1%水泥摻量下混合料達到最密實狀態。

5) 從圖3(b)、(c)的劈裂強度試驗結果可以看出，摻入小劑量水泥對強度提升效果不明顯，當水泥摻量足夠大時，水泥凝膠的增強作用才能體現出來。圖3(d)的試驗結果顯示，摻入2%～3%劑量水泥對混合料抗水損害能力具有顯著的改善；瀝青對混合料水穩定性的影響表現為無序性。

3.2 混合料性能的相關度分析

泡沫瀝青+水泥穩定碎石路用性能是級配、摻量、瀝青綜合作用的結果，由于混合料具有多指標的性能要求，因此需要進一步明確級配和材料因素對混合料性能的影響。根據2.1節提出的混合料干涉和填充系數，將混合料的級配特征、水泥摻量、油石比和路用性能進行灰熵關聯分析。泡沫瀝青+水泥穩定碎石路用性能如表6所示。

表6 泡沫瀝青+水泥穩定碎石路用性能

建立由DF、DS、FR、CC、WR組成的比較序列和VV、M0、M1、MS組成的參考序列，并按照式(1)～式(5)的方法計算比較序列、相對參考序列的灰熵關聯度，如表7所示。

表7 半柔性混合料指標的灰關聯熵和灰熵關聯度

從表7可見，各參數與混合料空隙率VV相關性的大小為：FR>WR>DF>CC>DS，干涉/填充比與油石比對空隙率相關性較大，混合料中間粒徑與細集料比例的均衡、瀝青的潤滑與填充作用是影響密實性的主要因素[10-11]。另外，水泥對空隙率的影響強于中間粒徑的干涉作用，這與本文選擇空隙率上限較小的懸浮密實型和骨架密實型級配進行試驗有關，致使和易性對密實程度的影響增強，摻入水泥改變了混合料的和易性進而影響密實程度[12-13]；此外，混合料中水分被水泥吸收后留下的微空隙，以及水泥水化物對空隙的填充也是導致空隙率變化的原因。

混合料常規劈裂強度的灰熵關聯度為：CC>FR>WR>DS>DF，水泥摻量對混合料強度的影響最為顯著，其次是干涉/填充比和瀝青用量。由于劈裂強度可評價混合料的抗拉裂性能，集料之間膠粘劑的粘結作用是影響抗裂性能的直接因素，水泥的水化物和瀝青的粘結效果對混合料的強度有顯著的提升效果[14-15]；良好的干涉/填充比增加了集料之間的接觸面積，提高了混合料的抗拉裂性能[16]。混合料浸水劈裂強度的灰熵關聯度為：CC>WR>FR>DS>DF，與常規劈裂強度基本一致。

殘留劈裂強度比表征混合料的抗水損害性能，各因素的灰熵關聯排序為：FR>WR>DF>CC>DS，FR對混合料的抗水損害性影響最顯著，其次是油石比。由于混合料的水損害是從水滲入混合料中的空隙開始，從前文的分析可知，FR和油石比是影響混合料空隙率的主要因素，因此，減小混合料空隙率可提高混合料的水穩定性。

4 工程案例

在某高速的大修工程中分別采用了泡沫瀝青+水泥穩定碎石和AC-25瀝青穩定碎石2種方案修筑路面基層，其中方案2為恢復原路面結構，設計年限為20年。路面結構分別為：

方案1：4 cm AC-13+5 cm AC-16+12 cm(泡沫瀝青+水泥穩定碎石)+14 cm水泥穩定碎石。

方案2：4 cm AC-13+5 cm AC-16+6 cm AC-25+20 cm水泥穩定碎石基層。

考慮道路的建設和養護費用，采用現值法(PVC)計算道路20年設計年限內的總費用，分析采用半柔性基層對道路建設成本的影響。

式中：PVCx1,n為方案x1在分析期n年內的總費用現值；ICx1為方案x1的初期建設費用；RCx1,t、MCx1,t和UCx1,t為方案x1在t年內的維修費、養護費和用戶費；S為路面殘值；i為貼現率；n為分析期；pwfi,t為貼現率i在年份t的現值系數。

原路面采用半剛性基層，在第7年、第15年進行2次中修，采用半柔性基層的路面在第12年進行中修，中修方案均采用加鋪4 cm改性瀝青混合料。日常養護主要是針對路面抗滑性能和平整度等功能性進行養護提升，3種路面的日常養護技術方案和費用差異不大，對全壽命周期內的養護成本無顯著影響，因此不進行計算。貼現率取值范圍一般為3%～5%，對于初期投資大的項目一般取低值，本文取3%。路面材料可再生利用，其殘值按材料價值的10%計算。現值法計算20年壽命周期的建設成本如表8所示。

表8 現值法經濟性分析結果

根據表8可知，半柔性基層瀝青路面的初期建設成本高于常規的半剛性基層路面，考慮設計壽命周期的養護費用后，使用半柔性基層的路面全壽命周期費用更低。

5 結論

1) 通過分析混合料的級配組成，在現有的逐級填充理論上提出礦料干涉系數DF、填充系數DS和干涉/填充比FR，表征混合料的級配特征。計算了AC-20上、AC-20中、SMA-20、AC-25、C-A-3和WTG共6種不同公稱最大粒徑的懸浮密實型和骨架密實型級配的級配特征參數，結果顯示不同級配的級配特征參數在數值上具有明顯差異，可用來表征混合料的級配特征。

2) 混合料的空隙率隨油石比增大而減小，水泥對混合料空隙率的影響存在峰值效應，摻入1%的水泥時可有效提高混合料的密實度；空隙率隨礦料級配的變化較為復雜，需進一步分析混合料填充特征與密實程度的關系。劈裂強度隨油石比變化的規律性較差，摻入2%～3%水泥對強度和水穩定性均有顯著的改善效果。

3) 半柔性混合料級配特征參數、油石比和水泥摻量對空隙的灰熵關聯度為FR>WR>DF>CC>DS，劈裂強度為CC>FR>WR>DS>DF，水穩定性為FR>WR>DF>CC>DS，可以看出FR對混合料的密實性、強度和水穩定性有顯著的相關性，DF、DS與路用性能的相關性較差。表明混合料粗細級配干涉和填充的均衡性是影響其性能的重要因素，采用FR評價混合料性能具有可行性，后續可拓展其他級配類型的研究。

4) 使用泡沫瀝青+水泥穩定碎石半柔性材料作為路面基層材料初期建設成本高于半剛性路面，但全壽命周期費用低于半剛性路面，具有較好的經濟效益。