半柔性路面材料抗裂性能研究

李 勝

(廣東粵路勘察設(shè)計(jì)有限公司 廣州市 510000)

0 引言

半柔性路面是在大空隙路面結(jié)構(gòu)中灌注高性能水泥砂(凈)漿而形成的新型路面結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)中填充了水泥砂(凈)漿，半柔性路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗車轍性能優(yōu)異。近年來，半柔性路面已廣泛應(yīng)用于中國(guó)的交叉路口、公交車站、快速公交(BRT)車道等區(qū)域[1]。先基于正交試驗(yàn)獲取普通水泥砂漿的配合比，然后從工程應(yīng)用角度選定硅灰、乳化瀝青、水性環(huán)氧樹脂作為水泥砂漿外摻劑，對(duì)水泥砂漿性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備三種特殊水泥砂漿，最后以水泥砂漿類型、基體空隙率、基體集料類型、基體瀝青類型為影響因素，對(duì)半柔性路面抗裂性能進(jìn)行影響因素分析，為半柔性路面的抗裂性能優(yōu)化提供可操作性的技術(shù)參考。

1 原材料準(zhǔn)備

1.1 水泥

試驗(yàn)采用P.O32.5硅酸鹽水泥，依規(guī)范[2]檢測(cè)其性能如表1。

表1 P.O 32.5性能指標(biāo)

1.2 標(biāo)準(zhǔn)砂

本試驗(yàn)成型水泥砂漿采用標(biāo)準(zhǔn)砂，含泥量0.4%，其級(jí)配如表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)砂級(jí)配

1.3 礦粉

本試驗(yàn)成型基體瀝青混合料采用石灰?guī)r礦粉，如表3所示。

表3 礦粉質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

1.4 瀝青

本試驗(yàn)采用的瀝青技術(shù)性能如表4所示。

表4 瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.5 集料

本試驗(yàn)采用的集料技術(shù)性能如表5所示。

表5 集料性能

2 水泥砂漿配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前存在很多外摻劑可顯著提高水泥砂漿的相關(guān)性能。為了進(jìn)一步提高水泥砂漿和半柔性路面的性能，本研究在水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用了硅灰、乳化瀝青和水性環(huán)氧樹脂三種外摻劑，優(yōu)化水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)，水泥砂漿優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表6、表7所示。

表6 水泥砂漿優(yōu)化設(shè)計(jì)

表7 水泥砂漿優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

(1)由表中數(shù)據(jù)可知，硅灰用量為0～15%，乳化瀝青用量為0～8%，水性環(huán)氧樹脂用量為0～10%，流動(dòng)度都符合規(guī)范要求。硅灰用量與流動(dòng)度呈現(xiàn)拋物線狀，流動(dòng)度呈先減小后增大的趨勢(shì)，這表明硅灰用量存在最佳值，即當(dāng)硅灰用量為5%時(shí)，流動(dòng)度達(dá)極小值；而乳化瀝青摻量與流動(dòng)度指標(biāo)正相關(guān)，水性環(huán)氧樹脂用量與流動(dòng)度負(fù)相關(guān)。

(2)由表中數(shù)據(jù)可知，硅灰、乳化瀝青及水性環(huán)氧樹脂的摻入，都可提高水泥砂漿的抗折強(qiáng)度；硅灰及水性環(huán)氧樹脂的摻入，提高了水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度，但是乳化瀝青的摻入降低了抗壓強(qiáng)度。通過數(shù)據(jù)計(jì)算，表明硅灰也降低了水泥砂漿的壓折比，水性環(huán)氧樹脂卻提高了水泥砂漿的壓折比。綜上所述，硅灰和乳化瀝青能改善水泥砂漿的柔性，而水性環(huán)氧樹脂則提高了水泥砂漿的脆性。

(3)由表中數(shù)據(jù)可知，硅灰、乳化瀝青及水性環(huán)氧樹脂的摻入，都進(jìn)一步降低了水泥砂漿的收縮量，摻入量越大，水泥砂漿收縮量的降幅越大，對(duì)改善水泥砂漿的收縮性能是有利的。但是從數(shù)據(jù)上分析可知，水性環(huán)氧樹脂的摻入對(duì)水泥砂漿收縮量的降幅最大，乳化瀝青次之，硅灰最小。這說明水性環(huán)氧樹脂對(duì)降低水泥砂漿的收縮性能影響程度最大，可作為改善水泥砂漿收縮性能的外摻劑。

綜合考慮流動(dòng)性、強(qiáng)度、收縮性能影響，最終設(shè)計(jì)了三種優(yōu)化型水泥砂漿，水泥砂漿Ⅰ的配合比為：水灰比0.7，標(biāo)準(zhǔn)砂用量16%，礦粉用量8%，乳化瀝青4%；水泥砂漿Ⅱ的配合比為：水灰比0.7，標(biāo)準(zhǔn)砂用量16%，礦粉用量8%，硅灰5%；水泥砂漿Ⅲ的配合比為：水灰比0.7，標(biāo)準(zhǔn)砂用量16%，礦粉用量8%，水性環(huán)氧樹脂6%，用于后續(xù)半柔性路面灌漿材料。

3 基體瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

本研究采用主骨料空隙填充法(CAVF)[3-4]進(jìn)行多孔瀝青混合料級(jí)配的設(shè)計(jì)。CAVF法主要機(jī)理是先確定粗集料主骨架礦料間隙率，使瀝青、細(xì)集料、礦粉與設(shè)計(jì)孔隙體積之和等于主骨架的孔隙體積。基體混合料級(jí)配如表8所示。

4 抗裂性能試驗(yàn)分析

4.1 低溫彎曲試驗(yàn)

本研究采用低溫彎曲試驗(yàn)進(jìn)行半柔性路面材料抗裂性能分析，試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)溫度-10℃，加載速率5mm/min。根據(jù)式(1)至式(3)計(jì)算試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量，作為抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)用于后續(xù)分析。

(1)

(2)

(3)

式中：RB、εB、SB分別為抗彎拉強(qiáng)度(MPa)、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量(MPa)；b、h分別為試件跨中斷面的寬度(mm)和高度(mm)；PB、d分別為試件破壞的最大荷載(N)和跨中撓度(mm)。

4.2 水泥砂漿外摻劑的影響

采用空隙率24%的級(jí)配曲線，基質(zhì)瀝青，凝灰?guī)r集料制備半柔性路面基體混合料，然后將普通水泥砂漿和三種特殊性能的水泥砂漿(硅灰5%，乳化瀝青4%，水性環(huán)氧樹脂6%)灌入基體，成型半柔性路面試件，進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

(a)抗彎拉強(qiáng)度

(b)彎拉應(yīng)變

(c)彎曲勁度模量圖1 不同水泥砂漿半柔性路面試件低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖1數(shù)據(jù)可知：

在基體空隙率24%下，水泥砂漿摻入硅灰、乳化瀝青及水性環(huán)氧樹脂后，對(duì)半柔性路面材料的抗彎拉強(qiáng)度具有一定程度的影響，其中外摻劑乳化瀝青和硅灰提高了原半柔性路面材料的最大彎拉應(yīng)變和抗彎拉強(qiáng)度，降低了彎曲勁度模量；而水性環(huán)氧樹脂則降低了其抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變，提升了彎曲勁度模量。這表明乳化瀝青和硅灰提高了半柔性路面的抗裂性能，其中乳化瀝青與半柔性路面抗裂性能相關(guān)性更強(qiáng)，水性環(huán)氧樹脂反而降低了原半柔性路面的抗裂性能。從工程應(yīng)用的角度而言，可采用在水泥砂漿中摻入乳化瀝青的方式提升半柔性路面材料的抗裂性能。

分析可知，水性環(huán)氧樹脂為熱固性材料，提升了水泥砂漿強(qiáng)度，增強(qiáng)了剛性，加劇了水泥砂漿與基體瀝青混合料的體積協(xié)調(diào)性，致使水泥砂漿與基體瀝青混合料的界面更易開裂，協(xié)同變形能力更弱，因此水性環(huán)氧樹脂的摻入增大了半柔性路面材料開裂易感性。而硅灰細(xì)度高，表面光滑，具有一定的潤(rùn)滑作用，可提高水泥砂漿的致密性，改善了水泥砂漿的體積穩(wěn)定性，這對(duì)半柔性路面抗裂性能是有利的；乳化瀝青能夠提高水泥砂漿的柔性，并增強(qiáng)水泥砂漿與半柔性路面基體的體積協(xié)同變形能力，進(jìn)而提高抗裂性能。因此硅灰和乳化瀝青的摻入對(duì)提高半柔性路面的抗裂性能有著顯著作用。

4.3 基體空隙率影響

采用基體級(jí)配設(shè)計(jì)曲線(空隙率24%、28%、32%)，基質(zhì)瀝青，凝灰?guī)r集料制備半柔性路面基體混合料，然后灌注普通水泥砂漿，成型半柔性路面試件，進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

(a)抗彎拉強(qiáng)度

(b)彎拉應(yīng)變

(c)彎曲勁度模量圖2 不同基體空隙率半柔性路面試件低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖2的數(shù)據(jù)可知，半柔性路面基體空隙率不同，低溫彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)差異性。基體空隙率的增大會(huì)導(dǎo)致半柔性路面的彎曲勁度模量增大，最大彎拉應(yīng)變緩慢減小。數(shù)據(jù)表明，基體空隙率增大導(dǎo)致半柔性路面的低溫抗裂性能逐漸下降，也就是說空隙率24%時(shí)的半柔性路面低溫抗裂性能最優(yōu)。究其原因在于，基體空隙率大小決定了水泥砂漿的灌漿量，對(duì)半柔性路面結(jié)構(gòu)的剛度模量產(chǎn)生不同程度的影響，水泥砂漿灌漿量越大，半柔性路面結(jié)構(gòu)的整體模型趨于剛性化，導(dǎo)致抗裂性能下降。因此從抗裂角度考慮，半柔性路面的空隙率不宜過大。

4.4 集料類型影響

采用空隙率24%的級(jí)配曲線，基質(zhì)瀝青，集料(石灰?guī)r、凝灰?guī)r、花崗巖)制備半柔性路面基體混合料，然后灌注普通水泥砂漿，成型半柔性路面試件，進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

(a)抗彎拉強(qiáng)度

(b)彎拉應(yīng)變

集料類型不同直接導(dǎo)致瀝青-集料的裹覆效果不同，對(duì)半柔性路面基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的影響。從圖3可以看出，基體集料類型對(duì)半柔性路面抗裂性能產(chǎn)生差異化的影響。從抗彎拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)和最大彎拉應(yīng)變上看，花崗巖最大，凝灰?guī)r次之，石灰?guī)r最小；從彎曲勁度模量上講，石灰?guī)r最大，凝灰?guī)r次之，花崗巖最大。綜合上述數(shù)據(jù)可知，花崗巖集料的半柔性路面低溫抗裂性能最佳。

4.5 基體瀝青類型影響

采用空隙率24%的級(jí)配曲線，三種瀝青類型(基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、環(huán)氧改性瀝青)，凝灰?guī)r集料制備半柔性路面基體混合料，然后灌注普通水泥砂漿，成型半柔性路面試件，進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

(a)抗彎拉強(qiáng)度

(b)彎拉應(yīng)變

(c)彎曲勁度模量圖4 不同基體瀝青類型半柔性路面試件低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從圖4數(shù)據(jù)分析知，不同基體瀝青類型對(duì)半柔性路面低溫抗裂性能產(chǎn)生不同程度的影響。相比于環(huán)氧改性瀝青和基質(zhì)瀝青，半柔性路面基體瀝青采用SBS改性瀝青時(shí)，抗彎拉強(qiáng)度最大，最大彎拉應(yīng)變最大，彎曲勁度模量最小。綜合考慮上述數(shù)據(jù)可知，SBS改性瀝青的半柔性路面低溫抗裂性能最佳，因此半柔性路面基體的彈塑性增強(qiáng)有利于低溫性能的提高。

綜上所述，水泥砂漿類型、基體空隙率、基體瀝青類型、基體集料類型等影響因素對(duì)半柔性路面低溫抗裂性能都有一定程度的影響。從彎曲勁度模量數(shù)據(jù)角度分析，基體空隙率對(duì)低溫抗裂性能的影響程度最大，基體瀝青類型和水泥砂漿類型次之，集料類型影響程度最低。由于基體空隙率涉及到半柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范疇，不宜隨意改動(dòng)，另一方面基體瀝青的改善往往會(huì)導(dǎo)致造價(jià)不斷攀升，經(jīng)濟(jì)性較差。而水泥砂漿可通過摻入外摻劑進(jìn)行性能改善，且摻量較低，對(duì)造價(jià)影響較小。因此提升半柔性路面低溫抗裂性能可從水泥砂漿類型入手，通過篩選水泥砂漿外摻劑，優(yōu)化水泥砂漿性能，以提高半柔性路面低溫抗裂性能。

5 結(jié)論

(1)采用正交試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了用于半柔性路面結(jié)構(gòu)灌注的水泥砂漿配合比(水灰比0.7，礦粉用量8%，砂用量為16%)。并以水泥砂漿的流動(dòng)性、強(qiáng)度及收縮性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定了外摻劑的最佳摻配量(硅灰6%，乳化瀝青4%，水性環(huán)氧樹脂6%)。

(2)水泥砂漿類型、基體空隙率、基體瀝青類型、基體集料類型對(duì)半柔性路面材料的抗裂性能有著不同程度的影響。水泥砂漿外摻劑—硅灰和乳化瀝青可提升半柔性路面的抗裂性能，水性環(huán)氧樹脂反而降低了半柔性路面的抗裂性能。基體空隙率越小，半柔性路面的抗裂性能越強(qiáng)。SBS改性瀝青和花崗巖集料對(duì)應(yīng)的半柔性路面低溫抗裂性能最優(yōu)。增強(qiáng)水泥砂漿柔性和增強(qiáng)基體彈塑性有利于半柔性路面低溫性能提高。

(3)根據(jù)半柔性路面低溫抗裂性能影響因素分析，基體空隙率對(duì)低溫抗裂性能的影響程度最大，基體瀝青類型和水泥砂漿類型次之，集料類型影響程度最低。綜合性能和經(jīng)濟(jì)性考慮，建議通過篩選水泥砂漿外摻劑，進(jìn)行水泥砂漿優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善半柔性路面抗裂性能。根據(jù)所采用的水泥砂漿外摻劑，推薦采用乳化瀝青為水泥砂漿外摻劑。