基體瀝青混合料組成設計對灌注式復合混合料的性能影響研究

張軍輝，張琴英

(浙江省金華市武義縣交通運輸局 金華市 321200)

0 引言

灌注式瀝青路面已被廣泛用于解決承受高交通量或重載的路面車轍問題，該復合路面體系是通過將具有高流動性的水泥基灌漿材料灌注到空隙率約為20%～30%的開級配多孔瀝青混合料骨架中制成的[1]。利用柔性瀝青和剛性水泥材料的優勢，其良好的應力松弛可以不需要設置溫度縫，與水泥混凝土路面相比，將大大提高行車舒適性，其更強的剛性可以確保更高的負載耐受性。它還有許多其他優點，如良好的耐油性和著色性[2-3]。

目前對灌注式瀝青路面的研究主要集中在水泥基灌漿材料配比(水膠比、外加劑摻量和砂用量等[4-5])和多孔基體瀝青混合料空隙率[6-7]對混合料各項路用性能的影響上，而對多孔基體混合料的研究相對較少。基體瀝青混合料骨架的強度組成主要包括瀝青膠結料的粘聚力和集料骨架間的嵌擠摩擦作用[8]。多孔基體瀝青混合料在復合材料中發揮著骨架支撐作用，在灌注式瀝青混合料中所占的質量比超過70%，其強度和各項性能對灌注式混合料性能影響顯著。因此，探討分析多孔基體瀝青混合料的設計組成對灌注式瀝青路面路用性能的影響有著重要的意義。

為了研究多孔基體瀝青混合料的設計組成對灌注式瀝青路面路用性能的影響，通過添加高粘劑和調整級配組成設計了4種空隙率接近的多孔基體瀝青混合料，并通過動態蠕變試驗、低溫彎曲試驗和浸水馬歇爾試驗分析了兩種變量對灌注式瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩定性的影響。

1 原材料

1.1 瀝青

采用SBS改性瀝青設計制備多孔瀝青混合料骨架，按照規范要求進行性能測試并匯總于表1。

表1 SBS改性瀝青性能測試結果

1.2集料

多孔瀝青混合料的級配設計包含的原材料有9.5～16.0mm的1#粗集料，4.75～9.5mm的2#中粗集料以及4.75mm以下的3#細集料。其中，1#粗集料和2#中粗集料是玄武巖，3#細集料是石灰巖。針對所用集料的性能展開測試，滿足《公路瀝青路面施工技術規范》的相關技術要求。

1.3 礦粉和纖維

填料采用具有良好粘附性的石灰石礦粉，纖維穩定劑采用道路工程常用的木質素纖維，對礦粉的使用性能進行測試，其結果如表2所示。

表2 礦粉性能指標

1.4 高粘添加劑和灌漿材料

采用某公司生產的高粘添加劑來增強基體瀝青混合料的強度，該添加劑為干法改性劑，無需提前與瀝青混合，高粘添加劑的性能參數與相關規范如表3所示。灌漿材料同樣選用該公司生產的高性能水泥基灌漿材料，據JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》中的流錐法測試了灌漿材料的流動性能，并對其不同齡期的抗壓強度進行了測試。最終確定灌漿材料和水的最佳比例為1∶0.32，并將其性能測試結果匯總于表4。

表3 高粘添加劑性能指標

表4 灌漿材料性能指標

2 混合料配合比設計

為了研究多孔基體瀝青混合料的骨架嵌擠作用和膠結料粘聚力對灌注式瀝青混合料性能的影響，通過調整級配設計和添加高性能改性劑兩種方式分別設計了4種多孔瀝青混合料，為了杜絕水泥基灌漿材料的影響，盡可能控制基體混合料的空隙率一致，多孔基體瀝青混合料的級配設計結果如表5所示。試件制備的拌和順序為：高粘添加劑和集料拌和60s，加入瀝青拌和60s，礦粉拌和30s，木質素纖維拌和30s，拌和加熱溫度為175℃。采用馬歇爾擊實儀雙面擊實50下成型試件，并根據規范要求測試其密度和體積參數匯總于表5。

3 性能測試

為了研究多孔基體瀝青混合料的設計對灌注式瀝青混合料的性能影響，采用動態蠕變試驗、低溫彎曲試驗和浸水馬歇爾試驗對灌注式瀝青混合料的路用性能進行評價，為了保證試驗結果的準確性，灌注式瀝青混合料試件的養護時間統一為7d，可以保證灌漿材料的充分水化。

表5 四種多孔基體瀝青混合料級配表

3.1 高溫性能

本試驗采用半正弦壓力荷載進行動態重復加載，周期為1s，包括0.1s加載時間和0.9s間歇時間。軸向壓力設定為600kPa，無側向圍壓。試驗溫度設定為60℃，終止條件為軸向累積應變達到3.5%或荷載作用次數達到10000次。試驗采用直徑100mm、高150mm的圓柱體試件。試驗前，將試件放置于溫控箱中恒溫4h，并在試件兩端各墊一張四氟乙烯薄膜，以消除試件端部約束效應對試驗結果和精度的影響。將蠕變曲線匯總于圖1。在600kPa的軸向壓力下，灌注式瀝青混合料出現失穩破壞。

圖1 動態模量試驗結果

從圖1中可以看出，試件的高溫性能排序為3#>2#>1#>4#，對應的4種灌注式瀝青混合料的流動次數分別為8364、7928、7457和6345次，對比1#～3#灌注式瀝青混合料可以看出，隨著高粘添加劑的用量不斷增加，3#混合料的流動次數提高了12.2%，表明高粘添加劑的使用有效增強了瀝青膠結料的粘聚力，進而提高了灌注式瀝青混合料整體高溫抗變形性能；而對比1#和4#灌注式瀝青混合料可以發現，隨著集料級配中粗集料比例的降低，集料骨架的嵌擠作用逐漸減弱，骨架間形成的內摩擦力也隨之減少，導致灌注式瀝青混合料的高溫穩定性逐漸下降，4#試件的流動次數降低了14.9%。這表明多孔基體瀝青混合料的設計對灌注式瀝青混合料具有重要影響，提高粗集料比例和瀝青膠結料強度可以提高其高溫性能。

3.2 低溫性能

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規定》(JTG E20—2011)，進行-10℃下彎曲試驗來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。采用規程T0703瀝青混合料輪碾成型的板塊狀試件，用切割法制作棱柱體試件(尺寸為長250mm±2.0mm、寬30mm±2.0mm、高35mm±2.0mm的小梁試件)。以50mm/min的加載速率在跨徑中央施加集中荷載，直至試件破壞。圖2和圖3分別為試件過程圖和低溫性能評價指標。

圖2 低溫彎曲試驗

圖3 低溫彎曲試驗結果

從低溫彎曲試驗結果可以看出：

(1)對比1#～3#灌注式瀝青混合料的破壞應變和勁度模量可知，隨著高粘添加劑的摻加量不斷增加，試件的破壞應變不斷增大，勁度模量不斷降低，與1#混合料相比，3#混合料的破壞應變增加了9.7%，勁度模量降低了5.6%，以上結果均表明高粘劑對瀝青膠結料的提升作用可以增強灌注式瀝青混合料的低溫抗裂性能。

(2)對比1#和4#灌注式瀝青混合料可以看出，4#混合料的破壞應變提高了6.6%，而勁度模量基本相同，這是由于4#混合料中粗集料的比例降低，而裂縫主要在集料縫隙之間傳遞發展，粗集料的減少可以提高裂縫在集料間的延伸距離，進而小幅提高了混合料的破壞應變，而小梁試件尺寸較小，集料骨架的嵌擠作用無法完全發揮，因此，級配組成對混合料的低溫性能影響較小。

綜上所述，提高基體瀝青混合料中瀝青膠結料的性能可以提高灌注式瀝青混合料的低溫抗裂性能，而在相同空隙率下調整級配對低溫性能的影響較小，可以忽略。

3.3 水穩定性

采用浸水馬歇爾試驗對灌注式瀝青混合料的水穩定性進行評價。按標準擊實法成型馬歇爾試件，將試件隨機分為兩組，一組置于60℃的恒溫水槽中保溫0.5h后進行馬歇爾穩定度測試，另一組在60℃水槽中保溫48h后進行測試，將試驗結果匯總于表6所示。

表6 浸水馬歇爾試驗結果

根據1#～3#混合料試驗結果可知，高粘添加劑的摻加提高了灌注式混合料浸水前后的馬歇爾穩定度和殘余穩定度，馬歇爾穩定度的提升驗證了動態蠕變試驗的結果，殘余穩定度提升是因為高粘劑提高了瀝青膠結料的粘附性，水分難以進入集料和瀝青交界處，提高了灌注式瀝青混合料的抗水損害性能。而4#混合料的殘余穩定度與1#混合料基本相同，說明基體瀝青混合料的級配對其水穩定性影響不大。

4 結論

為了研究多孔基體瀝青混合料的設計組成對灌注式瀝青路面路用性能的影響，在保證空隙率接近的情況下，通過調整混合料的設計組成進行了不同基體材料的配合比設計，并對灌注式瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩定性進行評價，得到結論如下：

(1)由動態蠕變試驗可知，通過添加高粘劑增強瀝青膠結料的粘聚力和提高集料骨架間的嵌擠作用均可以提高灌注式瀝青混合料的高溫抗變形性能，其高溫性能分別提高了12.2%和17.5%。

(2)由低溫彎曲試驗可知，提高瀝青膠結料的粘聚力可以提高灌注式混合料的低溫抗裂性能，3#混合料的破壞應變提升了9.7%，而改變級配組成對低溫性能影響并不顯著。

(3)由浸水馬歇爾試驗可知，提高瀝青膠結料的粘聚力可以提高混合料的抗水損害性能，而改變級配組成對水穩定性能影響不大。