灌入式半柔性路面材料疲勞特性研究

孫耀鶴

（河南省交通檢測技術研究院有限公司，河南 鄭州 450000）

隨著經濟提升，我國交通行業進入一個高速發展的階段[1]，對道路行駛舒適性提出更高的要求[2]，目前，道路路面材料主要以熱拌瀝青混合料為主[3]，部分道路采用水泥混凝土路面，其中瀝青路面以施工便捷、行車平穩舒適等優點，受到廣泛推廣。瀝青是典型的粘彈性材料[4]，溫度敏感性高，高溫地區的瀝青路面受到車輛反復的動荷載，瀝青路面產生滑動和車轍，降低路面使用壽命，因此，國內外學者提出灌入式半柔性路面材料[5]，該路面材料是指在大孔隙瀝青混合料（空隙率20%～30%）中[6]，灌入以水泥為主要材料的特種漿料，與集料間產生嵌擠作用，共同提高復合材料路面在高溫作用下抵抗變形的能力[7]。灌入式復合路面材料的高溫穩定性能、低溫抗裂性能和抗滑耐磨能力性能有顯著提升[8]，然而特殊漿體在復合材料性能中起到關鍵性作用，本文通過復配不同漿體，采用UTM-25 試驗機分別對不同的灌入式半柔性復合路面材料進行四點彎曲疲勞性試驗，對不同漿體的復合材料疲勞性能進行對比，擬合疲勞壽命曲線圖。

1 試驗材料與礦料級配

1.1 瀝青

灌入式復合路面材料在空隙率20%以上，其中集料中粗集料占比大，瀝青吸附面積小，應使用性能優異的瀝青以增加黏附性[9]，提高混合料的空隙率，本文采用SBS 改性瀝青Ⅰ-C 型，其檢測結果如表1 所示。

表1 SBS 改性瀝青試驗結果

1.2 礦料

集料選用平頂山市石龍區石料廠玄武巖，礦粉選用石灰石礦粉，各項試驗結果如表2、表3 所示。

表2 集料試驗結果

表3 礦粉試驗結果

依據集料碎石的篩分情況進行合成級配，本文研究GRAC-13 型基底瀝青混合料，合成結果如表4 所示。

表4 GRAC-13 配合比設計

1.3 灌漿料

日本半柔性路面設計規范中，對灌漿料的性能提出目標值，并以目標值為設計目標[10-11]，確定普通型灌漿料配合比，其配合比見表5。

表5 普通型灌漿料配合比

乳化瀝青砂漿（CA 砂漿），是在普通型灌漿料中加入乳化瀝青，利用水泥水化和乳化瀝青破乳后形成交織結構，具有一定強度并且有彈性的復合漿料[12]，其配合比及性能如表6 所示。

表6 CA 型灌漿料配合比

2 灌入式半柔性路面材料疲勞性能研究

2.1 試驗方法

疲勞試驗一般分為三種類型:第一種是模擬路面實際狀態下在真實汽車輪胎碾壓作用下的疲勞試驗，其中最常用的是美國AASHO 試驗路，但其研究周期長，用時四年才完成試驗。第二種是足尺路面結構在模擬汽車行駛荷載作用下的疲勞試驗，其中最常用的是小型加速加載設備等，該設備投資大，研究時間長。第三種是JTG E20-2011 規范中對瀝青混合料疲勞試驗的要求，該方法快捷準確，因此本文中所采用該方法對復合材料路面的疲勞壽命進行評價。

依據JTG E20-2011 規范中對瀝青混合料的疲勞性能采用四點彎曲疲勞試驗進行評價，將不同灌漿料的GRAC-13 基底瀝青混合料進行制樣[13]，如圖1 所示。

圖1 GRAC-13 基底瀝青混合料試樣

由溫度效應理論可知，瀝青在高溫狀態下流動能力強，灌漿料中摻入不同種聚合物降低材料本身剛性強度可能最有效，因此在制樣過程中，選擇先將基地瀝青混合料制備完成后，采用可自由流體的灌漿料注入。

制樣過程：依據設計空隙率為25%，制作試樣，后將乳化瀝青水泥漿（CA 灌漿）與普通型灌漿料注入，養護成型，具有一定強度再切割成試驗尺寸，如圖2 所示。

圖2 制備試樣

采用UTM機器進行四點彎曲疲勞試驗，選擇單向無側向抗壓，模具選擇試驗的夾具頭，采用應力控制模式，應力比設置0.2、0.4、0.6、0.8，荷載是通過一根1.27cm 的加載壓條作用在試樣上，試驗前預壓30 秒，預壓荷載2KPa，試驗溫度15℃、30℃、45℃、60℃，記錄疲勞壽命次數[14-15]。

2.2 試驗結果

根據2.1 節中試驗方法，對不同灌漿料的復合材料進行疲勞試驗，結果如表7 所示。

選用普通灌漿料、CA 灌漿料的對數疲勞壽命平均值進行線性擬合，如圖3、圖4 所示。

由表7 可得出來乳化瀝青水泥灌漿料的疲勞壽命整體比普通水泥灌漿料高，這是由于乳化瀝青在破乳過程中，促進水泥水化，與水泥水化產物形成交織網狀結構，從而提高灌入式路面材料抗疲勞能力；同時，隨著溫度的升高，兩種灌漿料的疲勞壽命降低較大，最大降低54.5%，說明溫度對疲勞壽命影響較大，但摻入乳化瀝青的灌漿料后，最大降低51%，提高疲勞性能2%左右。

表7 不同灌漿料的復合材料疲勞壽命

由圖3、圖4 可得出應力比與對數疲勞壽命存在線性關系，且乳化瀝青水泥灌漿料的疲勞壽命整體高于普通型灌漿料，同時隨著溫度升高，疲勞壽命降低明顯，從45℃至60℃時，下降速率最快，乳化瀝青水泥灌漿料溫度敏感性低。

圖3 普通灌漿料對數疲勞壽命擬合圖

圖4 CA 灌漿料對數疲勞壽命擬合圖

3 結論

3.1 摻入乳化瀝青后水泥復合灌漿料溫度敏感性降低，其中乳化瀝青破乳過程促進水泥水化作用，整體性提高復合材料的性能，并且作為乳化瀝青水泥灌漿料可提高復合路面材料的疲勞性能。

3.2 應力比與對數疲勞性能存在線性關系，可使用四點彎曲試驗采集的疲勞壽命，整理為對數疲勞性能來對比不同灌漿料抗疲勞性能的能力。