乳化瀝青對半柔性路面材料的抗疲勞性能影響分析

梁遐意

（深圳市政府投資項目評審中心，廣東深圳 518036）

引言

半柔性路面是在大空隙瀝青混合料基體中灌入水泥砂漿，形成一種剛柔結合的路面結構，具有高溫穩定性強、行車舒適，耐磨性能強等優勢[1-4]。由于水泥砂漿與瀝青混合料基體體積穩定性差異大，導致半柔性路面結構內部易發生疲勞破壞而影響其使用壽命。其中水泥砂漿作為半柔性路面不可或缺的一部分，對其抗疲勞性能具有至關重要的影響，可通過水泥砂漿外摻劑的種類和摻量改善水泥砂漿的力學性能，進而提高半柔性路面材料的抗疲勞性能。目前關于半柔性路面水泥砂漿性能研究已有一些研究成果。丘愉莊,蔡旭等[5]采用半圓彎拉試驗研究分析了聚乙烯醇纖維砂漿對半柔性路面材料自愈合耐久性能影響。包歡,包惠明等[6]設計不同鎢渣摻量的水泥砂漿，探索其對半柔性路面的水穩性能影響。王黎明，雋海文[7]研究苯丙乳液對灌入式半柔性路面材料的性能影響規律。王端宜等[8]研究分析了羧基丁苯乳膠對水泥砂漿力學性能和半柔性路面路用性能影響。

為提高半柔性路面抗疲勞性能，本文選定乳化瀝青為水泥砂漿外摻劑，制備特殊型水泥砂漿，以改善水泥砂漿流動性能、強度及收縮性能，采用間接拉伸疲勞試驗研究乳化瀝青對半柔性路面抗疲勞性能影響，為半柔性路面的性能優化設計提供技術參考。

1 材料

本試驗原材料性能指標見表1。

表1 乳化瀝青技術指標

2 特殊型水泥砂漿

參照日本道路協會《ァスファルト鋪裝工事共通仕樣書解說》，半柔性路面灌注用水泥砂漿的性能要求：水泥砂漿在標準條件下養生7 d，抗壓強度為10～30 MPa，抗折強度＞3.0 MPa，流動度為10～14 s。

參考已有研究方法[9-10]，本文采用正交設計方法，以水杰比、礦粉用量及砂用量為三因素，開展水泥砂漿的流動性、力學性能、收縮試驗研究。經極差分析，確定普通型水泥砂漿的最佳配合比：水杰比0.65，礦粉用量為9%，砂用量為18%。

本文向普通型水泥砂漿摻入乳化瀝青，制備特殊型水泥砂漿，摻配設計和試驗結果見表2。

表2 特殊型水泥砂漿試驗結果

半柔性路面灌注用水泥砂漿的性能要求，對表2數據分析可知：

水泥砂漿摻入乳化瀝青后，增大了水泥砂漿流動度，隨著摻量增大，流動度逐漸增大；提高了抗折強度，降低了抗折強度，隨著摻量增大，抗折強度增大，抗壓強度減小；降低了水泥砂漿的收縮量，隨著摻量增大，收縮量減少。分析得知，乳化瀝青摻入后，流動性能下降，壓折比增大，柔性增強，體積穩定性增強。綜合考慮水泥砂漿的流動性能、力學性能、收縮性能影響，確定乳化瀝青摻配比例為6%。

3 半柔性路面基體配合比設計

級配設計：

本文采用主骨料空隙填充法（CAVF）[11]設計目標空隙率下的基體級配，CAVF 法基本思路是先實測主骨架礦料孔隙率，使細集料體積、礦粉體積、瀝青體積與設計孔隙率之和等于主骨架的孔隙體積。粗集料（主骨架）的嵌擠程度可用瀝青混合料的體積指標中的VCADRC 描述：

其中，VCADRC為堆積狀態下粗集料間隙率，%；ρsc為主骨架緊裝密度，g/cm3；ρtc為主骨料的表觀密度，g/cm3。

根據式（1）的計算結果，經驗確定礦粉與瀝青用量，并采用下式確定粗細集料用量：

其中，qc、qf、qp和qa是粗集料、細集料、礦粉和瀝青的質量百分率，%；ρtf和ρtp為細集料和礦粉的表觀相對密度，g/cm3；ρa為瀝青的密度，g/cm3；Vvs為瀝青混合料目標空隙率，%。

本文設計基體目標空隙率為24%，級配設計結果見表3。

表3 基體混合料級配設計

參考大空隙排水型路面OGFC 的設計方法[12]，采用謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗方法來確定基體的最佳油石比。

4 疲勞試驗與分析

4.1 間接拉伸疲勞試驗

本試驗采用應力控制的間接拉伸疲勞試驗評價半柔性路面混合料的疲勞性能。先采用MTS 試驗機測試試件的劈裂強度；再開展疲勞試驗，保持應力不變，應力比為0.2、0.3、0.4，測試相應應力比下的疲勞破壞時荷載作用次數。疲勞破壞是以試件的疲勞斷裂為準則，達到疲勞破壞的荷載作用次數為疲勞壽命。

應力控制是在應力重復性加載中，其峰谷值恒定。疲勞方程如式（4）所示：

式中：Nf- 疲勞壽命；σ- 拉應力；n、K- 瀝青混合料成分的常數。

式(4)中參數K、n 大小反映半柔性路面混合料的疲勞性能。K 值越大，表明混合料抗疲勞性能越優異；n 值越大，疲勞壽命對應力水平的變化越敏感，表明抗疲勞性越差[13]。

4.2 試驗分析

本文采用普通型水泥砂漿制備A 型半柔性路面材料，采用特殊型水泥砂漿制備B 型半柔性路面材料，開展半柔性路面疲勞試驗，數據分析得出疲勞回歸曲線，回歸方程見圖1。

圖1 疲勞回歸曲線（A 型）

根據圖1 的曲線分析，A 型半柔性路面疲勞性能參數，K24%=8.21，n24%=2.27；K28%=7.90，n28%=2.44；K32%=6.80，n32%=3.01。

根據圖2 的曲線分析，B 型半柔性路面疲勞性能參數，K24%=9.19，n24%=1.65；K28%=8.32，n28%=2.21；K32%=7.56，n32%=2.72。

圖2 疲勞回歸曲線（B 型）

結合圖1 和圖2 的數據分析，A 型和B 型半柔性路面隨著基體空隙率的增大，結構疲勞性能參數K 值減小，n 值增大，抗疲勞性能逐漸減弱。這表明基體空隙率增大，水泥砂漿灌漿量增大，加劇了半柔性路面結構內部的應力分布不均勻性，弱化了基體瀝青混合料和水泥砂漿的協同變形能力，降低了半柔性路面內部的體積穩定性，導致抗疲勞性能下降。

相比于A 型半柔性路面，摻加乳化瀝青的B 型半柔性路面結構疲勞性能參數K 值增大，n 值降低，增強了半柔性路面的抗疲勞性能。這表明乳化瀝青顯著改善了半柔性路面結構疲勞性能。分析其原因，乳化瀝青的摻入，降低水泥砂漿的脆性，強化了水泥砂漿與基體瀝青混合料的協同變形能力，降低了結構內部的應力集中度，對抵抗疲勞裂縫具有顯著的積極作用。

5 結論

（1） 乳化瀝青對水泥砂漿力學性能具有顯著影響作用，可降低水泥砂漿的壓折比和收縮性能，增強水泥砂漿柔性，降低水泥砂漿流動性能，提高收縮性能。

（2） 基體空隙率是半柔性路面結構抗疲勞性能的影響因素之一，基體空隙率越大，會降低半柔性路面結構的抗疲勞性能。

（3） 乳化瀝青可顯著提升半柔性路面的抗疲勞性能，在工程應用中，可采用乳化瀝青作水泥砂漿外摻劑來改善半柔性路面材料的抗疲勞性能。