灌入式復(fù)合路面基體瀝青混合料檢驗(yàn)方法研究

陳波，魏小皓，吳逸飛，鐘科，羅桑

(1.重慶建工集團(tuán)股份有限公司，重慶市 400000； 2.東南大學(xué) 交通學(xué)院； 3.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司；4.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院； 5.東南大學(xué) 智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心)

灌入式復(fù)合路面是由水泥砂漿灌入至基體瀝青混合料的孔隙中形成的，基體瀝青混合料的級(jí)配組成設(shè)計(jì)是影響灌入式路面性能的關(guān)鍵所在，為水泥砂漿的灌入提供前提條件。基體瀝青混合料的孔隙過(guò)小，會(huì)影響水泥砂漿的灌入效果，導(dǎo)致復(fù)合路面的強(qiáng)度性能無(wú)法滿足技術(shù)要求；孔隙過(guò)大，粗集料之間難以形成骨架-嵌擠結(jié)構(gòu)，混合料容易出現(xiàn)松散問題，致使水泥砂漿灌入之前基體路面無(wú)法承受施工機(jī)械荷載。由此可見，基體瀝青混合料的合理設(shè)計(jì)與否，對(duì)灌入式復(fù)合路面的整體路用性能影響很大。

目前中國(guó)對(duì)于基體瀝青混合料的檢驗(yàn)方法研究相對(duì)較為缺乏。宋家楠采用OGFC開級(jí)配瀝青混合料的設(shè)計(jì)思路來(lái)確定基體瀝青混合料的配比，研究結(jié)果僅驗(yàn)證了第一階段中基體骨架的性能指標(biāo)；王鳳華采用主骨架體積填充法(CAVF)設(shè)計(jì)得到3組級(jí)配，并以穩(wěn)定度、空隙率和滲透系數(shù)等指標(biāo)對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證，但滲透系數(shù)是以水作為介質(zhì)，其在基體瀝青混合料中的流動(dòng)情況與具有一定粒徑大小的水泥砂漿相差甚遠(yuǎn)，滲透系數(shù)作為評(píng)判其灌漿能力的說(shuō)服力明顯不足；胡玲玲采用正交方法考察多種因素對(duì)基體瀝青混合料的強(qiáng)度影響，設(shè)計(jì)流程繁瑣、試驗(yàn)量大，不適用于工程項(xiàng)目的實(shí)際需求。

基于此，該文提出三階段檢驗(yàn)法：首先檢驗(yàn)基體骨架的基本性能，其次考慮水泥砂漿在滿足第一步條件下的灌入效果，最后通過(guò)檢驗(yàn)復(fù)合材料的性能指標(biāo)作為綜合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。以GOAC-13(公稱最大粒徑為13.2 mm的灌入式復(fù)合瀝青混合料)和GOAC-16(公稱最大粒徑為16 mm的灌入式復(fù)合瀝青混合料)兩種瀝青混合料為例進(jìn)行研究分析。

1 原材料

1.1 瀝青

試驗(yàn)選用SBS改性瀝青作為結(jié)合料，參照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

1.2 礦料及級(jí)配

集料選用優(yōu)質(zhì)耐磨的玄武巖，填料選用石灰?guī)r礦粉，其技術(shù)要求和檢測(cè)結(jié)果分別如表2、3所示。各礦料的篩分結(jié)果如表4所示。

級(jí)配范圍參考日本《半柔性路面施工手冊(cè)》，根據(jù)表4的篩分結(jié)果，確定GOAC-13和GOAC-16兩種瀝青混合料的級(jí)配如表5所示。

1.3 最佳油石比

采用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)基體瀝青混合料的最佳油石比進(jìn)行研究，以馬歇爾穩(wěn)定度、流值和空隙率等指標(biāo)進(jìn)行綜合確定，得到GOAC-13和GOAC-16兩種瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，如表6所示。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果

表2 集料技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果

表3 礦粉技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果

表4 礦料篩分結(jié)果

表5 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

表6 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 三階段檢驗(yàn)流程

2.1 基體骨架性能檢驗(yàn)

基體瀝青混合料的空隙率一般為20%以上，作為大孔隙瀝青混合料的一種，其性能應(yīng)首先滿足大空隙瀝青混合料的技術(shù)要求。采用飛散試驗(yàn)和析漏試驗(yàn)分別計(jì)算基體瀝青混合料的飛散損失和析漏損失，從而對(duì)基體瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表7所示。

表7 析漏試驗(yàn)與飛散試驗(yàn)結(jié)果

由表7可以看出：GOAC-13和GOAC-16兩種瀝青混合料的飛散損失和析漏損失均滿足規(guī)范要求，說(shuō)明上述確定的級(jí)配和最佳油石比是合理的。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)：GOAC-16瀝青混合料的飛散損失大于GOAC-13，析漏損失的結(jié)果卻正好相反，這主要是由于GOAC-13瀝青混合料的油石比相對(duì)較大，增強(qiáng)了集料與瀝青之間的黏附力，同時(shí)也使得高溫下流淌的瀝青結(jié)合料相應(yīng)增多。

2.2 水泥砂漿灌入效果檢驗(yàn)

為評(píng)價(jià)水泥砂漿對(duì)基體瀝青混合料的灌入效果，引入灌漿飽和度的概念進(jìn)行灌入量分析，灌漿飽和度Sg按照式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Sg為灌漿飽和度(%)；m1為灌漿前試件質(zhì)量(g)；m2為灌漿后試件質(zhì)量(g)；ρ為水泥砂漿密度(g/cm3)；V為試件體積(cm3)；VV為基體瀝青混合料的空隙率(%)。

試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 灌漿飽和度和馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：GOAC-13和GOAC-16瀝青混合料的灌漿飽和度分別達(dá)到97.2%和96.9%，表明絕大部分水泥砂漿可以進(jìn)入基體骨架的孔隙中，形成灌入式復(fù)合結(jié)構(gòu)。由制作的試件也可以看出，經(jīng)過(guò)水泥砂漿灌入后，GOAC-13和GOAC-16瀝青混合料馬歇爾試件的孔隙基本被水泥砂漿填滿，達(dá)到了水泥砂漿灌入的預(yù)期目的。另外灌入式復(fù)合試件的穩(wěn)定度為23 kN左右，遠(yuǎn)超過(guò)SBS瀝青改性SMA混合料的馬歇爾穩(wěn)定度，說(shuō)明灌入式復(fù)合試件的強(qiáng)度很高。

2.3 復(fù)合材料路用性能檢驗(yàn)

采用60 ℃車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)分別評(píng)價(jià)復(fù)合瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性以及抗剪切性能，結(jié)果如表9所示。

由表9可知：水泥砂漿的加入改善了原瀝青混合料在高溫狀態(tài)下易發(fā)生變形的性質(zhì)，大幅度提高了混合料的抗車轍能力，而且適當(dāng)減小集料的公稱最大粒徑，有利于提高灌入式復(fù)合路面結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，增強(qiáng)高溫穩(wěn)定性能。

表9 復(fù)合材料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

GOAC-13和GOAC-16兩種瀝青混合料的極限彎拉應(yīng)變相差較小，且均小于SMA-13瀝青混合料，但是符合規(guī)范要求，表明灌入式復(fù)合材料的低溫性能有所下降，但仍能滿足低溫條件下的路用需求。

在凍融劈裂試驗(yàn)中，對(duì)照組試件需要真空保水后在-18 ℃條件下靜置16 h，這一凍融循環(huán)條件對(duì)水泥砂漿的強(qiáng)度造成一定幅度的影響，但60 ℃下恒溫水浴48 h又使得水泥砂漿的強(qiáng)度得到進(jìn)一步增長(zhǎng)，一定程度上減弱了結(jié)合料在高溫和高濕條件下黏結(jié)效果的衰減，最終使得復(fù)合材料具有良好的水穩(wěn)定性能。

直剪試驗(yàn)結(jié)果表明：灌入式復(fù)合材料在常溫與高溫下均具有優(yōu)良的抗剪切性能，且隨著溫度的升高，最大剪應(yīng)力下降很小，說(shuō)明灌入式復(fù)合材料對(duì)溫度的敏感性降低。同時(shí)，GOAC-13的抗剪切性能優(yōu)于GOAC-16，原因與高溫穩(wěn)定性能一致。

3 三階段檢驗(yàn)要求

在進(jìn)行三階段檢驗(yàn)之前，首先應(yīng)確定原材料以及基體瀝青混合料的級(jí)配和最佳油石比。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)三階段設(shè)計(jì)流程對(duì)基體瀝青混合料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)依次進(jìn)行檢驗(yàn)，不符合要求的應(yīng)當(dāng)重新設(shè)計(jì)，其中每一階段的設(shè)計(jì)要求如圖1所示。

圖1 三階段檢驗(yàn)方法設(shè)計(jì)要求

4 結(jié)論

采用三階段檢驗(yàn)方法對(duì)GOAC-13和GOAC-16兩種灌入式復(fù)合瀝青混合料進(jìn)行研究分析，分別對(duì)基體瀝青混合料的骨架性能、灌漿效果以及復(fù)合材料的路用性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)論如下：

(1) 借鑒日本灌入式復(fù)合路面設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得到的兩種基體瀝青混合料，其析漏損失與飛散損失均滿足規(guī)范要求，而且適當(dāng)減小混合料的公稱最大粒徑，有利于提高其抗剪切強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性能。

(2) 引入灌漿飽和度的概念評(píng)價(jià)水泥砂漿的灌入效果，兩種瀝青混合料的灌漿飽和度均達(dá)到預(yù)期要求，灌漿后試件的馬歇爾穩(wěn)定度遠(yuǎn)大于SMA瀝青混合料。

(3) 采用車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)對(duì)復(fù)合材料的路用性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明按照三階段檢驗(yàn)方法得到的灌入式復(fù)合材料，其高溫性能、水穩(wěn)定性能和抗剪切性能均優(yōu)于SMA瀝青混合料，低溫性能略差，但滿足規(guī)范要求。

(4) 通過(guò)基體骨架的性能指標(biāo)、水泥砂漿灌入效果和復(fù)合材料路用性能三個(gè)方面依次檢驗(yàn)得到的灌入式復(fù)合路面材料，其性能符合路面需求，證明了三階段檢驗(yàn)方法的科學(xué)性與合理性。