灌入式水泥瀝青混合料道路修復(fù)材料研究

李庚英，CONTEH SANTIGIE MORLOR，何華庭，張 敏，王海洋

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 廣州 510642）

改革開放之后，國家的重心轉(zhuǎn)向經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建設(shè)了大量基礎(chǔ)設(shè)施，城市道路得到了較快發(fā)展。近10年，城市道路在投入使用后均陸續(xù)表現(xiàn)出了不同的問題，例如開裂、斷板、沉陷、錯(cuò)臺(tái)、脫空等路面病害，各種道路病害問題不僅影響道路的使用壽命及行車安全，也大大降低了道路的服務(wù)水平［1-2］。傳統(tǒng)的道路修補(bǔ)技術(shù)耗時(shí)長、工期長，嚴(yán)重影響正常交通通行，造成大面積交通阻塞，影響出行，進(jìn)一步造成不可估量的直接以及間接的經(jīng)濟(jì)損失，不利于社會(huì)和諧穩(wěn)定。因此，為高效解決路面損壞，研究新型修補(bǔ)材料具有極其重要的意義。

灌入式水泥-瀝青混合料（PCA）的概念很早已被提出，早在1954 年，法國就研制成功了“灌水泥漿開級配瀝青混凝土路面施工法”。國內(nèi)對水泥-瀝青復(fù)合材料的研究起步較晚，在20世紀(jì)90年代，我國對半柔性路面開展研究，初步論證了該項(xiàng)技術(shù)的可行性［3］。

本文擬采用灌入式水泥瀝青混合料（PCA）技術(shù)作為一種新型的復(fù)合材料，利用嵌擠原則，通過由基體瀝青混合料和水泥漿2 個(gè)部分相互作用形成，是改造后長壽命路面的主體結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合了混凝土和瀝青2 種路面的優(yōu)點(diǎn)［4-7］。由于復(fù)合路面處于剛性路面和柔性路面結(jié)構(gòu)之間，具有良好的韌性與剛度，采用這一技術(shù)較之在水泥路面上的應(yīng)用預(yù)計(jì)能夠取得更好的效果［8-11］。

根據(jù)復(fù)合路面大修的客觀情況，本文針對灌入式水泥瀝青混合料技術(shù)進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究及開發(fā)：原材料制備、母體骨架的最佳級配確定、最佳瀝青用量確定、復(fù)合料性能測試。

1 原材料制備

灌注式水泥瀝青混合料的母體骨架由不同粒徑的集料和瀝青組成，原材料質(zhì)量的好壞，直接影響到母體骨架的設(shè)計(jì)與性能，并最終影響到復(fù)合材料整體的性能指標(biāo)，因此，有必要對原材料質(zhì)量進(jìn)行檢測，在檢測指標(biāo)符合技術(shù)規(guī)范的情況下，做出最佳選擇。

1.1 集料

集料的粒徑規(guī)格和質(zhì)量要求均應(yīng)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范：JTG F40—2004》的規(guī)定。本次試驗(yàn)粗集料為灰長巖，細(xì)集料采用石灰?guī)r碎屑細(xì)磨礦粉，充分發(fā)揮集料的嵌擠作用，再通過填充水泥基材料來增強(qiáng)灌入式復(fù)合路面的抗變形性能［12］。

對于灌注式水泥瀝青混合料的母體骨架，粗集料主要形成骨架整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)提供水泥乳漿灌注的空隙，因此，在材料選擇時(shí)，其級配應(yīng)在粒徑范圍內(nèi)適當(dāng)偏粗，但不可過粗，以避免形成單一大粒徑的碎石，破壞整體級配，降低路用性能；同時(shí)，也不可偏細(xì)，否則將使水泥乳漿的灌注量受到直接影響，使復(fù)合材料的最終空隙率偏大，造成性能下降。選擇呈弱堿性的石料，有利于提高與瀝青的黏附性。

1.2 瀝青

本研究用的瀝青為韓國SK-90#基質(zhì)瀝青，一方面是考慮在達(dá)到良好路用性能的前提下盡量降低成本，同時(shí)更是為了使灌注式水泥瀝青復(fù)合材料具有更大的適用范圍。

母體骨架是復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，提供了供水泥乳漿灌注的前提條件，水泥乳漿作為注劑，灌注到母體骨架預(yù)留的空隙中，填充大部分的空隙，水化后形成的水泥石在原本連通的空隙中形成空間的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，起到加筋交聯(lián)混合料的作用。

2 級配設(shè)計(jì)

2.1 瀝青混合料——級配初步設(shè)計(jì)

配合比是混合料的重要影響因素，使用配合比適合的母體骨架混合料，使得骨架中空隙貫通，保證水泥乳漿能順利灌入，高溫性能優(yōu)異，有效降低路面高溫造成的車轍病害［13］。本文采用公稱最大粒徑16 mm的混合料，設(shè)計(jì)空隙率范圍15%～35%。空隙率測定的試件采用成型馬歇爾試件，擊實(shí)成型方法按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程：JTG E20—2011》［14］中OGFC 類試件成型方法，雙面擊實(shí)50 次。結(jié)果顯示，對于未經(jīng)改性的水泥漿體，25%～35%的效果要明顯優(yōu)于15%～25%。灌漿用水泥乳漿水灰比為0.7，未進(jìn)行改性處理。

灌后孔隙率的計(jì)算按照試驗(yàn)所選不同配比分別調(diào)整了粗、細(xì)及粉料的用量，并以體積法測定了其灌前總體積，經(jīng)過測定水泥密度和試件灌后質(zhì)量增加量，測算灌注水泥漿體的體積，灌前空隙減去灌后水泥漿體體積，得出最終復(fù)合材料剩余的空隙率，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 灌前與灌后的空隙率對照Fig.1 Comparison Chart of Porosity before and after Irrigation

研究表明，3～5 mm 的細(xì)料對于瀝青混合料的空隙率有著較大的影響，其主要作用在于封閉空隙，但對于高、低溫等路用性能無實(shí)際的意義。因此，為了保證灌注效果，在設(shè)計(jì)時(shí)將該檔料去掉，以減少對水泥乳漿的灌注干擾。

經(jīng)過上述22 組不同配方成型不同空隙率的試件可以看出，級配設(shè)計(jì)是決定灌入效果的重要因素。為了保證較大的空隙和灌注效果，粗料所占比例較傳統(tǒng)的AC類混合料大幅度提高，達(dá)到45%以上，最大達(dá)到95%，細(xì)、粉料的用量有所降低。

同時(shí)實(shí)驗(yàn)表明，空隙率的大小與灌注效果之間并沒有穩(wěn)定的因果關(guān)系。也就是說，相對較大的空隙率并不是順利灌注灌好的充分必要條件，如配方8 和配方11，灌前空隙達(dá)到29%和31%，但灌后空隙仍有20%和23%。灌注效果是指母體骨架空隙率保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?，灌注的水泥乳漿能夠很好地灌注到母體骨架預(yù)留的空隙中去，同時(shí)能夠保證灌后的剩余空隙率控制在較低的范圍內(nèi)，一般認(rèn)為4%～6%較為合適，避免出現(xiàn)灌漿困難。

在水泥漿體流動(dòng)性一定的前提下，0～3 mm 的用量及級配對于灌注效果具有相當(dāng)大的影響。由圖2所示，不同摻量的粉、細(xì)料其灌前空隙率基本穩(wěn)定，但灌后的剩余空隙卻有較大的差別，其主要原因是加入不同粒徑的粉、細(xì)料后會(huì)改變混合料中孔徑的尺寸，進(jìn)而影響灌注效果。

圖2 不同摻量粉料（細(xì)料）灌前后空隙率對照Fig.2 Comparison of Porosity before and after Irrigation With Different Amount of Powder（Fine Material）

對上述22組配比，為了初步掌握其最終的復(fù)合材料性能，挑選其中具有代表性的若干組進(jìn)行了肯塔堡飛散、高溫性能和低溫性能測試。從試驗(yàn)結(jié)果分析，25%～35%空隙率配比的高溫性能較傳統(tǒng)的AC 類有非常大的提高，提高幅度達(dá)到10～30倍，而低溫性能并沒有提高，反而不能達(dá)到文獻(xiàn)［14］中對于AC類混合料彎拉應(yīng)變不小于2 000 εB 的要求。由于粉、細(xì)集料用量的減少，粗集料用量的明顯增多，又導(dǎo)致瀝青用量減少，在2.0%～2.5%范圍，因此使低溫性能大大降低。

2.2 級配優(yōu)化設(shè)計(jì)

級配初步設(shè)計(jì)的目的是保證水泥漿能夠順利灌注，級配優(yōu)化設(shè)計(jì)是在保證灌注效果的前提下對其使用性能進(jìn)行提高，以保證母體骨架的低溫性能和增加柔性。根據(jù)初步設(shè)計(jì)結(jié)果，本研究對母體骨架級配進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，優(yōu)化之后配方如表1所示。

表1 優(yōu)化后級配Tab.1 Optimized Gradation （%）

根據(jù)圖3、圖4 曲線數(shù)據(jù)可知，由于對水泥乳漿性能進(jìn)行了改善，即使提高了粉、細(xì)料及瀝青用量，灌注效果仍然十分理想。雖然灌前空隙率不同，從21%到28%不等，但最終剩余空隙基本穩(wěn)定在4%～6%之間，說明灌注效果良好，空隙率試件符合指標(biāo)要求。

圖3 級配曲線Fig.3 Gradation Curve

圖4 配合比的空隙Fig.4 The Porosity of the Mix Ratio

2.3 確定備選級配

對比6 組試件的肯塔堡飛散結(jié)果，如表2 所示?？紤]到路用性能和力學(xué)指標(biāo)，最終選定配方1和配方3作為最終備選的2 組級配進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)研究。2 種備選配方級配曲線如圖5所示。

表2 肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of Fort Kentucky Dispersion Test

圖5 備選級配曲線Fig.5 Alternative Grading Curve

2.4 最佳瀝青用量確定

本文采用以飛散和析漏試驗(yàn)確定最小、最大瀝青用量，既要防止瀝青用量過多，出現(xiàn)離析、流淌現(xiàn)象；也要防止用量不足，骨架間粘結(jié)性降低，導(dǎo)致瀝青混合料的強(qiáng)度降低，使得路面出現(xiàn)松散開裂現(xiàn)象［15］。同時(shí)，以馬歇爾指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證的方法進(jìn)行，以保證在沒有條件進(jìn)行飛散試驗(yàn)的情況下能夠進(jìn)行施工。

參考文獻(xiàn)［14］中OGFC混合料對于飛散結(jié)果的要求指標(biāo)不大于20%，OGFC 類瀝青混合料的析漏損失不得大于0.3%。最佳瀝青用量的確定方法是綜合肯塔堡飛散試驗(yàn)和謝倫堡析漏試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，將配方1和配方3的2個(gè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，結(jié)果如圖6所示。

圖6 最佳油石比Fig.6 Best Whetstone Ratio

綜上所述，配方1 中飛散試驗(yàn)和析漏試驗(yàn)結(jié)果的曲線交于油石比為3.7%，配方3中交于點(diǎn)3.1%。按照OGFC類飛散、析漏試驗(yàn)確定最佳油石比的方法，最佳油石比初步定為3.7%和3.1%。

3 材料性能測試

灌注式水泥瀝青混合料能夠彌補(bǔ)水泥混凝土路面和瀝青路面在溫度穩(wěn)定性方面的不足，而瀝青膜厚度適當(dāng)增大有利于保證灌注式水泥瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性，提高路面結(jié)構(gòu)性能［16］。同時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大，具有很好的抗裂特性［17］。

在性能測試方面，對于瀝青混合料傳統(tǒng)的路用性能檢測主要包括四部分內(nèi)容：高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能。同時(shí)，由于灌注式水泥瀝青混合料屬于半剛半柔結(jié)構(gòu)的材料，因此，對其抗壓回彈模量值也進(jìn)行了測定。

本文以AC-16 普通瀝青混凝土的路用性能作為參照與灌注式水泥瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能進(jìn)行對比。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對2組配方進(jìn)行進(jìn)一步的篩選，以選擇綜合性能更好的一個(gè)配方，性能指標(biāo)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表3 各個(gè)配方性能指標(biāo)Tab.3 Performance Indicators of Each Formulation

對以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)橫向比較，綜合考慮各路用性能和模量的大小，認(rèn)為配方3 的綜合性能優(yōu)于配方1，并且優(yōu)于普通AC 類瀝青混合料，特別是高溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能。

4 結(jié)論

通過和普通AC 類混合料的強(qiáng)度機(jī)理對比，分析指出灌注式水泥—瀝青混合料的母體骨架具有較高的骨架嵌擠力，而由于灌注了水泥乳漿則具有較高的粘聚力，因此，復(fù)合材料整體具有較高的抗壓、抗剪強(qiáng)度以及很好的抗變形能力，屬于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，具備有良好性能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

通過試驗(yàn)，分別研究了灌注式水泥瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性、疲勞性能和抗壓回彈模量。試驗(yàn)結(jié)果表面，在不降低復(fù)合材料低溫性能的基礎(chǔ)上，其高溫、水穩(wěn)定性能、疲勞壽命均有明顯提高，同時(shí)，由于添加了柔性材料，其抗壓回彈模量并沒有顯著提高，而使材料整體性能偏向于剛性材料，因此具有良好的性能，能夠滿足鋪筑高速公路所需材料的性能要求。