不同養(yǎng)護條件對半柔性路面材料性能的影響

熊子佳，龔明輝，鄧 成，洪錦祥

(江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103)

0 引言

半柔性路面(Semi-flexible Pavement，SFP)材料是在多孔隙的瀝青混合料中灌入水泥基灌漿料而形成的復(fù)合路面，同時具有瀝青的柔性與水泥的剛性[1]。與普通路面不同，半柔性路面具有水泥-瀝青雙骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]，填充在瀝青混合料骨架間的水泥基灌漿料凝結(jié)硬化形成強度后，水泥基材料與瀝青基骨架共同組成一種密實的路面材料[3]。其穩(wěn)定性優(yōu)于普通瀝青路面，具有抗車轍、耐油污、抗水損等特點[4-5]，綜合路用性能較好，被廣泛應(yīng)用于交叉道口、機場跑道、大型車輛停車場等特殊區(qū)域[6]。

在路面鋪筑過程中，隨著溫度、氣候、開放交通時間的不同，半柔性路面材料中水泥基灌漿料的實際養(yǎng)護條件也不盡相同。傳統(tǒng)的水泥混凝土養(yǎng)護過程條件對其內(nèi)部物理化學反應(yīng)有重要影響，能較顯著地改變其性能[7]。養(yǎng)護制度，包括標養(yǎng)、蒸養(yǎng)等，影響水泥材料水化結(jié)構(gòu)與性能。如蒸養(yǎng)會使水泥材料形成微結(jié)構(gòu)損傷，從而導(dǎo)致斷裂能低、脆性大等問題[8]。研究者根據(jù)養(yǎng)護條件，通過加入聚合物膠乳[9]、吸水樹脂[10]等材料調(diào)控水泥水化進程，從而改善其力學性能與收縮特性[11-13]。

現(xiàn)階段對于半柔性路面材料的研究主要集中在材料設(shè)計與優(yōu)化[14-15]、路用力學性能[16-18]等。水泥基灌漿料在早期強度形成階段，養(yǎng)護條件對其性能的影響鮮有研究。在實際工程中，半柔性路面材料的養(yǎng)護環(huán)境因季節(jié)或施工工藝不同而有差別。例如夏季路面攤鋪后的剩余溫度較高，漿料將在此高溫環(huán)境下養(yǎng)生而形成強度，通常情況下灌漿料灌注于常溫瀝青混合料空隙中，則其養(yǎng)生環(huán)境為常溫自然環(huán)境。因此，本研究根據(jù)實際工程，采用3種養(yǎng)護條件(標準養(yǎng)護、室溫養(yǎng)護和高溫養(yǎng)護)，進行半圓彎拉(SCB)試驗和間接拉伸(IDT)試驗研究半柔性路面材料的力學特性，結(jié)合掃描電鏡(SEM)考察不同養(yǎng)護條件下水泥的微觀結(jié)構(gòu)，分析養(yǎng)護條件對半柔性材料的性能影響。

1 試驗原材料與制備方法

1.1 原材料

本研究選用玄武巖集料、石灰石礦粉和SBS瀝青。測試技術(shù)指標根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)和《瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E40—2011)中相應(yīng)測試方法進行試驗，試驗結(jié)果滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。

本研究采用的2種灌漿料為實驗室自制材料，分別為早強型(E)與普通型(C)。通過將水泥與外加劑等按一定比例混合制得，其中早強型灌漿料強度發(fā)展前期增長較快，普通型灌漿料的強度發(fā)展較平穩(wěn)。

改性劑為瀝青混合料改性劑，主要用于改善瀝青-水泥材料界面的黏結(jié)性，采用界面改性劑MA100。MA100為淡黃色球形顆粒，顆粒直徑為2～3 mm，摻加方法為直接投入到瀝青混合料拌鍋中。

1.2 瀝青混合料制備方法

多孔隙瀝青混合料最大公稱粒徑為13 mm，油石比為3.6%，級配如表1所示。集料加熱溫度為175 ℃，瀝青加熱溫度為160 ℃，混合料拌和溫度為175 ℃，改性劑MA100直接投入到拌鍋中，摻量占瀝青混合料質(zhì)量的0.3%。多孔隙瀝青混合料的性能指標如表2所示。

表1 瀝青混合料基體級配篩孔通過率Tab.1 Sieve passing rate of asphalt mixture matrix gradation

表2 多孔隙瀝青混合料性能指標Tab.2 Performance indicators of porous asphalt mixture

1.3 半柔性路面材料制備方法

按一定的水灰比(普通型水灰比為0.26，早強型水灰比為0.38)將漿料干粉與水通過高速攪拌混合均勻，制備具有較好流動性的灌漿料。將灌漿料灌注到多孔隙瀝青混合料基體中，并置于3種不同的養(yǎng)護條件環(huán)境：(1)標準養(yǎng)護為溫度20 ℃，濕度90%的標養(yǎng)室；(2)高溫養(yǎng)護為溫度80 ℃，濕度為15%的烘箱；(3)室溫養(yǎng)護為溫度25 ℃，濕度為60%的室內(nèi)自然環(huán)境。養(yǎng)護時間為3 d和7 d。

按不同漿料與養(yǎng)護條件樣品標記為普通型-標準養(yǎng)護(Common-Standard，CS)，普通型-室溫養(yǎng)護(Common-Ambient Temperature，CA)，普通型-高溫養(yǎng)護(Common-High Temperature，CH)；早強型-標準養(yǎng)護(Early Strength-Standard，ES)，早強型-室溫養(yǎng)護(Early Strength-Ambient Temperature，EA)，早強型-高溫養(yǎng)護(Early Strength-High Temperature，EH)。

1.4 試驗方法

(1)漿料強度試驗。將漿料成型40 mm×40 mm×160 mm 3連模試件，帶模置于3種養(yǎng)護環(huán)境中，養(yǎng)護至相應(yīng)齡期，在水泥膠砂試驗機上測定其抗壓、抗折強度。

(2)SCB試驗。旋轉(zhuǎn)壓實成型尺寸為直徑100 mm，高度120 mm的試件。將直徑100 mm的試件切割，得到厚度為50 mm的半圓形試件。將半圓試件預(yù)切縫，縫寬為0.5 mm，深度為15 mm。SCB測試兩支點間距為0.8 mm。測試溫度為25 ℃時加載速率為50 mm/min，測試溫度為-10 ℃時加載速率為10 mm/min。各項指標計算式為：

G=W/A，

(1)

FI=G/|m| ×0.01，

(2)

CRI=G/|Pmax|，

(3)

式中，G為斷裂能；W為斷裂功；A為斷裂面截面面積；FI為柔性指數(shù)；m為力-位移曲線中力達到峰值后曲線的反彎點斜率；CRI為斷裂指數(shù)；Pmax為峰值荷載。斷裂能G表征斷裂時所需的能量，G值越大，材料抗彎拉性能越好。FI表征材料柔韌性，F(xiàn)I值越大，表明材料柔韌性越好，抗裂能力越強。|m|值越小，峰值后曲線越平緩，材料失效速率越慢。CRI則綜合了斷裂能與荷載值，其值越大，材料性能越好。

(3)IDT試驗。試件為馬歇爾試件，試驗方法與指標計算按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE20—2011)進行。測試溫度為25 ℃時，加載速率為50 mm/min。測試溫度在-10 ℃時加載速率為10 mm/min。

(4)掃描電鏡(SEM)分析。采用環(huán)氧浸漬終止水泥基材料水化，烘干后用于SEM分析。試件破碎后選擇大小合適且具有平整斷裂面的試塊進行噴金處理，采用SEM觀察不同養(yǎng)生條件樣品的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 漿料強度試驗

測試不同養(yǎng)護環(huán)境中的漿料抗壓、抗折強度，養(yǎng)護齡期為7 d。試驗結(jié)果見圖1。

圖1 不同養(yǎng)護條件漿料的強度值Fig.1 Strength values of slurry under different curing conditions

由圖1可知，不同養(yǎng)護條件對漿料強度有顯著影響。隨著養(yǎng)護溫度的升高，普通型灌漿料3 d抗壓強度在室溫養(yǎng)護時最高，抗折強度與抗壓強度規(guī)律一致。7 d抗壓強度隨養(yǎng)護溫度增加而降低，高溫養(yǎng)護抗壓強度為標養(yǎng)強度的90%，室溫養(yǎng)護漿料抗壓強度居中。普通型灌漿料的抗折強度在室溫養(yǎng)護條件下最低，僅為標養(yǎng)抗折強度的54.6%。早強型灌漿料隨養(yǎng)護條件不同而導(dǎo)致的強度在3 d時有明顯差別，隨養(yǎng)護溫度升高而增加，而7 d強度隨養(yǎng)護條件變化相對較小。3 d抗壓強度在高溫養(yǎng)護時最大，而抗折強度則在室溫養(yǎng)護時最大。這是因為早強型灌漿料水化較快，其3 h強度可達10.8 MPa，即高溫環(huán)境促進了其水化進程，因此3 d高溫抗壓強度較大。但抗折強度在高溫時較小，可能是因為高溫的劇烈水化加之高溫對試件內(nèi)水分的影響導(dǎo)致試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松。7 d時由于水泥基材料的本征強度，導(dǎo)致3種養(yǎng)護條件抗壓、抗折強度基本一致。

2.2 SCB試驗

對不同養(yǎng)護條件的半柔性路面材料進行SCB試驗，計算分析斷裂能G、柔性指數(shù)FI與斷裂系數(shù)CRI值等關(guān)鍵性能指標。

由圖2可知，早強型SFP材料的斷裂能小于同條件養(yǎng)生和齡期的普通型SFP材料，說明漿料強度對SFP材料斷裂能有較明顯的影響。從養(yǎng)護齡期上看，養(yǎng)護3 d的斷裂能大于養(yǎng)護7 d的斷裂能，這可能是因為養(yǎng)護3 d時，水泥水化尚未完全，水泥基材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)較松散，脆性斷裂比例較小，斷裂時程較長。養(yǎng)護7 d時水泥基材料已經(jīng)剛性化，脆性斷裂比例較大，斷裂時程較短。從養(yǎng)護條件上看，普通型SFP材料與早強型SFP材料在25 ℃的斷裂能變化趨勢一致，即隨養(yǎng)護溫度的增加先增大后減小，在室溫養(yǎng)護環(huán)境中斷裂能最大。其原因可能在于水泥基漿料灌注到多孔隙瀝青混合料中后，漿料與瀝青膜直接接觸，此時瀝青膜相當于養(yǎng)護薄膜覆蓋在漿料表面，保證試件內(nèi)部的水分不散失。3種養(yǎng)護條件其條件濕度對材料的斷裂能基本無明顯影響，僅環(huán)境的溫度對水化過程有影響。室溫溫度高于標養(yǎng)溫度且相比于高溫能保持表面水含量，因此，室溫時水泥基材料內(nèi)部缺陷最少。另外，高溫瀝青膜因老化而黏結(jié)性能降低，標養(yǎng)由于濕度較大，水分進入瀝青膜內(nèi)部導(dǎo)致的黏結(jié)，使得在室溫時瀝青膠體的性能最佳。綜合而言，室溫斷裂能最大。

圖2 不同養(yǎng)護條件半柔性材料的斷裂能Fig.2 Fracture energy of semi-flexible materials under different curing conditions

在-10 ℃測試溫度時，普通型和早強型漿料的SFP試件斷裂能值規(guī)律不同。普通型漿料的SFP試件隨養(yǎng)護溫度的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。這可能是因為標養(yǎng)和高溫均有利于水泥瀝青材料界面的黏結(jié)，因此低溫斷裂能較大。而早強型漿料的SFP試件在3 d時高溫養(yǎng)護的斷裂能是室溫養(yǎng)護的1.31倍，可能是因為在水化初期高溫養(yǎng)護水泥基材料內(nèi)部相對較松散，漿料柔性較強，剛性尚小，加之高溫養(yǎng)護過程中軟化的瀝青與漿料在界面能較好地結(jié)合，形成更牢固的界面黏結(jié)。而在7 d時，水泥基材料內(nèi)部剛性增加，水化產(chǎn)物致密，SFP試件的室溫斷裂能又恢復(fù)成最大。

由圖3可知，養(yǎng)護條件對SFP材料的FI值有明顯影響。從齡期上看，3 d材料的FI值大于7 d的FI值，可能是因為水泥基材料早期水化內(nèi)部結(jié)構(gòu)尚較疏松，剛度較小。從養(yǎng)護條件上看，早強型漿料SFP試件的FI值與圖2中的斷裂能規(guī)律一致，均為室溫養(yǎng)護條件時值最大。主要是因為早強型材料水化進程快，在相應(yīng)齡期時已進入相對穩(wěn)定狀態(tài)。而普通型漿料SFP試件的FI值變化在3 d齡期與7 d齡期規(guī)律相反。普通型漿料在3 d時水化不完全，漿料的3 d抗壓強度(圖1)越小，其FI值越大。說明普通型漿料的SFP材料的早期斷裂行為與漿料水化程度有較明顯的相關(guān)性。

圖3 不同養(yǎng)護條件半柔性材料的FI值Fig.3 FI values of semi-flexible materials under different curing conditions

由圖4可知，早強型漿料的SFP試件的CRI值在室溫養(yǎng)護條件時最大，測試溫度為25 ℃時差異更加明顯。普通型漿料SFP試件的CRI值因測試溫度不同而呈現(xiàn)不同的規(guī)律。當測試溫度為25 ℃時，室溫養(yǎng)護時SFP試件的CRI值最大；測試溫度為-10 ℃ 時，高溫養(yǎng)護條件的CRI值最大，室溫養(yǎng)護時其值最小。這一規(guī)律與圖2斷裂能曲線相似，且CRI值綜合考慮了斷裂能與荷載值的影響。

圖4 不同養(yǎng)護條件半柔性材料的CRI值Fig.4 CRI values of semi-flexible materials under different curing conditions

不同的養(yǎng)護條件下，漿料的抗壓強度不同。由圖5(a)可知，不同養(yǎng)護條件下漿料3 d的抗壓強度與SCB測試中的最大荷載值Pmax有較好的線性相關(guān)性。隨著強度的增加，Pmax增大。普通型漿料的強度-Pmax擬合曲線斜率基本一致，說明抗壓強度(養(yǎng)護條件)對SFP材料Pmax值的影響與測試溫度無關(guān)。但對于早強型漿料，其SFP試件的Pmax值在-10 ℃測試溫度時，抗壓強度(養(yǎng)護條件)對Pmax有較明顯的影響，二者擬合曲線斜率較大。而在25 ℃ 測試溫度時，其擬合曲線斜率與普通型漿料的相當。說明早強型漿料的SFP試件低溫抗裂荷載對養(yǎng)護條件較敏感。

圖5 抗壓強度(養(yǎng)護條件)與最大荷載關(guān)系曲線Fig.5 Relationships between compressive strength (curing conditions)and maximum load

由圖5可知，7 d抗壓強度(養(yǎng)護條件)與最大荷載Pmax沒有明顯的相關(guān)性。由于7 d齡期時漿料強度已發(fā)展進入穩(wěn)定狀態(tài)，不同養(yǎng)護條件漿料抗壓強度相差不大。此時，不同養(yǎng)護條件對瀝青基體、界面黏結(jié)性等其他因素的影響均會作用于Pmax值。因此，相對于3 d齡期單一因素，7 d養(yǎng)護時間更偏于對SFP材料多因素產(chǎn)生影響。

由圖6可知，在不同養(yǎng)護條件下，普通型漿料與早強型漿料劈裂抗拉強度的變化趨勢不同。普通型漿料在不同測試溫度下，室溫養(yǎng)護條件的SFP試件劈裂強度最大。與之相反，早強型漿料的SFP試件在室溫養(yǎng)護條件下的劈裂強度最小。

圖6 不同養(yǎng)護條件SFP試件的劈裂抗拉強度Fig.6 Splitting tensile strengths of SFP specimens under different curing conditions

由于SCB測試中的FI值與試件破壞歷程有關(guān)，試件彎拉柔性越大，則FI值越大。而IDT破壞模式為間接拉伸，雖與SCB的破壞模式并不完全相同，但都存在拉應(yīng)力破壞，因此建立SCB試驗中FI值與IDT試驗中模量的關(guān)系曲線，如圖7所示。連接相同養(yǎng)護條件的2個數(shù)據(jù)點可知，標準養(yǎng)護(ES，CS)和常溫養(yǎng)護(EA，CA)FI值皆隨著材料模量的增加而增大，說明以上2種養(yǎng)護條件可通過增強漿料強度提高FI值。高溫養(yǎng)護(EH，CH)則隨著模量的減小，F(xiàn)I值增大，表明高溫養(yǎng)護增強了界面黏結(jié)力，通過延長斷裂歷程而增加了FI值。從漿料類型上看，F(xiàn)I值與模量有較好的線性相關(guān)性，通過擬合得到普通漿料R2為0.81，早強漿料R2為0.92，但二者趨勢不同。對于普通漿料，由于其具有較明顯的剛性特征，材料SCB荷載強度大，F(xiàn)I值大。對于早強漿料，則隨著模量增加，F(xiàn)I值減小。綜上所述，SCB與IDT試驗結(jié)果具有較好的一致性，養(yǎng)護條件與漿料均是影響關(guān)聯(lián)趨勢的主要因素。

圖7 SCB試驗FI值與IDT試驗?zāi)Ａ筷P(guān)系Fig.7 Relationships between FI value by SCB test and modulus by IDT test

3 微觀結(jié)構(gòu)

微觀結(jié)構(gòu)對水泥基材料的力學性能有顯著影響，采用SEM測試不同養(yǎng)護條件的漿料斷面，研究其水化產(chǎn)物及微結(jié)構(gòu)組成。結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同養(yǎng)護條件漿料的SEM圖像Fig.8 SEM images of slurry under different curing conditions

由圖8可知，不同漿料由于水泥類型不同，其水化產(chǎn)物和微觀形貌不同，且養(yǎng)護條件與齡期對微觀結(jié)構(gòu)有較明顯的影響。漿料體系中存在大量的水化產(chǎn)物，主要是C-S-H凝膠與針棒狀的AFt晶體。二者相互交織、搭接，構(gòu)成水化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。普通型漿料3 d水化產(chǎn)物主要為針狀A(yù)Ft，C-S-H凝膠和板狀CH。在標養(yǎng)條件下，密集的AFt晶體在C-S-H凝膠中大量生長，但尺寸較小，尚未形成相互搭接的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，見圖8(a)；室溫養(yǎng)護的漿料表面有CH方形晶體析出，C-S-H凝膠中已有水化產(chǎn)物填充密實，見圖8(b)；在高溫養(yǎng)護條件下，漿料表面較松散，分布有CH晶體和尺寸較大的孔洞，也少量分布有針狀A(yù)Ft，C-S-H凝膠由水化產(chǎn)物填充，見圖8(c)。普通型漿料7 d水化產(chǎn)物由板狀CH、絮狀A(yù)Ft和C-S-H凝膠組成。標養(yǎng)條件下漿料微觀結(jié)構(gòu)致密，水化產(chǎn)物完全填充了C-S-H凝膠的空隙，見圖8(d)；室溫養(yǎng)護條件下漿料較致密，有一些CH晶體附著在斷面表面，見圖8(e)；高溫養(yǎng)護條件下在CH表面分布的針絮狀A(yù)Ft尺寸較小，空隙較多，結(jié)構(gòu)相對松散，見圖8(f)。早強型漿料在3 d齡期時存在豐富的C-S-H凝膠和絮狀A(yù)Ft。在標養(yǎng)條件下，棒狀A(yù)Ft與C-S-H凝膠搭接成片，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，見圖8(g)；在室溫養(yǎng)護條件下，C-S-H凝膠更豐富，棒狀A(yù)Ft尺寸變大，搭接網(wǎng)絡(luò)更致密，見圖8(h)；在高溫養(yǎng)護條件下，棒狀A(yù)Ft內(nèi)部基本被水化產(chǎn)物填充，僅存在尺寸較小的空隙結(jié)構(gòu)，見圖8(i)。早強型漿料的7 d水化產(chǎn)物與之類似，在標準養(yǎng)護條件下，水化產(chǎn)物包括豐富的小型針棒狀A(yù)Ft，相互穿叉堆疊，形成較致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但尚存在較小的空隙，見圖8(j)；在室溫養(yǎng)護時棒狀A(yù)Ft間填充了較多的C-S-H凝膠，水化結(jié)構(gòu)連成塊狀，密實性較好，見圖8(k)；高溫養(yǎng)護C-S-H復(fù)合凝膠體系尺寸較小，水化產(chǎn)物均勻致密，見圖8(l)。

漿料微觀結(jié)構(gòu)致密程度與其抗壓抗折強度有較好的對應(yīng)性，室溫養(yǎng)護條件下漿料水化結(jié)構(gòu)較致密，微觀空隙和缺陷較少，因此，其25 ℃測試溫度時SFP試件的抗裂能力相對較好，即常溫開裂與漿料致密度相關(guān)性較大。對于-10 ℃測試溫度，由于材料呈現(xiàn)剛性，斷裂面主要發(fā)生在材料內(nèi)部或界面處。高溫養(yǎng)護條件下，漿料微結(jié)構(gòu)存在孔洞，在試件養(yǎng)生時瀝青發(fā)生黏流變形填充于孔洞中，形成較好的界面黏接結(jié)構(gòu)，可有效防止低溫彎拉作用下的界面失效。因此，普通型漿料與3 d齡期早強型漿料SFP試件的低溫斷裂能較高。當早強型漿料水化進行到第7 d時，其水化基本完成，漿料結(jié)構(gòu)致密，界面無法形成有效搭接，因此高溫時其斷裂能不再最高。因此，-10 ℃時半柔性材料的開裂特性與養(yǎng)護過程中瀝青與漿料相互作用而形成的界面行為有關(guān)。

4 結(jié)論

本研究基于半柔性路面實際應(yīng)用情況，設(shè)計了3種養(yǎng)護條件，對普通漿料與早強漿料強度，SFP試件力學特性與微觀結(jié)構(gòu)進行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)養(yǎng)護條件對漿料強度有顯著影響。普通型漿料3 d早期抗壓抗折強度在室溫養(yǎng)護條件下最大，而7 d抗壓抗折強度則在標準養(yǎng)護條件下最大；早強型漿料3 d抗壓強度在高溫養(yǎng)護時最大，抗折強度在室溫養(yǎng)護時最大，7 d抗壓抗折強度在3種養(yǎng)護條件下基本一致。漿料3 d抗壓強度與SCB測試的峰值荷載具有較好的線性相關(guān)性。

(2)半柔性路面材料隨養(yǎng)護條件不同表現(xiàn)出不同的力學特性。在25 ℃時，室溫養(yǎng)護條件的抗裂性能最佳。在-10 ℃時，高溫養(yǎng)護的普通型漿料SFP試件的性能最佳，室溫養(yǎng)護的早強型漿料SFP試件的性能最佳。

(3)漿料微觀結(jié)構(gòu)致密程度與其抗壓抗折強度有較好的對應(yīng)性，漿料微觀結(jié)構(gòu)致密時SFP試件在25 ℃時具有較好的抗裂性，而界面處漿料具有微孔結(jié)構(gòu)與瀝青形成良好的黏結(jié)，其SFP試件在-10 ℃時具有較好的抗裂能力。

以上結(jié)論對半柔性路面材料的設(shè)計與施工質(zhì)量控制提供了參考依據(jù)，即當選用強度較高的普通型漿料時，實際路面需待瀝青混合料基體攤鋪溫度降到室溫時灌注，其適用于高溫或中溫區(qū)域。當選用早強型漿料時，實際路面可在瀝青混合料基體攤鋪后尚有余熱時灌注，其在中溫或低溫區(qū)域路面具有較好的抗裂能力。

半柔性路面材料的力學特性還與基體瀝青混合料的材料、界面黏結(jié)特性等有關(guān)，后續(xù)研究將圍繞以上因素進一步展開。