基于冻断试验的半柔性路面材料低温抗裂性影响因素研究

王黎明，隽海文

(东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

半柔性路面是以大空隙沥青混合料为基体，灌入特制的水泥基灌浆料填充其内部空隙而形成的一种刚柔并济的路面材料[1-3]。该材料具有优异的抗车辙性能，近年来备受关注。然而，已有实际工程应用表明：低温缩裂是半柔性路面的主要破坏形式[4-6]。半柔性路面材料的低温缩裂及其引起的进一步损伤严重地影响路面耐久性[7]。因此，提高半柔性路面材料低温抗裂性对于延长其使用寿命、改善服役阶段性能具有十分重要的意义。半柔性路面低温缩裂主要受外部环境、路面结构几何尺寸和材料构成等因素影响[8]。就材料本身而言，沥青性能、基体的级配、灌浆料的性能等都可能对半柔性路面材料的低温性能有重要影响。丁庆军等[9]研究发现基体以均匀级配设计较以连续级配设计的半柔性材料性能优越。赵国强等[10]研究发现基体采用改性沥青后半柔性材料的低温抗裂性有所提高，但该研究并未展开讨论基体沥青的增粘和增弹哪方面对半柔性材料低温抗裂性提高更有利。凌天清等[11]研究发现添加聚合物的灌浆料能改善半柔性材料低温性能。然而，灌浆料的增弹对提高半柔性材料低温抗裂性的贡献文中并未论述。因此，上述因素对半柔性材料低温抗裂性的影响规律还有待进一步探讨。

冻断试验可以较好地模拟路面低温缩裂受力过程，从而全面、直观地反映多种因素对路面低温性能的影响[12-14]。本研究基于冻断试验，研究了基体设计空隙率、沥青类型、水泥基灌浆料类型对冻断温度的影响，以评估目标空隙率大小、沥青增黏增弹效益、灌浆料增弹效益对半柔性材料低温抗裂性的影响规律。

1 试验原材料

1.1 沥青

试验选用了90#基质、SBS改性、TPS高黏改性等3种沥青，具体技术参数见表1。

1.2 集料与矿粉

试验选用玄武岩集料及石灰石矿粉。依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)进行测试，测试结果见表2，均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的相关要求。

表1 沥青的技术参数Tab.1 Technical parameters of asphalts

表2 集料与矿粉的技术参数Tab.2 Technical parameters of aggregates and mineral powder

1.3 水泥基灌浆料

试验选用P·O42.5普通硅酸盐水泥；细砂采用天然河砂，过0.6 mm方孔筛后使用；外加剂分别采用UEA膨胀剂和FDN减水剂，其推荐掺量分别为胶凝材料用量的5%和1%；橡胶粉粒径大小为40目，表观密度为0.58 g/cm3；采用中裂型阳离子乳化沥青，浓度为62%。以上各材料性能指标均满足相关技术要求。

2 试件配合比设计

2.1 水泥基灌浆料配合比设计

试验设计3种灌浆料，分别为普通型、橡胶粉型、乳化沥青型。参照日本半柔性路面设计规范给出的水泥基灌浆料主要性能目标值[15]，并以流动度10～14 s、抗压强度20～60 MPa、抗折强度>3 MPa为设计标准，通过正交试验确定了上述3种水泥基灌浆料的配合比，见表3。各项性能均符合日本半柔性路面设计规范给出的技术参数要求。

表3 水泥基灌浆料配合比及技术参数Tab.3 Cement-based grout mix proportion and technical parameters

注：橡胶粉替代灌浆料中同体积的细砂；乳化沥青的掺量按内掺计。

2.2 基体沥青混合料配合比设计

基体材料设计的两个关键指标分别是集料用量和油石比。借鉴体积法拟定20%～32%的4个目标空隙率，以4%为变化步长；对每个级配初拟2.5%～4.5%的油石比，以0.5%为步长；按粉胶比1.15计算每个沥青用量下矿粉用量。将目标空隙率、初拟油石比、矿粉用量、材料密度、粗集料骨架间隙率等几方面的参数代入方程组(1)即可求出不同目标空隙率下的粗、细集料用量。

(1)

式中，qc，qf，qp为粗集料、细集料、矿粉的含量；qa为油石比；ρsc，ρtf，ρtp，ρa分别为粗集料自然堆积密度、细集料、矿粉的表观密度和沥青的密度；VVC，VVS分别为捣实状态下的粗集料骨架间隙率、设计空隙率。

基体最佳沥青用量的设计原则为既提供足够胶结，又不流淌。因此采用谢伦堡析漏与肯塔堡飞散试验共同确定，以目标空隙率24%为例，不同沥青用量下的试验结果绘于图1、图2。

图1 目标空隙率24%析漏损失Fig.1 Leakage loss of 24% target void rate

图2 目标空隙率24%飞散损失Fig.2 Scattering loss of 24% target void rate

由图1可知：曲线在3.6%处出现拐点，分别从曲线左右两点做切线，相交点油石比约为3.6%，该处即为最大沥青用量。由图2可知：曲线在3.5%处出现拐点，分别从曲线左右两点做切线，相交点油石比约为3.5%，该处即为最小沥青用量。

综合上述试验结果，最佳沥青用量的取值范围为3.5%～3.6%，以3.6%作为最佳沥青用量。同理，按上述方法即可获取其他空隙率下的最佳沥青用量。相应级配曲线见图3。

图3 基体沥青混合料级配曲线Fig.3 Gradation curves of matrix asphalt mixture

对最佳沥青用量下的基体混合料旋转压实试件进行3组平行的空隙率检验，测试结果见表4。结果表明压实基体试件的空隙率与目标设计值差异较小，最大差异为0.7%，证明基体设计准确。

表4 基体混合料空隙率测试结果Tab.4 Test result of matrix mixture void ratio

3 试验方法与方案

3.1 试验方法

冻断试验按照(AASHTO-TP10-93)进行，采用轮碾成型试件，并利用振动台辅助达到饱满灌浆，待胶浆快要凝固用工具刮去试件表面多余的灌浆料。养生28 d后切割成40 mm×40 mm×250 mm的棱柱体试件，之后将试件用环氧树脂粘接在夹具上，待黏结剂固化后，在IPC UTM-30多功能材料试验机内以5 ℃恒温6 h。恒温后试验的降温速率为10 ℃/h，试验终止条件为试件断裂。

每组试验安排6个平行试验(3个板式试件每个切取7条，随机选择其中2条)根据试验结果绘制的温度-应力变化过程曲线可得冻断温度、转折点温度、冻断强度、斜率这4个指标，如图4所示。相关文献表明：冻断温度指标与低温开裂相关性最好，能较直观、准确地评价出混合料的低温性能[16-17]。因此，本研究主要以冻断温度作为半柔性路面材料低温性能的评价指标。

图4 温度-应力变化过程曲线Fig.4 Temperature-stress curve

3.2 试验方案

试验方案设计分别考虑如表5所列的因素变化对半柔性材料低温抗裂性的影响。冻断试验周期较长，为便于试验和分析，设计未安排因素交叉影响，仅安排一组不接受处理的控制变量(空隙率24%、90#基质沥青、普通灌浆料)。既遵循单一变量原则，在考察某一因素影响时，安排其他因素为控制变量。

表5 试验方案设计的因素Tab.5 Design factors of experiment scheme

4 试验结果分析

4.1 空隙率对低温性能的影响

本试验条件下采用基质沥青和普通灌浆料，只改变设计空隙率。综合表6和图5结果可知：随着基体空隙率的逐渐增大，冻断温度呈先降低后升高的变化趋势。其中在空隙率为24%时的冻断温度最低，即对半柔性路面材料来说，存在一个空隙率最佳值使得低温抗裂性最优。

表6 不同空隙率的半柔性材料冻断试验结果Tab.6 Freezing test result of semi-flexible material with different void ratios

图5 不同空隙率的半柔性材料温度-应力曲线Fig.5 Temperature-stress curves of semi-flexible material with different void ratios

当空隙率处于20%～24%的较低区间时，其转折点温度之下的斜率明显大于28%～32%的较高区间，且前者冻断温度显著低于后者。这说明过高的空隙率会使低温抗裂性显著降低。

4.2 灌浆料对低温性能的影响

由表7和图6可以看出：灌浆料的不同所对应的冻断温度结果差异性较明显，与普通型灌浆料相比较，橡胶粉型和乳化沥青型的转折点温度下斜率显著降低，冻断温度分别降低了16.4%，24.6%。表明在普通灌浆料体系内添加弹性聚合物或乳化沥青时半柔性混合料的低温抗裂性有所改善。

表7 不同灌浆料的半柔性材料冻断试验结果Tab.7 Freezing test result of semi-flexible material with different grouts

图6 不同灌浆料的半柔性材料温度-应力曲线Fig.6 Temperature-stress curves of semi-flexible material with different grouts

由于基体材料多孔且连通，沥青材料的弹性模量又远低于灌浆料，材料降温时的收缩应力必然主要作用在硬化后模量较大的灌浆料上[18]。胶粉砂浆在拌和时有明显上浮现象，需要借助表面活性剂增加相容性，体积替代率在本试验中无法设定为更高。在保证灌浆料流动性和强度标准前提下，橡胶粉对灌浆料的模量调整作用不如乳化沥青，其对半柔性材料低温抗裂性的改善效果也不如乳化沥青。

4.3 沥青类型对低温性能的影响

由表8和图7可以看出：TPS和SBS改性沥青半柔性混合料的冻断温度较基质沥青分别降低了31.4%和38.3%。二者对半柔性材料冻断温度的影响幅度都远大于灌浆料(最大24.6%)。

表8 不同沥青类型的半柔性材料冻断试验结果Tab.8 Freezing test results of semi-flexible materials with different asphalt types

图7 不同沥青类型半柔性材料温度-应力曲线Fig.7 Temperature-stress curves of semi-flexible material with different asphalt types

高黏的TPS和SBS都能显著增强基体混合料黏附体系的黏结强度，而同时二者也对低温弹性性质有贡献。原材料的试验数据显示TPS的增黏效果相对更强，SBS的增弹效益更好。而冻断试验结果表明，采用SBS改性沥青组的冻断温度降低幅度更大，即改性沥青的增弹效果对改善半柔性材料低温抗裂性更有利。

5 结论

研究以冻断试验考察了基体设计空隙率、灌浆料、沥青3种因素对半柔性路面材料低温性能的影响。研究结果表明：

(1)冻断试验可有效地区分出不同沥青种类、不同灌浆料、不同空隙率半柔性混合料的低温抗裂性改善效益。

(2)在20%～32%空隙率范围内，冻断温度随着空隙率的增大呈先下降后上升的变化趋势，空隙率高于28%时低温抗裂性显著降低。存在一个最佳空隙率使半柔性路面材料低温性能达到最佳，在24%附近。

(3)灌浆料增弹对低温抗裂性的改善效果明显。在保证流动性和强度的前提下，乳化沥青砂浆的改善效果好于胶粉砂浆。

(4)基体采用改性沥青后对冻断温度的降低幅度达到31.4%～38.3%，远大于灌浆料影响。同时基体沥青的增弹比增黏对改善半柔性材料低温抗裂性更有利。