基体沥青混合料组成设计对灌注式复合混合料的性能影响研究

张军辉，张琴英

(浙江省金华市武义县交通运输局 金华市 321200)

0 引言

灌注式沥青路面已被广泛用于解决承受高交通量或重载的路面车辙问题，该复合路面体系是通过将具有高流动性的水泥基灌浆材料灌注到空隙率约为20%～30%的开级配多孔沥青混合料骨架中制成的[1]。利用柔性沥青和刚性水泥材料的优势，其良好的应力松弛可以不需要设置温度缝，与水泥混凝土路面相比，将大大提高行车舒适性，其更强的刚性可以确保更高的负载耐受性。它还有许多其他优点，如良好的耐油性和着色性[2-3]。

目前对灌注式沥青路面的研究主要集中在水泥基灌浆材料配比(水胶比、外加剂掺量和砂用量等[4-5])和多孔基体沥青混合料空隙率[6-7]对混合料各项路用性能的影响上，而对多孔基体混合料的研究相对较少。基体沥青混合料骨架的强度组成主要包括沥青胶结料的粘聚力和集料骨架间的嵌挤摩擦作用[8]。多孔基体沥青混合料在复合材料中发挥着骨架支撑作用，在灌注式沥青混合料中所占的质量比超过70%，其强度和各项性能对灌注式混合料性能影响显著。因此，探讨分析多孔基体沥青混合料的设计组成对灌注式沥青路面路用性能的影响有着重要的意义。

为了研究多孔基体沥青混合料的设计组成对灌注式沥青路面路用性能的影响，通过添加高粘剂和调整级配组成设计了4种空隙率接近的多孔基体沥青混合料，并通过动态蠕变试验、低温弯曲试验和浸水马歇尔试验分析了两种变量对灌注式沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性的影响。

1 原材料

1.1 沥青

采用SBS改性沥青设计制备多孔沥青混合料骨架，按照规范要求进行性能测试并汇总于表1。

表1 SBS改性沥青性能测试结果

1.2集料

多孔沥青混合料的级配设计包含的原材料有9.5～16.0mm的1#粗集料，4.75～9.5mm的2#中粗集料以及4.75mm以下的3#细集料。其中，1#粗集料和2#中粗集料是玄武岩，3#细集料是石灰岩。针对所用集料的性能展开测试，满足《公路沥青路面施工技术规范》的相关技术要求。

1.3 矿粉和纤维

填料采用具有良好粘附性的石灰石矿粉，纤维稳定剂采用道路工程常用的木质素纤维，对矿粉的使用性能进行测试，其结果如表2所示。

表2 矿粉性能指标

1.4 高粘添加剂和灌浆材料

采用某公司生产的高粘添加剂来增强基体沥青混合料的强度，该添加剂为干法改性剂，无需提前与沥青混合，高粘添加剂的性能参数与相关规范如表3所示。灌浆材料同样选用该公司生产的高性能水泥基灌浆材料，据JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中的流锥法测试了灌浆材料的流动性能，并对其不同龄期的抗压强度进行了测试。最终确定灌浆材料和水的最佳比例为1∶0.32，并将其性能测试结果汇总于表4。

表3 高粘添加剂性能指标

表4 灌浆材料性能指标

2 混合料配合比设计

为了研究多孔基体沥青混合料的骨架嵌挤作用和胶结料粘聚力对灌注式沥青混合料性能的影响，通过调整级配设计和添加高性能改性剂两种方式分别设计了4种多孔沥青混合料，为了杜绝水泥基灌浆材料的影响，尽可能控制基体混合料的空隙率一致，多孔基体沥青混合料的级配设计结果如表5所示。试件制备的拌和顺序为：高粘添加剂和集料拌和60s，加入沥青拌和60s，矿粉拌和30s，木质素纤维拌和30s，拌和加热温度为175℃。采用马歇尔击实仪双面击实50下成型试件，并根据规范要求测试其密度和体积参数汇总于表5。

3 性能测试

为了研究多孔基体沥青混合料的设计对灌注式沥青混合料的性能影响，采用动态蠕变试验、低温弯曲试验和浸水马歇尔试验对灌注式沥青混合料的路用性能进行评价，为了保证试验结果的准确性，灌注式沥青混合料试件的养护时间统一为7d，可以保证灌浆材料的充分水化。

表5 四种多孔基体沥青混合料级配表

3.1 高温性能

本试验采用半正弦压力荷载进行动态重复加载，周期为1s，包括0.1s加载时间和0.9s间歇时间。轴向压力设定为600kPa，无侧向围压。试验温度设定为60℃，终止条件为轴向累积应变达到3.5%或荷载作用次数达到10000次。试验采用直径100mm、高150mm的圆柱体试件。试验前，将试件放置于温控箱中恒温4h，并在试件两端各垫一张四氟乙烯薄膜，以消除试件端部约束效应对试验结果和精度的影响。将蠕变曲线汇总于图1。在600kPa的轴向压力下，灌注式沥青混合料出现失稳破坏。

图1 动态模量试验结果

从图1中可以看出，试件的高温性能排序为3#>2#>1#>4#，对应的4种灌注式沥青混合料的流动次数分别为8364、7928、7457和6345次，对比1#～3#灌注式沥青混合料可以看出，随着高粘添加剂的用量不断增加，3#混合料的流动次数提高了12.2%，表明高粘添加剂的使用有效增强了沥青胶结料的粘聚力，进而提高了灌注式沥青混合料整体高温抗变形性能；而对比1#和4#灌注式沥青混合料可以发现，随着集料级配中粗集料比例的降低，集料骨架的嵌挤作用逐渐减弱，骨架间形成的内摩擦力也随之减少，导致灌注式沥青混合料的高温稳定性逐渐下降，4#试件的流动次数降低了14.9%。这表明多孔基体沥青混合料的设计对灌注式沥青混合料具有重要影响，提高粗集料比例和沥青胶结料强度可以提高其高温性能。

3.2 低温性能

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规定》(JTG E20—2011)，进行-10℃下弯曲试验来评价沥青混合料的低温抗裂性能。采用规程T0703沥青混合料轮碾成型的板块状试件，用切割法制作棱柱体试件(尺寸为长250mm±2.0mm、宽30mm±2.0mm、高35mm±2.0mm的小梁试件)。以50mm/min的加载速率在跨径中央施加集中荷载，直至试件破坏。图2和图3分别为试件过程图和低温性能评价指标。

图2 低温弯曲试验

图3 低温弯曲试验结果

从低温弯曲试验结果可以看出：

(1)对比1#～3#灌注式沥青混合料的破坏应变和劲度模量可知，随着高粘添加剂的掺加量不断增加，试件的破坏应变不断增大，劲度模量不断降低，与1#混合料相比，3#混合料的破坏应变增加了9.7%，劲度模量降低了5.6%，以上结果均表明高粘剂对沥青胶结料的提升作用可以增强灌注式沥青混合料的低温抗裂性能。

(2)对比1#和4#灌注式沥青混合料可以看出，4#混合料的破坏应变提高了6.6%，而劲度模量基本相同，这是由于4#混合料中粗集料的比例降低，而裂缝主要在集料缝隙之间传递发展，粗集料的减少可以提高裂缝在集料间的延伸距离，进而小幅提高了混合料的破坏应变，而小梁试件尺寸较小，集料骨架的嵌挤作用无法完全发挥，因此，级配组成对混合料的低温性能影响较小。

综上所述，提高基体沥青混合料中沥青胶结料的性能可以提高灌注式沥青混合料的低温抗裂性能，而在相同空隙率下调整级配对低温性能的影响较小，可以忽略。

3.3 水稳定性

采用浸水马歇尔试验对灌注式沥青混合料的水稳定性进行评价。按标准击实法成型马歇尔试件，将试件随机分为两组，一组置于60℃的恒温水槽中保温0.5h后进行马歇尔稳定度测试，另一组在60℃水槽中保温48h后进行测试，将试验结果汇总于表6所示。

表6 浸水马歇尔试验结果

根据1#～3#混合料试验结果可知，高粘添加剂的掺加提高了灌注式混合料浸水前后的马歇尔稳定度和残余稳定度，马歇尔稳定度的提升验证了动态蠕变试验的结果，残余稳定度提升是因为高粘剂提高了沥青胶结料的粘附性，水分难以进入集料和沥青交界处，提高了灌注式沥青混合料的抗水损害性能。而4#混合料的残余稳定度与1#混合料基本相同，说明基体沥青混合料的级配对其水稳定性影响不大。

4 结论

为了研究多孔基体沥青混合料的设计组成对灌注式沥青路面路用性能的影响，在保证空隙率接近的情况下，通过调整混合料的设计组成进行了不同基体材料的配合比设计，并对灌注式沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性进行评价，得到结论如下：

(1)由动态蠕变试验可知，通过添加高粘剂增强沥青胶结料的粘聚力和提高集料骨架间的嵌挤作用均可以提高灌注式沥青混合料的高温抗变形性能，其高温性能分别提高了12.2%和17.5%。

(2)由低温弯曲试验可知，提高沥青胶结料的粘聚力可以提高灌注式混合料的低温抗裂性能，3#混合料的破坏应变提升了9.7%，而改变级配组成对低温性能影响并不显著。

(3)由浸水马歇尔试验可知，提高沥青胶结料的粘聚力可以提高混合料的抗水损害性能，而改变级配组成对水稳定性能影响不大。