張 弛

（常州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 常州 213164）

近40年來(lái)，很多國(guó)家傾向于采用半剛性材料作為路面結(jié)構(gòu)的基層。半剛性基層具有承載能力強(qiáng)、耐久性好、穩(wěn)定性高等突出優(yōu)點(diǎn)，為充分發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，選擇與其匹配的面層極為重要。與半剛性基層組合的主要面層形式為瀝青面層和水泥面層，并分別形成半剛性路面和剛性路面。這2種路面結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮著重要作用，但是不可否認(rèn)，也還存在一些長(zhǎng)期未能解決的問(wèn)題。瀝青面層具有韌性高、剛度適宜的優(yōu)點(diǎn)，卻存在溫度敏感性高、耐久性差、疲勞壽命短、抗拉強(qiáng)度低等缺陷；水泥面層雖然具有溫度敏感性低、耐久性好、疲勞壽命長(zhǎng)、抗拉強(qiáng)度高等突出優(yōu)點(diǎn)，但卻存在韌性差、剛度過(guò)大等固有不足。然而，雖然它們都不是與半剛性基層完全匹配的理想形式，但兩者的力學(xué)性能卻具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，如能綜合二者的優(yōu)勢(shì)，就可以得到較為理想的與半剛性基層較為匹配的新型面層。

半剛性面層材料的出現(xiàn)，使得其可以和半剛性基層組成真正意義上的半剛性路面結(jié)構(gòu)，使之既有柔性路面的可彎沉特性，但又不像純?nèi)嵝月访婺敲慈彳?；既有剛性路面的板體特性，但又不像純剛性路面那么剛勁，是介于剛?cè)嶂g路用性能更趨合理的一種新型路面結(jié)構(gòu)。本文將從材料的配合比開(kāi)始分析，進(jìn)而研究半剛性面層復(fù)合材料的突出的路用性能。

1 半剛性面層復(fù)合材料配合比

1.1 樹(shù)脂改性水泥砂漿配比

瀝青采用泰普克重交通瀝青AH－70，水泥采用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，礦料采用了工地生產(chǎn)的石灰?guī)r石料，包括10～20mm碎石、5～15mm碎石和0～5mm石屑，細(xì)砂采用河砂，粉煤灰采用的是電廠(chǎng)的普通粉煤灰，過(guò)0.6mm的篩后使用。試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青、水泥、石料及粉煤灰的性能均滿(mǎn)足有關(guān)規(guī)范的要求。

樹(shù)脂改性水泥砂漿采用經(jīng)過(guò)乳化了的水性環(huán)氧樹(shù)脂，主要由雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂乳液和環(huán)氧－多胺改性的水性環(huán)氧固化劑2組分組成（其性能指標(biāo)見(jiàn)表1），與水泥砂漿有良好的配伍性，添加到砂漿中，能夠起到增加強(qiáng)度、粘度與和易性的作用。樹(shù)脂改性水泥砂漿的主要組成材料包括水性環(huán)氧樹(shù)脂（乳液和固化劑）、水泥、粉煤灰、水和細(xì)砂。配制好的樹(shù)脂改性水泥砂漿必須具有足夠的均勻性、流動(dòng)性和滲透性，水灰比控制在0.7～0.8。通過(guò)室內(nèi)試配試驗(yàn)分析及稠度試驗(yàn)結(jié)果，要求8s≤稠度≤10s。水泥用量不超過(guò)40%，粉煤灰用量控制在15%左右，河砂用量應(yīng)大于12%，水性環(huán)氧樹(shù)脂為3%～5%。經(jīng)試驗(yàn)確定改性水泥砂漿的配比為水性環(huán)氧樹(shù)脂∶水泥∶粉煤灰∶水∶砂＝3∶38∶12∶30.5∶16.5。

表1 水性環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)指標(biāo)

1.2 瀝青混合料母體配合比

為了充分發(fā)揮水泥乳漿材料與瀝青混合料的作用，按體積指標(biāo)合理選擇瀝青混合料的礦料級(jí)配。要求壓實(shí)后的開(kāi)級(jí)配瀝青混凝土的空隙率為25%～35%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通常的中粒式與細(xì)粒式瀝青混合料的空隙率，其空隙由樹(shù)脂改性水泥砂漿填充。開(kāi)級(jí)配瀝青混凝土的級(jí)配主要由粗集料組成，細(xì)集料含量較少，參考國(guó)外推薦的級(jí)配，進(jìn)行上限和下限的級(jí)配試驗(yàn)，實(shí)測(cè)空隙率。由此，得到瀝青混合料的礦料級(jí)配及要求見(jiàn)表2，其中各檔料的配比（質(zhì)量比）為10～20mm碎石∶5～15 mm碎石∶0～5mm石屑＝46∶40∶14。

表2 開(kāi)級(jí)配瀝青混凝土的礦料級(jí)配

由于半剛性面層復(fù)合材料的母體骨架采用了開(kāi)級(jí)配瀝青混合料，礦料中細(xì)顆粒成分較少，易造成瀝青流淌及影響母體材料的穩(wěn)定，所以瀝青用量的確定較為復(fù)雜。用1種或2種試驗(yàn)方法，往往難以得到真正意義上的最佳瀝青用量。瀝青用量過(guò)多會(huì)造成灌漿困難，過(guò)少則會(huì)使粘結(jié)性和強(qiáng)度降低。因此，采用體積法進(jìn)行瀝青混合料母體設(shè)計(jì)，確定瀝青混合料母體的瀝青最佳用量和合理范圍，要求瀝青混合料空隙率控制在25%～35%。為保證開(kāi)級(jí)配瀝青混合料母體的空隙率，瀝青用量較低，通常為3.5%～4.5%，可根據(jù)集料的比表面積初步確定最佳瀝青用量（OAC）。

OAC ＝3.25aA0.2（1）

式中：a為2.65／D，D 為集料的表觀(guān)相對(duì)密度；A為表面積＝s0.21G＋5.4s＋7.2s＋135f，G為保留在4.75mm篩的材料百分比；s為保留在0.6 mm篩和通過(guò)4.75mm篩的百分比；s為保留在0.075mm篩和通過(guò)0.6mm篩的百分比；f為通過(guò)0.075mm篩的百分比。

根據(jù)式（1）計(jì)算所得的最佳瀝青用量，在最佳瀝青用量的上下各取2個(gè)瀝青用量進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，制作直徑為101.6mm、高為50.0mm±1.3 mm的馬歇爾試件以測(cè)試其馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)。由于瀝青混合料母體的空隙率在20%以上，試件的密度試驗(yàn)采用體積法，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)體積及計(jì)算最大理論密度，得到瀝青混合料的空隙率VTM。綜合參考體積法計(jì)算出來(lái)的最佳瀝青含量、常溫下母體瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和空隙率，選取空隙率較大、穩(wěn)定度較大且接近計(jì)算所得的瀝青含量為此級(jí)配集料的最佳瀝青含量。

通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算，瀝青混合料母體的相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)溫度30℃）

由表3中看見(jiàn)，隨著瀝青用量的增加，瀝青混合料的常溫馬歇爾穩(wěn)定度逐漸減小而空隙率呈單峰值變化。由式（1）計(jì)算得出最佳瀝青用量為3.92%，綜合考慮瀝青混合料的常溫馬歇爾穩(wěn)定度和空隙率的要求，選取含油量3.6%為最佳瀝青含量。

2 半剛性面層復(fù)合材料的路用性能

母體骨架混合料的拌和、壓實(shí)等與普通瀝青混合料相同。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ052－2000）制作試件，馬歇爾試件雙面各擊實(shí)25次，圓柱體試件和板式試件成型由馬歇爾試件密度來(lái)控制。待試件冷卻至60℃以下立即進(jìn)行灌漿，采用平板振動(dòng)器振灌試件，待漿體硬化后在標(biāo)準(zhǔn)條件下（溫度為（20±1）℃、相對(duì)濕度為（60±5）%養(yǎng)生，然后根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ052－2000）規(guī)定的試驗(yàn)方法，測(cè)其7d，28d齡期的力學(xué)特性和路用性能，包括馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾與凍融劈裂試驗(yàn)、高溫車(chē)轍試驗(yàn)、15℃劈裂試驗(yàn)與20℃抗壓回彈模量試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 半剛性面層復(fù)合材料試驗(yàn)結(jié)果

由表4可見(jiàn)：（1）半剛性面層復(fù)合材料的動(dòng)穩(wěn)定度和馬歇爾穩(wěn)定度分別為規(guī)范規(guī)定值的162.6倍和5.8倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了規(guī)范規(guī)定值，而半剛性面層復(fù)合材料的流值也比規(guī)范值低限減小了13.3%，也小于規(guī)范規(guī)定值，這表明半剛性面層復(fù)合材料的高溫穩(wěn)定性非常好且遠(yuǎn)優(yōu)于普通瀝青混合料，完全滿(mǎn)足重載交通道路的技術(shù)要求。這是因?yàn)榘雱傂悦鎸訌?fù)合材料中加入了改性水泥砂漿，使得材料的剛性增大，致使半剛性面層復(fù)合材料抵抗荷載及高溫剪切流動(dòng)變形的能力增大，在承載力及熱穩(wěn)定性能方面均有顯著的提高。

（2）在－10℃的溫度條件下，半剛性面層復(fù)合材料的破壞彎拉應(yīng)變是規(guī)范規(guī)定值的1.63倍，且半剛性面層復(fù)合材料具有較高的彎拉強(qiáng)度，這充分表明半剛性面層復(fù)合材料具有較強(qiáng)的抵抗溫縮應(yīng)力的能力，其低溫抗裂性能優(yōu)于普通瀝青混合料。雖然半剛性面層復(fù)合材料中含有水泥砂漿，它的存在提高了材料的剛性，使得半剛性面層復(fù)合材料在低溫情況下脆性增大，但加入水性環(huán)氧樹(shù)脂后，使得低溫情況下材料的脆性有所減小，柔性有所增加，從而其低溫性能得到改善。

（3）半剛性面層復(fù)合材料的殘留穩(wěn)定度比規(guī)范值大了37%，殘留劈裂抗拉強(qiáng)度比高于規(guī)范值的35.7%，故半剛性面層復(fù)合材料具有優(yōu)良的水穩(wěn)定性。這是因?yàn)榘雱傂悦鎸訌?fù)合材料中含有水泥砂漿，浸水后其強(qiáng)度有一定的增長(zhǎng)，故其殘留穩(wěn)定度和殘留劈裂抗拉強(qiáng)度比超過(guò)100%，且水泥砂漿中加入了水性環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性，增加了瀝青與水泥砂漿的共溶陛，提高了粘附性和混合料的整體強(qiáng)度，且半剛性面層復(fù)合材料的殘余空隙率小，從而大幅提高了半剛性面層復(fù)合材料的水穩(wěn)定性。

（4）半剛性面層復(fù)合材料的抗壓回彈模量比規(guī)范取值范圍上限值要大得多，高于上限值40.4%，其劈裂強(qiáng)度也大于規(guī)范取值范圍上限值，高于上限值15.6%，說(shuō)明半剛性面層復(fù)合材料的力學(xué)性能要優(yōu)于普通瀝青混合料。由于半剛性面層復(fù)合材料灌入的水泥膠，材料顯示了一定的剛性，但其與普通瀝青混合料的設(shè)計(jì)參數(shù)推薦值相差不大，所以可以說(shuō)其仍然偏于柔性。這也就證明了，采用瀝青混合料路面性能試驗(yàn)方法來(lái)檢驗(yàn)半剛性路面材料路用性能的方法是有效的。

3 結(jié)語(yǔ)

半剛性面層材料作為一種新型的復(fù)合材料，國(guó)內(nèi)外對(duì)它的研究成果相對(duì)較少，但從目前的研究成果可以看出它具有滿(mǎn)足理想半剛性面層技術(shù)要求的可能性和成為理想半剛性面層的前景，與半剛性基層較為匹配，符合剛性路面柔性化，柔性路面剛性化的發(fā)展趨勢(shì)，可以從整體上形成真正意義的半剛性路面，是新型路面結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。因此，半剛性面層材料研究工作的開(kāi)展對(duì)開(kāi)發(fā)使用性能介于傳統(tǒng)的柔性面層和剛性面層之間的半剛性面層，為最終實(shí)現(xiàn)由半剛性基層與半剛性面層組合成的真正意義上的半剛性路面具有重大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。