余 暉，鄭炳鋒

（1. 江蘇省揚州市公路管理處，江蘇 揚州 225007；2. 蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112）

1 概述

我國公路大量采用半剛性基層瀝青路面，傳統(tǒng)的半剛性基層材料，由于其懸浮密實型結(jié)構(gòu)和較高的水泥含量，在交通荷載、環(huán)境以及水泥穩(wěn)定材料自身干縮和溫縮等因素的多重作用下，出現(xiàn)了較為嚴重的開裂病害，并且反射到路面，造成路面結(jié)構(gòu)的破壞。采用半柔性路面基層技術(shù)，對于提高路面基層的抗裂性能、力學性能，減薄瀝青路面基層厚度、提升瀝青路面耐久性、豐富和完善我國瀝青路面結(jié)構(gòu)型式具有重要意義和推廣價值[1-5]。

半柔性路面基層通常采用乳化瀝青、泡沫瀝青、水泥等粘結(jié)材料與集料、水拌和、碾壓、成型。泡沫瀝青穩(wěn)定材料性能受瀝青發(fā)泡設(shè)備的影響較大，因此，本文采用乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石半柔性基層，開展乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料設(shè)計、性能試驗、半柔性基層路面結(jié)構(gòu)力學分析、干線公路半柔性路面基層施工等方面的研究。乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料路面基層技術(shù)可減少瀝青路面反射裂縫的產(chǎn)生和后期維修頻率，同時減少因維修而產(chǎn)生的交通延誤，保證路面行駛質(zhì)量，促進江蘇省公路建設(shè)水平不斷進步，具有很好的直接和間接社會效益[6-10]。

2 乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料設(shè)計

2.1 原材料檢測

試驗所用的原材料包括集料、水泥、普通乳化瀝青。本次試驗所用的水泥為高郵八橋水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，1#、2#集料為山東棗莊生產(chǎn)，3#集料為安徽天長生產(chǎn)，集料、水泥的試驗結(jié)果見表1～表3。普通乳化瀝青的各項性能指標見表4。檢測結(jié)果顯示，乳化瀝青的各項性能指標滿足乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石施工技術(shù)要求。

2.2 礦料級配設(shè)計

在試配的基礎(chǔ)上初選一組級配進行試驗，具體結(jié)果及級配范圍要求見圖1。1#樣品∶2#樣品∶3#樣品=35%∶34%∶31%。

表1 集料試驗結(jié)果

表2 水泥試驗結(jié)果

表3 集料篩分試驗結(jié)果

表4 普通乳化瀝青性能指標

圖1 級配曲線圖

2.3 振動壓實法確定最佳含水量

參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》T0842的方法，對混合料進行振動壓實試驗，確定最佳含水量。試驗時擬定乳化瀝青摻量為3.0%，變化含水量，采用3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%5個含水量進行振動壓實試驗。干密度與實際含水量的關(guān)系曲線見圖2，圖中最大干密度對應(yīng)的含水量即為最佳含水量OWC。試驗結(jié)果可得，振動壓實法確定的級配的最佳含水量OWC為4.4%。

2.4 最佳乳化瀝青用量的確定

在上述振動壓實法確定的最佳含水量的基礎(chǔ)上，進一步結(jié)合空隙率、15 ℃劈裂強度試驗等確定相應(yīng)的最佳乳化瀝青用量。試件成型方法為馬歇爾擊實法，雙面各75次。密度試驗和15 ℃劈裂強度試驗結(jié)果見表5和圖3。

圖2 振動壓實法確定最佳含水量

表5 密度測試結(jié)果

圖3 乳化瀝青用量-劈裂強度曲線

由表5和圖3的試驗結(jié)果可判定設(shè)計級配所對應(yīng)的最佳乳化瀝青用量為3.2%（外摻）。采用最佳乳化瀝青用量、最佳含水量進行馬歇爾擊實試驗，試驗結(jié)果見表6。

在最佳乳化瀝青用量及最佳含水量時，混合料15 ℃干劈強度為0.532 6 MPa，15 ℃浸水劈裂強度為0.411 0 MPa，滿足乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料設(shè)計所要求劈裂強度不小于0.5 MPa的強度指標。試件空隙率為10.4%，滿足乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料9%～12%設(shè)計要求。

以上試驗分析表明初選設(shè)計級配是可行的，配合比為1#樣品∶2#樣品∶3#樣品=35.0%∶34.0%∶31.0%，水泥用量為2.5%，乳化瀝青用量為3.2%、最佳含水量為4.4%（水泥、乳化瀝青和水均為外摻）。

表6 最佳乳化瀝青用量及最佳含水量試驗結(jié)果

2.5 乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料檢驗

對采用設(shè)計級配、最佳乳化瀝青用量和最佳含水量成型的混合料試件進行凍融劈裂試驗以檢驗乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料的水穩(wěn)定性能。凍融劈裂試驗結(jié)果見表7，滿足要求。

3 乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料性能試驗

3.1 無側(cè)限抗壓強度

乳化瀝青用量取3.2%，振動壓實法成型混合料7 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表8，其抗壓強度代表值均大于3.5 MPa，滿足路面基層的強度要求。

表7 凍融劈裂試驗結(jié)果

表8 7 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

3.2 抗壓回彈模量

20 ℃乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石基層的抗壓回彈模量在800 MPa左右（見表9），相當于半剛性基層抗壓回彈模量的50%～60%，而抗壓強度能夠滿足要求，說明乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石基層既具有路面基層需要滿足的強度，又具有更好的柔度。

表9 20 ℃抗壓回彈模量試驗結(jié)果 MPa

3.3 高溫性能

乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料車轍試驗結(jié)果見表10，動穩(wěn)定度超過15 000次/mm，遠遠超過熱拌瀝青混合料。乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石中水泥的水化產(chǎn)物與瀝青膜的相互交織形成一種空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，裹覆在礦料周圍，將礦料緊密地結(jié)合在一起。既保證了混合料具有足夠的強度，又防止了高溫情況下瀝青軟化時混合料過大的變形。由此可見，乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。

表10 車轍試驗結(jié)果

3.4 低溫抗裂性能

低溫彎曲試驗是國內(nèi)常用的一種瀝青混合料低溫抗裂性評價方法，通過測定規(guī)定溫度和加載速率得到的彎曲破壞時的力學特性來評價瀝青混合料的抗拉能力與低溫抗裂性能。本文采用-10 ℃時的小梁彎曲試驗評價乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料的低溫抗裂性能。試驗結(jié)果見表11。

表11 -10 ℃小梁彎曲試驗結(jié)果

乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料在具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性的同時，保留了瀝青混合料的部分柔性，其最大彎拉應(yīng)變?nèi)赃_到3 057.6。水泥的加入使乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料的脆性增加，但水泥作為膠結(jié)料起著輔助提高強度的作用，占主導作用的膠結(jié)料仍是瀝青材料。既有優(yōu)異的高溫性能，又保留較好的低溫柔性，這正是半柔性基層的一個重要特點。

3.5 疲勞性能

采用英國Cooper公司生產(chǎn)的氣動伺服諾丁漢瀝青膠結(jié)料試驗儀NU-14進行試驗。試件經(jīng)靜壓成型后切割至長（380±6）mm、寬（63±6）mm、高（50±6）mm的小梁。試件制作完畢后在環(huán)境箱中放置6 h以上，使試件各部分達到恒定的溫度，本次小梁疲勞試驗在（20±1）℃的溫度下進行。試驗結(jié)果見表12。

瀝青用量3%，水泥用量2%，200 με條件下，乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命達到32 300次。乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料在低應(yīng)變水平下，有良好的抗疲勞性能，而應(yīng)變水平增加后，疲勞壽命迅速降低。

表12 乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞次數(shù)試驗結(jié)果

4 半柔性基層路面結(jié)構(gòu)力學分析

4.1 半柔性基層對路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響

為分析半柔性基層對路面抗反射裂縫能力的影響，選擇基層厚度16 cm、模量3 000 MPa進行豎向剪應(yīng)力計算，與相同結(jié)構(gòu)的半剛性基層進行比較，結(jié)果見圖4。半柔性基層代替半剛性基層，能降低路面基層層底的拉應(yīng)力，有利于減輕基層疲勞開裂，提高路面的抗反射裂縫的能力。

圖4 路面結(jié)構(gòu)豎向剪應(yīng)力計算結(jié)果

4.2 半柔性基層模量變化對路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響

兩層半柔性基層厚度分別為16 cm，計算半柔性基層模量為700 MPa、800 MPa、900 MPa、1 000 MPa、1 100 MPa時的路表彎沉、層底拉應(yīng)力及豎向剪應(yīng)力。計算結(jié)果見圖5～圖7。結(jié)果表明：路面彎沉值隨著基層的模量增大而減小，基層層底拉應(yīng)力隨著模量的增大而增大，瀝青層間剪應(yīng)力隨著模量的增大而增大，可見適當降低路面基層的模量有利于防止反射裂縫的產(chǎn)生，提高疲勞路面結(jié)構(gòu)的疲勞性能和抗車轍、抗剪切破壞性能，但是模量過小又會導致路面承載力不足。

4.3 半柔性基層厚度變化對路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響

改變半柔性基層的厚度，研究半柔性基層厚度變化對結(jié)構(gòu)層受力狀態(tài)的影響。半柔性基層的厚度取值分別為6 cm、10 cm、15 cm和20 cm，計算結(jié)果見圖8～圖10。結(jié)果表明，路表彎沉、基層層底拉應(yīng)力、豎向剪應(yīng)力都隨著半柔性基層厚度的增大而減小，因此適當?shù)卦龃蟀肴嵝曰鶎雍穸瓤商岣呗访娴挚购奢d破壞的能力。

圖5 彎沉隨模量的變化

圖6 層底拉應(yīng)力隨模量的變化

圖7 剪應(yīng)力隨模量的變

圖8 彎沉隨基層厚度的變化

圖9 層底彎拉應(yīng)力隨基層厚度的變化

圖10 剪應(yīng)力隨厚度的變化

5 乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石路面基層施工

2013-11，依托237省道高郵段改擴建工程開展了乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石半柔性路面基層試驗段鋪筑。試驗段采用5臺壓實機械，包括1臺YZC13C型雙鋼輪振動壓路機用于初壓，2臺22J型單鋼輪壓路機用于復壓，2臺XP302型膠輪壓路機用于終壓。試驗段采用雙鋼輪初壓+單鋼輪復壓+膠輪終壓的碾壓組合方案，具體碾壓組合方案見表13?，F(xiàn)場碾壓的整體情況較好，無明顯推移、波浪、離析現(xiàn)象。

表13 施工碾壓方案

試驗段養(yǎng)生5 d的現(xiàn)場取芯檢測表明，乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石基層成型良好，芯樣較完整，無側(cè)限抗壓強度4.4 MPa。試驗路通車約半年后，乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石基層試驗路全程路表外觀良好，未見破損病害。

6 結(jié)語

（1）提出了乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料，采用最大公稱粒徑為31.5 mm集料，合成級配為骨架嵌擠級配，采用振動壓實法確定最佳含水量、干濕劈裂強度確定最佳乳化瀝青用量的設(shè)計方法。在最佳乳化瀝青用量3.2%及最佳含水量4.4%時，乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料強度及空隙率滿足設(shè)計要求。

（2）對乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料性能進行綜合試驗研究，振動成型抗壓強度大于3.5 MPa，滿足路面基層的強度要求。20 ℃抗壓回彈模量約800 MPa，具有一定的柔度。動穩(wěn)定度超過15 000次/mm，具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。低溫彎曲試驗表明最大彎拉應(yīng)變達到3 057.6，具有較好的低溫柔性，在低應(yīng)變水平下，有非常良好的疲勞性能。

（3）乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石基層代替半剛性基層，能降低路面的最大豎向剪應(yīng)力，有利于提高路面的抗裂能力。路表彎沉、層底拉應(yīng)力、豎向剪應(yīng)力都隨著乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石基層厚度的增大而減小，適當?shù)卦龃蟀肴嵝曰鶎雍穸瓤商岣呗访娴挚购奢d破壞的能力。

（4）半柔性路面基層試驗路應(yīng)用表明，乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料具有均勻性好、易壓實的特點。

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