何 鑫

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392）

乳化瀝青水泥混合料作為一種復(fù)合型材料，是由一定黏度的適量乳化瀝青水泥膠結(jié)料與一定級(jí)配的礦料冷拌而成，主要作為一種半柔性基層材料應(yīng)用于公路路面基層，也可以用作路面的下面層。目前，我國(guó)的路面基層主要為半剛性基層，道路建設(shè)的實(shí)踐表明，半剛性基層路面結(jié)構(gòu)容易發(fā)生反射裂縫，出現(xiàn)耐久性不足的問(wèn)題[1]。

半柔性基層材料由于瀝青的加入，收縮性能有所提高，可以有效減少反射裂縫的出現(xiàn)并且可以與瀝青面層較好地粘附，同時(shí)水泥的加入也保證材料的早期強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，提高乳化瀝青的破乳速度，在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)放交通，顯著提升混合料的強(qiáng)度及抗裂性能[2]，有效減少能源消耗和污染物的排放[3]，具有很好的應(yīng)用前景。目前的研究成果普遍集中于材料本身的性能，基于基礎(chǔ)力學(xué)性能試驗(yàn)，研究材料、級(jí)配、施工方式等因素對(duì)乳化瀝青水泥混合料的影響[4～6]，少有研究綜合考慮整體的路面結(jié)構(gòu)組合，分析路面結(jié)構(gòu)層對(duì)于路面結(jié)構(gòu)變形、開(kāi)裂等的影響?；跀?shù)值模擬方法可以有效研究這一問(wèn)題，節(jié)省大量試驗(yàn)時(shí)間，本文首先基于試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)乳化瀝青混合料的強(qiáng)度特性以及變形能力，研究材料配比、膠結(jié)料用量等因素對(duì)于混合料性能的影響；再基于數(shù)值模擬方法建立半柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)模型，研究裂縫的擴(kuò)展過(guò)程。有研究表明：路面結(jié)構(gòu)厚度與模量是主要影響模型力學(xué)響應(yīng)的因素[7]，因此通過(guò)賦予不同的材料屬性，建立不同基層厚度的模型，分析半柔性基層材料屬性及結(jié)構(gòu)厚度對(duì)裂縫開(kāi)裂的影響。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 材料

1.1.1 原材料

乳化瀝青水泥混合料主要由乳化瀝青水泥膠結(jié)料和集料拌和而成，其中膠結(jié)料主要包括水泥、乳化瀝青、水及外加劑。

1）水泥。42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，密度3.1 g/cm3，初凝時(shí)間150 min，終凝時(shí)間270 min，3 d 抗壓強(qiáng)度22.5 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度48.3 MPa。

2）乳化瀝青。采用陽(yáng)離子乳化瀝青，見(jiàn)表1。

表1 乳化瀝青基本性質(zhì)

3）外加劑。聚氨酯增稠劑、木質(zhì)素減水劑以及有機(jī)硅消泡劑。

4）集料。參照水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石C-B-1 的級(jí)配范圍中值進(jìn)行確定，粗集料的技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 粗集料技術(shù)性質(zhì)

1.1.2 試件

將水泥、乳化瀝青、水和外加劑攪拌均勻得到乳化瀝青水泥膠結(jié)料。為了減小乳化瀝青破乳及水泥硬化帶來(lái)的影響，在膠結(jié)料拌和完成后，迅速與集料進(jìn)行攪拌，常溫下通過(guò)靜壓和擊實(shí)法成型不同尺寸的試件，包括小梁、車轍板和馬歇爾試件等，待脫模后進(jìn)行養(yǎng)生。

1.2 試驗(yàn)方案

乳化瀝青和水泥作為兩種膠結(jié)材料，其用量比會(huì)對(duì)混合料的性能產(chǎn)生較大影響，為了研究乳化瀝青水泥膠結(jié)料配比對(duì)混合料性能的影響，確定5 種不同的材料配比（C/A 比，即水泥與瀝青的質(zhì)量比）分別為1∶0.8、1∶0.9、1∶1.0、1∶1.1、1∶1.2，水灰比為0.8，見(jiàn)表3。

表3 膠結(jié)料材料配比

為了研究膠結(jié)料用量對(duì)混合料性能的影響，選取6%、7%、8%、9%、10%5 種不同膠結(jié)料用量，此時(shí)不同C/A 比混合料的水泥用量為3%左右，瀝青用量為2%左右，均滿足實(shí)際使用需求。

2 路用性能試驗(yàn)

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)不同膠結(jié)料用量和C/A 比的乳化瀝青水泥混合料試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。隨著膠結(jié)料用量的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大；隨著C/A 比的不斷減小，即水泥用量的減小，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也在逐漸減小。見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

膠結(jié)料用量的增加有利于集料之間的黏附；同時(shí)在膠結(jié)料中水泥對(duì)混合料強(qiáng)度增加起著十分重要的作用。通過(guò)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度研究可以發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)?zāi)z結(jié)料用量及C/A 比下，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)值滿足JTG/TF 20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中道路使用要求，可以作為道路的基層與底基層材料。

2.2 馬歇爾試驗(yàn)

對(duì)不同膠結(jié)料用量和C/A 比的乳化瀝青水泥混合料試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，得到穩(wěn)定度和流值的變化規(guī)律。隨著膠結(jié)料用量的增加，穩(wěn)定度在不斷增大，相應(yīng)的流值不斷減小，表明混合料的強(qiáng)度有所提高，但變形能力在不斷削弱；隨著C/A 比的減小，即水泥用量的減小，穩(wěn)定度不斷減小，流值不斷增大，表明水泥是提供混合料強(qiáng)度的主要因素，但水泥的加入也會(huì)在一定程度上削弱混合料的變形能力。見(jiàn)圖2。

圖2 馬歇爾穩(wěn)定度與流值變化規(guī)律

2.3 凍融劈裂試驗(yàn)

無(wú)論是作為基層材料還是下面層材料，乳化瀝青水泥混合料都需要具備一定的耐久性，而水穩(wěn)定性則是耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)可以得到凍融劈裂強(qiáng)度比隨膠結(jié)料用量以及C/A 比的變化規(guī)律。隨著膠結(jié)料用量的增加，凍融劈裂強(qiáng)度比呈增大的趨勢(shì)；而隨著C/A 比的減小，即水泥用量的減少，凍融劈裂強(qiáng)度比在逐漸減小，說(shuō)明水泥的水化產(chǎn)物增加，會(huì)與瀝青膜形成更為緊密的空間結(jié)構(gòu)，能夠抵抗水分對(duì)于試件的侵蝕。見(jiàn)圖3。

圖3 凍融劈裂強(qiáng)度比變化規(guī)律

試驗(yàn)材料參數(shù)范圍內(nèi)凍融劈裂強(qiáng)度比普遍＞80%，滿足JTG/T F 20—2015 中凍融劈裂強(qiáng)度比≮70%的要求。

2.4 溫縮系數(shù)

由于乳化瀝青的加入，乳化瀝青水泥混合料具備一定的變形能力，對(duì)不同膠結(jié)料用量和C/A 比的乳化瀝青水泥混合料進(jìn)行溫縮試驗(yàn)可以得到溫縮系數(shù)的變化規(guī)律。隨著溫度降低，溫縮系數(shù)逐漸減小，這是由于瀝青材料的黏度增大，材料抵抗變形的能力不斷增強(qiáng)，隨溫度降低產(chǎn)生的收縮不斷減?。浑S著C/A 比增加，即水泥用量增加，溫縮系數(shù)逐漸減小，這是由于相較于水泥材料，瀝青材料的感溫性更強(qiáng)，隨著溫度的變化，變形更大，同時(shí)水泥用量的減小也會(huì)減弱材料抵抗變形的能力，收縮現(xiàn)象更為明顯；隨著膠結(jié)料用量變化，溫縮系數(shù)呈現(xiàn)不同規(guī)律，當(dāng)乳化瀝青和水泥的用量均增加時(shí)，感溫性能不斷增加，但同時(shí)混合料抵抗變形的能力也在提高，溫度較高時(shí)感溫性能的提高占據(jù)主導(dǎo)地位，而在低溫區(qū)間，水泥起主導(dǎo)作用。見(jiàn)圖4。

圖4 不同膠結(jié)料用量和C/A比下的溫縮系數(shù)

2.5 車轍試驗(yàn)

通過(guò)車轍試驗(yàn)對(duì)乳化瀝青水泥混合料的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。常溫下通過(guò)輪碾進(jìn)行成型，養(yǎng)生7 d 后進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試件的動(dòng)穩(wěn)定度均＞10 000，抵抗高溫變形的能力較強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足JTG/TF 20—2015 要求，說(shuō)明由于水泥材料的加入，混合料的高溫性能顯著提高，抵抗高溫變形的能力顯著增強(qiáng)。

3 模擬分析

3.1 模型的建立

乳化瀝青水泥混合料作為一種半柔性基層材料，具有較好的變形能力，可以有效抑制或減緩反射裂縫的出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)裂縫的擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行研究，分析材料屬性、結(jié)構(gòu)層厚度等因素對(duì)抗裂性能的影響。建立裂縫開(kāi)裂的模型，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去掉底部約束，在半剛性基層設(shè)置預(yù)制裂縫，固定半剛性基層左側(cè)邊界，在右側(cè)邊界施加一定的拉伸位移，用以模擬裂縫自下而上的擴(kuò)展過(guò)程，分析路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力以及位移變化規(guī)律，研究不同因素對(duì)縱向開(kāi)裂的影響。見(jiàn)圖5。

圖5 路面結(jié)構(gòu)模型

3.2 模擬結(jié)果

3.2.1 裂縫擴(kuò)展過(guò)程

采用靜力分析得到裂縫的擴(kuò)展過(guò)程，選取同一分析步進(jìn)行研究，得到裂縫擴(kuò)展過(guò)程中的應(yīng)力與位移分布。見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 橫向應(yīng)力分布

圖7 橫向位移分布

應(yīng)力主要集中在固定邊界、施加位移以及裂縫尖端位置；隨著裂縫的擴(kuò)展，應(yīng)力集中的位置逐漸由裂縫尖端轉(zhuǎn)移至兩側(cè)，因此在施作應(yīng)力吸收層時(shí)，應(yīng)著重注意兩側(cè)位置的控制。裂縫在逐漸擴(kuò)展，橫向位移逐漸擴(kuò)大。

3.2.2 材料模量對(duì)抗裂性能的影響

左右兩側(cè)橫向位移的代數(shù)差即為裂縫的開(kāi)口位移。分別對(duì)半柔性基層材料賦予不同的模量值，通過(guò)計(jì)算得到各結(jié)構(gòu)層底的開(kāi)口位移變化規(guī)律。各結(jié)構(gòu)層自下而上裂縫的開(kāi)口位移逐漸減小。見(jiàn)圖8。

圖8 不同半柔性基層模量對(duì)裂紋開(kāi)口位移的影響

模量為600 MPa時(shí)，開(kāi)口位移明顯減小，采用較小模量的半柔性基層時(shí)，路面結(jié)構(gòu)總體較柔而不易開(kāi)裂，有利于路面抗開(kāi)裂能力。

3.2.3 結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)抗裂性能的影響

通過(guò)建立不同半柔性基層厚度的模型，研究結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)基層開(kāi)裂性能的影響，得到不同厚度下裂縫的開(kāi)口位移變化規(guī)律。面層底部以及半剛性基層底部裂縫開(kāi)口位移隨厚度的增加而減小，而半柔性基層底部裂縫寬度略有增大。見(jiàn)圖9。

圖9 不同半柔性基層厚度對(duì)裂紋開(kāi)口位移的影響

半柔性基層作為應(yīng)力吸收層，是為了阻止半剛性基層反射裂縫繼續(xù)向上擴(kuò)展，因此面層底部的開(kāi)口位移直接表現(xiàn)出半柔性基層的作用，增加厚度有利于抵抗反射裂縫的出現(xiàn)。

4 結(jié)論

乳化瀝青水泥混合料的各項(xiàng)路用性能參數(shù)指標(biāo)均滿足使用要求，材料具有較好的強(qiáng)度特性、高溫特性及水穩(wěn)定性；當(dāng)水泥含量較高、膠結(jié)料用量較多時(shí)路用性能較好。適當(dāng)增加半柔性基層的厚度和降低乳化瀝青水泥混合料的模量有利于抑制反射裂縫。