張發(fā)秀,劉國坤，曾亞林

(1.青海興太工程咨詢有限公司，青海 西寧 810000；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

1 概述

開級配瀝青混合料通常指由粗集料嵌擠組成，細(xì)集料較少，壓實后空隙率≥18%的瀝青混合料，具有減少反射裂縫，以及快速排水的優(yōu)勢，主要在柔性基層或舊路加鋪改造的下面層中應(yīng)用[1-2]。然而隨著交通量的增大和車輛軸重的增加，普通開級配瀝青路面暴露出車轍變形較大、耐久性不足等弊端。灌注式水泥-開級配瀝青混合料是一種新型路面結(jié)構(gòu)材料，它是在具有開級配的瀝青混合料基體骨架材料壓實后，灌注水泥漿填充骨料之間的空隙，逐漸凝結(jié)硬化，從而兼具水泥和瀝青各自的特征，較一般開級配瀝青混合料具有更強的耐久性[3]。

對瀝青路面進行水泥灌注的方法較早在日本得到了廣泛應(yīng)用，該種路面每年可鋪筑20多萬m2，日本還提出了針對此路面結(jié)構(gòu)計算方法[4-5]。我國對于半柔性水泥灌漿路面的研究近年來逐步增加，具有代表性的研究有：程磊[6]針對半柔性瀝青路面的水泥膠漿配合比，用SPSS軟件進行均勻試驗方案的設(shè)計，并且用水泥漿流動性和強度測試試驗來計算確定最佳水泥膠漿性能的水灰比、砂含量和礦粉含量等。凌天清[7]等在水泥漿中加入了BD乳液，最后給出了改性灌注聚合物改性水泥膠漿瀝青路面材料的配比，發(fā)現(xiàn)在加入聚合物改性水泥膠漿后，灌漿半柔性路面材料的路用性能得到了很大的提高。丁慶軍[8]等指出灌漿路面的工作性能很大程度上受到母體瀝青混合料體積參數(shù)的影響，母體空隙率越大，灌漿瀝青路面的性能越好。

上述研究對灌注式瀝青混合料的研究主要針對強度指標(biāo)，對長期變形和疲勞性能的研究報道較少，而且瀝青混合料集料一般采用天然巖石，但是隨著資源保護觀念的增強，天然巖石骨料的稀缺性問題日益凸顯[9-10]，關(guān)于天然巖石骨料替代品的研究具有重要意義。本文嘗試研究灌注式瀝青混合料的疲勞性能，制備了天然巖石、過燒磚、再生混凝土3種骨料的灌注式開級配瀝青混合料試件，開展了不同試件初始空隙率下的車轍試驗和疲勞試驗，分析了車轍深度、疲勞壽命等指標(biāo)的變化規(guī)律，從長期性能角度探討不同骨料類型的優(yōu)劣。

2 試驗原材料與制樣

2.1 試驗材料

本文使用了3種類型的骨料，分別為天然碎石骨料、過燒磚碎骨料和再生混凝土骨料，其中過燒磚碎骨料是制磚業(yè)的廢料，燒成溫度過高，存在彎曲變形，磚的尺寸極不規(guī)整，一般不在建筑行業(yè)中使用；再生混凝土則來自某使用10余a的房屋結(jié)構(gòu)，3種骨料壓碎值分別為13.4%、28.9%和18.9%。本文使用瀝青黏合劑基本性質(zhì)如表1所示。

表1 瀝青的性能指標(biāo) Table 1 Performance index of asphalt類別比重/(kg·m-3)針入度/mm軟化點/℃延度/mm初始1.1827052>100老化1.1856654>100

用于灌注的水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，初凝和終凝時間分別為25和260 min，其3 d養(yǎng)護時間下抗壓強度為27.61 MPa，28 d養(yǎng)護試驗下抗壓強度50.27 MPa。

2.2 試樣制備

按表2所示的集料配比，嘗試配置18%、21%和24%這3種空隙率(AV)的開級配瀝青混合料。采用輪碾法制作瀝青混合料試件，試件為長300 mm、寬300 mm、厚50 mm的板塊狀試件，將試模預(yù)熱，將拌和好的開級配瀝青混合料用小鏟稍加拌和后轉(zhuǎn)入試模，中部略高于四周，試樣成型前將碾壓輪預(yù)熱至100 ℃，啟動輪碾機，先在1個方向碾壓兩個往返，卸荷后抬起碾壓輪，將試件調(diào)整方向，再加相同荷載碾壓至馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)密實度(100±1)%為止。壓實成型后，放在室溫下冷卻18 h后再脫模。最終配置樣品的性質(zhì)如表3所示。

表2 瀝青混凝土集料的配比Table 2 The ratio of asphalt concrete aggregates篩孔尺寸/mm累計通過質(zhì)量百分比/%碎石瀝青混合料碎磚和碎再生混凝土瀝青混合料18%AV21%AV24%AV18%AV21%AV24%AV19 10010010010010010013.2——————12.58585858585859.57570657065604.751010101010102.365555551.18——————0.6——————0.3——————0.15——————0.075222222

注漿時，原始試樣用膠帶纏繞，下部用聚乙烯密封，上部開口，進行振動灌注，殘留在表面的多余漿液在灌注完成后擦除，圖1為灌注前后切割瀝青混合料的照片。漿液水灰比為0.5，圖2為不同初始空隙率混合料注漿后的微觀結(jié)構(gòu)圖，區(qū)域“A”表示集料周邊的瀝青黏合劑覆蓋區(qū)域，而區(qū)域“B”表示開級配混合料中的水泥漿填充區(qū)域，并不是所有的初始空隙都會被漿液填充，因此所有試件都會存在殘余空隙率，區(qū)域“C”即代表未被漿液填充的區(qū)域。可以看出，初始空隙率越大，填充到混合物空隙中的水泥漿越多，骨料/水泥漿和瀝青/水泥漿2個比值將隨著空隙率的增大而減小。

表3 試件基本性質(zhì)Table 3 Basic properties of specimens瀝青混合料類型目標(biāo)空隙率/%瀝青含量/%實際空隙率/%抗壓強度/MPa18±0.53.218.381.56開級配碎石瀝青混合料(OGSA)21±0.53.421.161.4824±0.53.223.991.4218±0.55.218.141.12開級配碎過燒磚瀝青混合料(OGOBA)21±0.55.621.341.0824±0.55.223.881.0218±0.54.418.311.32開級配碎再生混凝土瀝青混合料(OGRCA)21±0.54.421.151.2424±0.54.223.841.17

圖1 開級配瀝青混合料注漿前后對比Figure 1 Comparison of open-graded asphalt mixturebefore and after grouting

(a)AV=18%

(b)AV=21%

(c)AV=24%

3 試驗方案

3.1 車轍試驗

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[11]，對機械碾壓成型的長300mm、寬300 mm、厚50 mm的板塊狀試件進行車轍試驗，開動車轍變形自動記錄儀，啟動試驗機，使試驗輪往返行走，當(dāng)最大變形達到25 mm時停止試驗。本文車轍試驗還考慮的溫度和濕度的影響，溫度設(shè)置了30 ℃和60 ℃的2種工況，相對濕度設(shè)置了40%(干)和80%(濕)的2種工況。

3.2 疲勞試驗

參照上述試驗規(guī)程，將輪碾成型的瀝青混合料試件切割成長380 mm、厚50 mm、寬63 mm的小梁試件，利用疲勞試驗機測定壓實瀝青混合料的疲勞壽命，其中試驗溫度控制在15 ℃左右，加載頻率為10 Hz，恒定的應(yīng)變控制在500×10-6，至少進行10 000次重復(fù)加載。與一般熱拌瀝青疲勞試驗不同(加載至彎曲勁度模量降低至初始值的50%)，本文中，當(dāng)彎曲勁度模量降低至初始值的10%時，試驗終止，并記錄相應(yīng)的加載次數(shù)為疲勞壽命，因為本文試件的蠕變周期更長。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 車轍試驗結(jié)果

由于篇幅有限，本文只展示了部分試件的車轍試驗結(jié)果，圖3為未注漿OGSA試件車轍深度與加載次數(shù)的關(guān)系。可以看出，對于未注漿試件，隨著加載次數(shù)增加，對于空隙率較大的OGSA試件，車轍深度線性增加，而對于空隙率較小的OGSA試件，車轍增長速率越來越大。隨著空隙率的增加，到達同一車轍深度所需的加載次數(shù)越來越少。

同時，可以看出濕度和溫度環(huán)境對車轍試驗的結(jié)果也有顯著影響。例如AV=24%時，干環(huán)境、30 ℃條件下試件到達12 mm車轍深度所需的加載次數(shù)約9 500次，而濕環(huán)境、30 ℃條件下只需要加載6 000次左右，干環(huán)境、60 ℃條件下只需要加載7 500次左右。由此可見，未注漿試件抵抗變形的能力對濕度和溫度變化是十分敏感的。

圖3 未注漿試件車轍深度與加載次數(shù)的關(guān)系Figure 3 Relationship between rutting depth and loading times for ungrouted samples

圖4為注漿OGSA試件車轍深度與加載次數(shù)的關(guān)系(60 ℃環(huán)境下)，圖中對照試件為密級配瀝青混合料試件。對于注漿試件，車轍深度-加載次數(shù)關(guān)系全線的形態(tài)發(fā)生的變化，在加載次數(shù)>2 000次后，車轍深度的增加速率放緩。與未注漿試件不同，注漿試件抵抗車轍變形的能力大大增強，以AV=21%為例，注漿試件在干環(huán)境、60 ℃下，加

圖4 注漿試件車轍深度與加載次數(shù)的關(guān)系Figure 4 Relationship between rutting depth and loading times for grouted sample

載次數(shù)20 000次時，車轍深度僅為2 mm左右，而未注漿試件在同條件下只需要加載1 800次左右即產(chǎn)生了2 mm的車轍深度。同時，還可以看出，密級配對照試件的抗變形能力是遠(yuǎn)強于開級配試件的，但是比注漿試件略差，這體現(xiàn)了注漿開級配瀝青混合料抗車轍變形的優(yōu)勢。

值得指出的是，試件原空隙率越大，注漿后反而抵抗車轍變形能力越強，這是因為空隙率越大意味著更多水泥漿填充，而且注漿試件對于干濕環(huán)境敏感性也有所下降。表4為所有試件車轍試驗結(jié)果。

表4 車轍試驗結(jié)果Table 4 Rutting test results類型AV%不同條件下的車轍比/(mm·h-1)不同條件下的動穩(wěn)定度/(次·mm-1)30 ℃,干30 ℃,濕60 ℃,干60 ℃,濕30 ℃,干30 ℃,濕60 ℃,干60 ℃,濕180.4830.6500.6220.9036 0214 4074 6833 133OGSA210.4350.5960.5480.8267 2284 9695 0753 346240.3710.5270.5070.7628 8675 95554003 730180.5900.7440.7190.9745 5073 9803 9872 956OGOBA210.5450.7130.6710.9295 8534 0414 0623 046240.5250.6880.6640.9176 9834 4584 1203 247180.5320.6920.6630.9225 8124 1064 2213 027OGRCA210.4850.6750.6210.9016 2944 1494 6583 122240.4340.5740.5470.8177 1655 7365 1373 563

從表4可以看出，采用天然碎石作為骨料時，注漿瀝青混合料的動穩(wěn)定度最高，其次為采用碎再生混凝土骨料，再次為采用碎過燒磚骨料，動穩(wěn)定度也與初始空隙率成正比。

各類試件抗壓強度、注漿后殘余空隙率和車轍比三者的關(guān)系如圖5所示，其中車轍比定義為車轍深度與加載次數(shù)對數(shù)值之間的比值，該值越小，表明抵抗車轍變形的能力越強?？梢钥闯鲈嚰箟簭姸扰c車轍比成反比(R2=0.80)，說明注漿瀝青混合料抗壓強度越大抵抗變形的能力越強，而殘余空隙率與車轍比成正比，但相關(guān)性較低(R2=0.64)。

圖5 抗壓強度和殘余空隙率與車轍比的關(guān)系Figure 5 Relationship between compressive strength，residual air voidage and rutting rate

4.2 疲勞試驗

圖6 OGSA的疲勞性能曲線Figure 6 Fatigue test results of OGSA samples

圖7 OGOBA的疲勞性能曲線Figure 7 Fatigue test results of OGRCA samples

圖8 OGRCA的疲勞性能曲線Figure 8 Fatigue test results of OGRCA sample

圖6、圖7、圖8分別為通過疲勞試驗得出的OGSA、OGOBA和OGRCA的疲勞性能曲線?？梢钥闯觯醋{試件的抗疲勞性能遠(yuǎn)低于對照密級配試件，但注漿后抗疲勞性能明顯優(yōu)化，所有注漿試件的抗疲勞性能都優(yōu)于對照組試件，以AV=24%為例，相對于對照組試件的疲勞壽命，注漿后OGSA的疲勞壽命增加了143.55%，而OGOBA和OGRCA樣品分別增加了116.87%和130.91%。初始空隙率越大，注漿試件抗疲勞性能越好，這也是由于空隙率增大導(dǎo)致更多的水泥填充，同時可以看出注漿OGSA的疲勞壽命高于另外2種注漿瀝青混合料。

圖9分析了各類試件疲勞壽命(疲勞加載次數(shù))的影響因素，可以看出抗壓強度和殘余空隙率與其疲勞性能有高度的相關(guān)性，其中抗壓強度與疲勞壽命成正比(R2=0.97)， 殘余空隙率與疲勞壽命成反比(R2=0.84)，其規(guī)律與車轍比有相似性。

4.3 灌注質(zhì)量比對車轍和疲勞性能的影響

圖10顯示了各類試件20 000次加載時車轍深度、疲勞壽命與注漿比的關(guān)系，其中注漿比被定義為灌注水泥漿質(zhì)量與瀝青質(zhì)量的比值?？梢钥闯鲎{比與疲勞壽命的相關(guān)性更加明顯，R2值為0.81，而與車轍深度的R2值僅為0.53。說明瀝青黏合劑含量在影響注漿瀝青混合料疲勞壽命方面也起著關(guān)鍵作用。

圖9 殘余空隙率和抗壓強度與疲勞壽命的關(guān)系Figure 9 Relationship between compressive strength,residual air voidage and fatigue life

圖10 灌注質(zhì)量比對疲勞壽命和車轍深度的影響Figure 10 Effect of grouting mass ratio on fatigue life and rutting depth

5 工程應(yīng)用

在青海省某高速公路建設(shè)了約600 m的灌注式瀝青混合料路面試驗段，分別采用了3種瀝青骨料，各鋪設(shè)200 m，在160 ℃～185 ℃溫度下對母體瀝青混合料進行拌合，根據(jù)規(guī)定的密實度和平整度，用壓路機進行碾壓，待瀝青混合料整體溫度下降至 45 ℃左右，利用灌注機進行水泥漿灌注，灌注完成后，用輕型振動壓路機振動碾壓至平整。在2019年11月—2020年4月，對試驗段路面的指標(biāo)進行了跟蹤檢測，結(jié)果如表5所示。

表5 路面指標(biāo)變化檢測記錄Table 5 Detection record of surface index variation日期OGSA料OGOBA料OGRCA料車轍深度指數(shù)RDI橫向力系數(shù)SFC60構(gòu)造深度TC/mm車轍深度指數(shù)RDI橫向力系數(shù)SFC60構(gòu)造深度TC/mm車轍深度指數(shù)RDI橫向力系數(shù)SFC60構(gòu)造深度TC/mm2019年11月93.561.21.0285.554.20.8784.955.10.932019年12月93.160.91.0285.053.90.8684.055.00.932020年1月92.860.81.0183.853.80.8683.454.80.912020年2月91.860.30.9982.853.80.8482.954.80.912020年3月91.660.10.9882.353.60.8482.654.70.902020年4月91.559.80.9882.053.60.8382.154.50.90

從表5可以看出，采用水泥注漿后，OGSA路面的RDI、SFC60、TC指標(biāo)最佳，其次為OGRCA路面，再次為OGOBA路面。3種骨料瀝青路面的性能隨時間的變化都不明顯，具有較好的抗變形和抗疲勞性能，但是OGOBA采用了過燒磚作為骨料，其強度偏小，骨料壓碎值大于28%，參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)[12]，在高速公路和一級公路中應(yīng)慎用。

6 結(jié)論

本研究對不同空隙率下灌注式水泥-開級配瀝青混合料的變形和疲勞性能進行了研究，得到如下結(jié)論：

a.開級配試件注漿后，抵抗車轍變形的能力大大增強，甚至強于密級配對照試件，這體現(xiàn)了灌注式水泥-開級配瀝青混合料抗車轍變形的優(yōu)勢。

b.未注漿試件的抗疲勞性能遠(yuǎn)低于對照密級配試件，但注漿后抗疲勞性能明顯優(yōu)化，所有注漿試件的抗疲勞性能都優(yōu)于對照組試件，初始空隙率越大，注漿試件抗疲勞性能越好。

c.試件的抗壓強度和殘余空隙率與其車轍比和疲勞壽命有高度的相關(guān)性，其中抗壓強度與車轍比成反比、與疲勞壽命成正比，殘余空隙率與車轍比成正比、與疲勞壽命成反比。

d.從骨料類型影響來看，采用天然碎石作為骨料時，注漿瀝青混合料的抗變形和抗疲勞性能最佳，其次為采用碎再生混凝土骨料，再次為采用碎過燒磚骨料。

e.根據(jù)試驗段路面檢測結(jié)果，采用水泥注漿后，3種骨料瀝青路面的性能隨時間的衰變都不明顯，具有較好的抗變形和抗疲勞性能。但是OGOBA采用了過燒磚作為骨料，其強度偏小，在高速公路和一級公路中應(yīng)慎用。