高性能半柔性路面材料设计及性能研究

蔡海泉

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

半柔性路面是指在开级配大空隙率（20%~28%）的基体沥青混合料中灌注特制的水泥胶浆而形成的一种复合式路面。随着我国交通事业的发展，交叉路口、长大坡段、隧道等特殊路段的车辙病害日益严重，普通沥青混合料在经过一个或几个高温季节后路面出现较深的车辙，严重影响行车安全和舒适性。半柔性路面材料由于具有高于水泥混凝土路面的柔性和高于沥青路面的刚性，在高温稳定性、水稳定性和抗疲劳性能等方面具有较大的优势［1-2］。本文采用体积法对基体沥青混合料进行配合比设计，采用肯塔堡飞散试验和谢伦堡沥青析漏试验确定最佳沥青用量，并对水泥胶浆进行配合比设计，最后结合高温稳定性、水稳定性能、低温性能以及耐油蚀性能等试验对半柔性路面材料的路用性能进行系统评价。

1 基体沥青混合料配合比设计

1.1 基体沥青混合料设计方法

根据半柔性路面材料的特点，其材料组成设计必须保证以下条件：（1）主骨架充分嵌挤，形成骨架结构，提供足够的空隙同时保证良好的内摩阻力；（2）水泥胶浆具有较大的粘结强度，且具有良好的流动性和体积稳定性充分填充骨架空隙［3-4］。因此，对于基体沥青混合料除形成嵌挤的骨架结构外，还必须满足体积指标要求，本研究采用体积法进行基体沥青混合料设计，确定混合料的级配，借鉴开级配抗滑沥青表层（OGFC）的设计方法确定最佳沥青用量。体积法设计基体沥青混合料的步骤如图1所示。

图1 体积法设计流程图

1.2 材料与指标要求

1.2.1 沥青

考虑到基体沥青混合料空隙率较大，为避免沥青发生流淌同时保证混合料的稳定性，沥青针入度宜在60~80，本研究选择70#道路石油沥青，试验检测结果如表1所示。

1.2.2 集料及矿粉

集料采用石灰岩，粗集料（10~15 mm）、细集料（0~3 mm）的密度分别为2.721 g/cm3和2.675 g/cm3，其余各项指标均检测合格。矿粉视密度为2.709 g/cm3。

表1 沥青试验检测结果

1.3 配合比设计

根据国内外调研，基体沥青混合料骨架空隙率应在20%~28%，本研究中基体沥青混合料设计要求参照《半柔性路面应用技术指南》［5］，具体指标要求如表2所示。

表2 基体沥青混合料设计要求

本研究中将基体沥青混合料的设计空隙率设定为25%、22%和20% 3种。采用马歇尔试模测定粗集料紧装密度为1.663 g/cm3，主骨料的空隙率为38.9%。参照国内外相关设计结果，沥青用量取3.1%，矿粉用量取3.0%。根据体积法的基本思想，细集料体积、沥青体积、矿粉体积和沥青混合料最终设计空隙体积之和等于主骨架空隙体积，计算出粗、细集料和矿粉的比例及合成级配如表3、表4所示。

表3 设定空隙率下混合料粗细集料及矿粉比例 %

表4 混合料级配组成

结合空隙率试验、马歇尔稳定度等试验，对3种基体沥青混合料进行了测试，结果如表5所示。根据试验结果，选择级配2为目标配合比。

表5 3种级配实测体积指标及稳定性能

采用谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验，其与沥青用量之间的关系曲线，如图2和图3所示，由曲线拐点得到最小和最大沥青用量分别为3.1%和3.3%，因此，在此沥青用量范围内，选择最佳油石比为3.2%。

2 水泥胶浆配合比设计

2.1 材料组成与技术指标

半柔性路面中，水泥胶浆起到填充基体沥青混合料空隙，提高材料强度的作用，其应具备如下特性：（1）足够的抗压强度和抗折强度；（2）良好的流动性；（3）良好的体积稳定性；（4）与沥青混合料粘结性良好。

水泥胶浆性能指标要求参照《半柔性路面应用技术指南》，具体如表6所示。

图2 飞散损失与沥青用量关系

图3 析漏量与沥青用量关系

表6 水泥胶浆性能指标要求

2.2 配合比设计

为了达到半柔性路面水泥胶浆的性能要求，掺加了以减水剂为主的外加剂，结合国内外研究成果，提出了水泥胶浆的目标配合比，水泥∶砂∶矿粉∶水∶减水剂=950∶437.2∶218.6∶560∶4.75。

经检验，采用目标级配拌制的水泥胶浆流动度为13 s，满足技术指标要求。同时，对水泥胶浆7 d强度进行测试，抗折强度为2.77 MPa，抗压强度为11.6 MPa，均满足与技术要求。

3 半柔性路面性能研究

半柔性路面材料整体偏于柔性，在对其路用性能进行评价时采用沥青混合料的方法进行，重点对材料的高温稳定性、水稳定性、低温性能以及耐油蚀性能开展试验研究。

3.1 高温稳定性

车辙试验是评价沥青混合料高温抗车辙较直观、有效的方法，试件成型后在标准试验条件下进行测试，结果如表7所示。根据试验结果可以看出，半柔性路面的动稳定度达到15 684次/mm，具有良好的抗车辙性能。

表7 车辙试验结果

3.2 水稳定性

水损害是沥青路面的一种主要病害形式，本研究采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对半柔性路面材料的水稳定性进行评价，试验结果如表8所示。根据试验结果可以看出，半柔性路面材料满足水稳定性能要求。

表8 水稳定性试验结果

3.3 低温性能

采用小梁弯曲试验对半柔性路面材料的低温性能进行评价，试验结果如表9所示。由试验结果可以看出，破坏应变均超过2 000 με，低温性能能够满足要求。

3.4 耐油蚀性能

路面材料遭受油类侵蚀的种类较多，并研究参考橡胶材料耐油蚀性能测试方法和沥青混合料残留稳定度测试方法，利用残留稳定度对耐油蚀性能进行评价，测试结果如表10所示。根据结果可以看出，半柔性路面材料浸油残留稳定度下降15%~20%，而普通沥青混合料下降较多，表明半柔性路面材料耐油蚀性能良好。

表9 低温性能试验结果

表10 耐油蚀试验结果

4 结论

本文对半柔性路面材料设计及性能进行研究，得出以下结论：

（1）采用体积法对基体沥青混合料配合比进行设计，确定本研究基体设计空隙率为22%；

（2）对水泥胶浆配合比进行设计，各项测试指标均能满足要求；

（3）半柔性路面材料具有较好的高温稳定性、水稳定性、低温性能，同时耐油蚀性能也十分突出。

［1］吴丹，赵可.半柔性路面的设计与性能研究［J］.交通标准化，2009，21（12）：132-135.

［2］胡曙光，张荣鹍，丁庆军，等.半柔性路面灌注水泥胶浆的性能研究［J］.公路，2009（7）：1-6.

［3］王伟明，高丹，吴旷怀.半柔性路面材料性能研究［J］.公路工程，2014，39（1）：78-82.

［4］田荣燕，张健.水泥灌浆半柔性路面混合料抗车辙性能研究［J］.公路交通技术，2013（4）：40-43.

［5］重庆交通大学，交通部公路科学研究院.半柔性路面应用技术指南［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［6］程磊.半柔性路面用混合料性能及其设计方法研究［D］.西安：长安大学，2002.