超早强半柔性路面在市政路口的应用研究

邓　成， 黄　冲， 洪锦祥， 赵堂金， 张德育

(1.高性能土木工程材料国家重点实验室， 江苏省建筑科学研究院， 江苏 南京　211103；　2.江苏苏博特新材料股份有限公司， 江苏 南京　211103；　3.南京天印市政工程材料有限公司， 江苏 南京　211103)



超早强半柔性路面在市政路口的应用研究

邓成1，2， 黄冲1，2， 洪锦祥1，2， 赵堂金3， 张德育1，2

(1.高性能土木工程材料国家重点实验室， 江苏省建筑科学研究院， 江苏 南京211103；2.江苏苏博特新材料股份有限公司， 江苏 南京211103；3.南京天印市政工程材料有限公司， 江苏 南京211103)

[摘要]针对市政道路交叉路口车辙问题突出且难处置的现状，提出采用超早强半柔性路面技术进行处置的方法。通过对超早强半柔性路面材料进行室内试验研究和实体工程铺筑，结果表明，超早强半柔性路面材料应用在市政道路交叉路口，路面整体承载能力大幅提高，动稳定度可以达到29 930次·mm(-1)，可以比较彻底地解决其车辙问题，并能满足市政路口改造后需要快开放交通、使用寿命长久的需求，其全寿命周期成本低于4.2元/(m2·cm·年)，具有很好的应用前景。

[关键词]半柔性路面； 超早强； 市政路口； 抗车辙； 快开放交通； 施工工艺

1概述

车辙是沥青路面最常见的病害之一，是重复行车荷载作用下路面不可恢复应变的累积变形及行车荷载作用下的压密变形。车辙的存在影响了路面的平整度，降低了道路服务质量，影响了行车安全，并且能够进一步引起裂缝、坑槽等其它路面破坏，缩短路面使用寿命[1-3]。有关统计资料表明，在许多国家沥青路面维修养护的原因中，车辙的比率约占到80%[4]。市政道路交叉路口由于行车流量大、车辆交通的渠化、车辆制动和启动频繁等原因，车辙等损坏现象非常突出，极大的影响了行车安全性。可以说解决市政道路交叉路口车辙问题已经刻不容缓。然而常用的铣刨修整或摊铺新的沥青混合料等措施，并不能有效的解决市政路口的车辙顽疾。

半柔性路面是一种大空隙沥青混合料(空隙率在20%～35%)与特殊性能的水泥基材料复合组成的新型路面材料，兼具水泥混凝土刚性和沥青混凝土柔性的特点。半柔性路面已经被证明具有高承载能力，能够解决沥青路面的车辙、水损害问题[5-11]。目前国内外一些科研单位也取得了一定的成果并铺设了部分试验路段[12，13]。然而大多数试验段主要用于普通的重交通量公路，用于市政道路的很少，用在市政道路维修改造的更是少见。分析原因主要是以前采用的半柔性路面水泥砂浆没有解决强度发展慢养生时间长、收缩大易开裂等性能缺陷，不能满足市政道路改造后需要快速开放交通和对其高耐久性的要求。另外有的施工工艺通过先喷洒缓凝剂、后在内部水泥浆终凝前将表面水泥浆冲洗掉，这种方法并不适合在市政道路上使用，含有水泥浆的废水会带来“污染”，尤其是对于那些带颜色的水泥浆。有的施工工艺使用振动平板压路机来使得水泥浆浸透入基体沥青混合料的空隙中，这个方法虽然好，但也增加了施工工序。如果提高水泥浆的流动性和自渗透性便可解决该问题。

为了促进半柔性路面这一先进技术在市政道路的应用与发展，解决市政道路交叉路口车辙顽疾，并且满足施工后快速开放交通和高耐久性的要求，就需要解决半柔性路面灌浆料超早强、低收缩、高流态、高渗透的技术难题。通过对半柔性路面和超早强修补灌浆材料长期的研究[14-16]，笔者所在科研团队开发出了性能优异的半柔性路面专用灌浆料。本文采用这种超早强的灌浆料制备半柔性路面材料，进行室内试验研究和实体工程铺筑，为超早强半柔性路面在市政路口的应用提供技术支持。

2超早强半柔性路面材料的室内试验

2.1半柔性路面专用灌浆料的性能分析

采用的灌浆料是由江苏苏博特新材料股份有限公司生产的JGM®-301半柔性路面专用灌浆料，黑褐色粉料，推荐的水料比在0.25～0.3，具体情况需要根据现场试验确定。该灌浆料具有超早强、高流态、低收缩、不离析泌水等特性。这种超早强半柔性路面专用灌浆料和传统的半柔性路面普通灌浆料的基本性能测试如表1所示，从中可以看出：在相同水料比情况下，半柔性路面专用灌浆料无论在施工性能、强度发展、抗离析泌水和抗收缩等方面，均全面优于传统的普通灌浆料。JGM®-301半柔性路面专用灌浆料的最佳施工时间为30 min以内，2 h左右可开放交通。

表1 灌浆料的基本性能试验结果Table1 Basicperformancetestresultsofgroutingmaterial项目流动度/s凝结时间/h初始30min初凝终凝JGM-301专用灌浆料10.312.60.91.4普通灌浆料13.518.73.86.2抗压强度/MPa2h3h3d28d24h泌水率/%28d干缩率/%15.823.634.542.30.10.14——9.218.71.50.67 注:水料比0.26,试验温度20℃。

2.2母体混合料配合比设计

半柔性路面的大空隙母体沥青混合料属于骨架空隙结构，试验参照已有研究成果[17，18]，采用基于体积法的沥青混合料设计方法。关于混合料空隙率的选择，目前已有一些研究结果表明[19，20]，从马歇尔强度、抗车辙性能、水稳定性及低温抗裂性能等方面考察，半柔性路面材料母体沥青混合料的空隙率在25%左右最佳，因此试验也以空隙率为25%为设计目标，经过多次试配，母体沥青混合料SFAC-20的级配组成如表2所示。试验采用的沥青为SBS改性沥青，经过肯塔堡飞散试验和沥青析漏试验得出了最佳沥青用量为3.2%，该掺量下母体沥青混合料SFAC-20的基本性能如表3所示。

表2 母体沥青混合料级配组成Table2 GradationcompositionofmatrixasphaltmixtureSFAC-20混合料通过下列筛孔尺寸(mm)的质量百分率/%26.519.016.013.24.752.360.60.30.150.075级配100.093.178.246.715.412.89.37.75.43.1

表3 最佳沥青用量下的母体沥青混合料SFAC-20的基本性能Table3 BasicpropertiesofthematrixasphaltmixtureSFAC-20withoptimumasphaltcontent马歇尔稳定度/kN流值/mm空隙率/%飞散损失/%析漏量/%4.92.425.318.50.28

2.3半柔性路面混合料路用性能

将水料比0.26的水泥砂浆灌注到上述母体沥青混合料SFAC-20中(见图1)，试验测试了龄期为28 d的半柔性路面材料的马歇尔稳定度、高温稳定性、水稳定性以及低温抗裂性等基本性能，如表4所示。可以看出：与普通路面常用材料AC-13相比，半柔性路面材料SFP-20具有非常优异的抗车辙性能，动稳定度可达33 860次/mm，其抗水损害能力也非常突出。

图1　半柔性路面室内灌浆试验及效果

表4 半柔性路面材料的室内路用性能评价结果Table4 Indoorpavementperformanceevaluationresultsofsemi-flexiblepavementmaterials路用材料马歇尔稳定度/kN动稳定度/(次·mm-1)浸水残留稳定度/%冻融劈裂强度比/%SFP-2038.933860107.596.7AC-1313.1227086.882.3

3超早强半柔性路面依托工程实施概况

依托工程为南京市江宁区诚信大道交叉路口的路面车辙处置工程。诚信大道是江宁区的主干道之一，车流量大、重载车多，每到夏季路面车辙问题非常突出，尤其是交叉路口的车辙严重影响了行车安全。路面虽已经过几次铣刨修整，但车辙问题依然无法彻底解决。该条道路有5个十字路口进行了半柔性路面改造施工，重点对十字路口的停车等待区(刹车和启动频繁的地方)进行了选择性铺筑，每个路段长50～100 m，宽3.75～7.5 m，施工总面积超过2 600 m2。

依托工程半柔性路面的铺筑，主要包括以下步骤：

① 首先对需要铺筑的路段进行适当厚度的铣刨，该工程中大部分路段铣刨深度为5 cm，对铣刨后的路面进行适当清扫去除杂物和浮灰，然后对路面喷洒改性乳化沥青粘层油，提高层间粘结力。该依托工程的施工方案结构如图2所示。

图2　路段施工方案结构示意图Figure 2　Structure diagram of road construction plan

② 待乳化沥青破乳及水分蒸发完后，铺设大空隙基体沥青混合料。

③ 采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的JGM®-301半柔性路面专用灌浆料，通过水泥胶浆搅拌设备进行制浆，水料比在实验室数据的基础上根据现场气候进行相应调整，以满足施工和易性。在基体混合料的温度下降到50 ℃以下，开始灌浆施工。由于专用的灌浆料具有高流态、不离析泌水等特性，灌浆施工过程不需要使用振动设备，就可以达到灌浆均匀饱满的效果。图3显示的是在江宁区诚信大道某交叉路口进行半柔性路面施工的情况。

图3　半柔性路面施工照片Figure 3　Construction site photos of semi-flexible pavement

④ 灌浆以后，对路面进行刮浆处理，将残余在表面的水泥胶浆清除干净，以露出基体沥青混合料表面，达到理想的构造深度。路面刮浆处理工作非常重要，必须防止多余水泥胶浆残留在路面上，降低路面的抗滑性能，同时造成收缩裂缝。

⑤ 当施工气温在30 ℃以下时，一般不需要特殊的养生方式；而在30 ℃以上时，需要进行适当的洒水养护，养护期间需要严格封闭交通，并注意防止雨水冲刷。采用江苏苏博特新材料股份有限公司的JGM®-301半柔性路面专用灌浆料，由于其超早强的特性，可在灌浆后2 h左右即可开放交通。

因此，以一个施工面积(路口的停车等待区域)为750 m2左右的道路交叉口为例，采用依托工程的技术和工艺进行施工，整个过程大约需要耗时7～10 h。对于车流量不大的市政道路，可以选择在白天进行分车道围挡施工，当天即可通车。对于车流量很大的市政主干道，可以选择晚上进行铣刨摊铺、灌浆等施工，不会影响第二天早上开放交通。

4依托工程路段的观测与评价

半柔性路面依托工程路段经过1 a多(两夏天一冬天)的使用后，外观质量良好，表面纹理清晰，没有裂缝和车辙产生，如图4所示。为了验证其实际路用性能是否达到设计要求，对其进行了全面的观测与评价。测试内容主要包括半柔性路面的弯沉、动稳定度、浆体灌注厚度、劈裂强度以及构造深度等。

图4　半柔性路面使用1 a后的照片

Figure 4Photos of semi-flexible pavement in use after one year

4.1半柔性路面承载能力和高温稳定性能的测试与评价

为了评定半柔性路面的承载能力和高温稳定性能，对半柔性路面路段进行了贝克曼梁法弯沉测试和现场切取试件做动稳定度测试，试验结果如图5所示。表5对比了铺筑前后的路面弯沉和动稳定度，从中可以看出，铺筑半柔性路面后，路面的整体承载能力得到了大幅提高，抗车辙能力也显著提升，动稳定度均值可以达到29 930次·mm-1，通车1 a基本没有车辙产生。

图5　半柔性路面弯沉和动稳定度测试结果Figure 5　Deflection and dynamic stability test results of 　semi-flexible pavement

表5 半柔性路面铺筑前后的路面弯沉和动稳定度对比Table5 Thecontrastofdeflectionanddynamicstabilitybe-foreandafterthesemi-flexiblepavementpaved测试项目平均弯沉/0.01mm平均动稳定度/(次·mm-1)铺筑前56.53610半柔性路面铺筑后13.729930半柔性路面设计值<30>10000

4.2半柔性路面浆体灌注厚度、劈裂强度测试与评价

为了评定半柔性路面中水泥胶浆灌入的深度，对半柔性路面进行了钻芯，测试结果如表6所示。可以看出，浆体的灌注是非常到位的，也反应出超早强半柔性路面专用灌浆料的高流动性和自渗透性。表6还给出了半柔性路面钻芯试件的15 ℃劈裂强度测试结果，可以看出半柔性路面具有较高的劈裂强度，达到了设计要求。

表6 半柔性路面浆体灌注厚度、劈裂强度测试结果Table6 Thethicknessofgroutingandsplittingstrengthtestresultsofsemi-flexiblepavement路段号路面厚度/cm浆体灌注厚度/cm15℃劈裂强度/MPa14.964.962.3425.135.132.2834.824.822.6544.894.892.1955.085.082.57设计值55>1.8

4.3半柔性路面抗滑性能的测试与评价

路面抗滑性能对于车辆行车安全非常重要。采用手工铺砂仪-构造深度测试法对半柔性路面的抗滑性能进行了测试，试验结果如图6所示。从中可以看出所测的半柔性路面构造深度基本在0.7～0.9 mm之间，满足0.5～1.1 mm的设计范围和规范要求。

图6　半柔性路面构造深度测试结果Figure 6　The texture depth test results of semi-flexible pavement

5半柔性路面成本对比分析

半柔性路面继承了水泥混凝土和沥青混凝土的优点，除了具有优异的高温抗车辙性能，其他路用性能也非常不错。众所周知：好的路面材料需要高的经济成本。半柔性路面技术要想大规模推广，其经济成本在众多技术中需要具有优势。表7给出了半柔性路面与其他路面材料的成本对比分析结果，从中可以看出，半柔性路面材料的单次造价成本均高于SBS改性AC-13和SMA-13。然而在抗车辙处置方面，从国内外已有的试验路经验来看，半柔性路面的使用寿命一般能达到6 a以上，传统维修方案寿命仅为1～2 a。因此，以科学的角度从全寿命周期来进行成本对比，可以看出来半柔性路面的平均每年造价是小于4.2元/(m2·cm)，远低于AC和SMA沥青混合料的平均每年造价。另外，半柔性路面在服役期间几乎不需要养护，具有良好的经济效益，同时可减少维修带来的交通阻塞，提升城市形象，具有显著的社会效益。

表7 半柔性路面的全寿命周期成本分析Table7 Thewholelifecyclecostanalysisofsemi-flexiblepavement材料名称单次造价/(元·m-2·cm-1)使用寿命/a平均每年造价/(元·m-2·cm-1)半柔性路面材料25>6<4.2SBS改性AC-1315115SMA-1320210

6结语

① 室内试验研究表明，采用的半柔性路面专用灌浆料具有超早强、高流态、低收缩、不离析泌水等特性，无论在施工性能、强度发展还是抗收缩等方面，均全面优于传统的普通灌浆料。该灌浆料的最佳施工时间为30 min以内，其高流态高渗透性可以免除振捣施工，节约施工成本，且能保证灌浆的饱满度复合要求。

② 对于施工面积为750 m2左右的道路交叉口，整个半柔性路面的施工过程(铣刨、摊铺、灌浆、养生直至通车)仅需要耗时7～10 h，通常灌浆后2 h左右可开放交通。可以根据道路车流量情况，选择白天分车道围挡施工或者晚上施工，最大程度减少交通阻塞。

③ 超早强半柔性路面在市政道路交叉路口的铺筑结果表明，该技术具有优异的车辙处置能力，路面动稳定度可达到29 930次·mm-1，基本没有车辙产生，并能满足市政路口改造后需要快开放交通、性能耐久的需求。通过全寿命周期成本分析，半柔性路面的平均每年造价低于4.2元/m2·cm，远低于其他处置技术，经济效益明显，此项技术值得广泛推广。

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The Study of Super-early-strength Semi-flexible Pavement Used in Municipal Road

DENG Cheng1，2， HUANG Chong1，2， HONG Jinxiang1，2， ZHAO Tangjin3， ZHANG Deyu1，2

(1.State Key Laboratory of High Performance Civil Engineering Materials， Jiangsu Research Institute of Building Science， Nanjing， Jiangsu 211103， China；2.Jiangsu Sobute New Materials Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu 211103， China；3.Nanjing Tianyin Municipal Engineering Materials Co.Ltd.， Nanjing， Jiangsu 211103， China)

[Abstract]For the purpose of solving the current rutting problem in municipal road intersections，a method was proposed by using super-early-strength semi-flexible pavement(SFP)technique.Through laboratory experiments and practical engineering applications，the whole road carrying capacity increased，dynamic stability could reach 29 930 cycles per mm，Super-early-strength SFP had been proven to thoroughly solve the rutting problem.Besides，SFP could also meet the need of fast traffic opening for municipal road reconstruction and prolong its service life，and the total life cycle cost was less than 4.2 yuan /(m2·cm·year).Therefore the super-early-strength SFP has a good application prospect in intersection constructions.

[Key words]semi-flexible pavement(SFP)； super early strength； municipal road； anti-rutting； fast traffic opening； construction technology

[中图分类号]U 461.221

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0116-04

[作者简介]邓成(1986-)，男，四川什邡人，硕士，工程师，从事道路工程材料研究。

[基金项目]江苏省建设厅科学计划项目(JS2012JH10)；苏州市科技计划项目(SS201527)

[收稿日期]2014-10-20