半柔性路面材料性能研究

陈亚春，骆道银，张冬生，熊子佳，邓成，洪锦祥

（江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103）

0 引言

半柔性路面是在大空隙沥青混合料基体中灌入流动性较好的水泥基灌浆材料，它以沥青胶浆的凝胶结构、水泥浆体的晶体及胶凝体两者共同组合在一起，形成典型的双重网络结构系，是一种将柔性的母体沥青混合料和刚性的水泥浆体组合而成的复合材料。半柔性路面材料抗车辙能力远高于沥青路面，而其抗裂能力、行车舒适性又优于水泥混凝土路面。另外，半柔性路面材料具有耐油、耐酸、耐热、耐水、抗滑和易着色等特性。半柔性路面材料应用极为广泛，可用于十字路口、公交车专用道、长大纵坡路段、机场道面、港口码头、收费站等车辙严重的道面。其不仅适于车辙病害路面的处置维修，也可用于新建路面。

国内外对半柔性路面材料的研究主要集中在灌浆料和整体的基本性能的研究上，对半柔性材料沥青基体的研究较少。凌天清等以半柔性路面中的水泥砂浆为研究对象，提出符合要求的素水泥砂浆配合比。胡曙光等研究了水胶比、砂胶比、减水剂对水泥胶浆工作性能的影响。王巍等以半柔性路面材料灌注所需的水泥胶浆为研究对象，采用正交试验法研究了水胶比、砂种类、砂胶比、膨胀剂掺量等不同因素对水泥胶浆性能的影响。IL等通过研究半柔性材料的实验室性能表明半柔性路面材料的强度和耐久性优于热拌沥青混合料。对于半柔性路面中起着骨架、联接的作用的沥青混合料基体，其空隙率、稳定度等对灌浆率和浆体固化后半柔性材料的性能有着重要影响。因此，探讨沥青混合料基体空隙率对半柔性路面的力学强度有着重要的意义。

通过SCB试验探究了不同空隙率基体混合料半柔性试件的断裂能，得出最佳空隙率值。在最佳空隙率条件下对比了半柔性路面材料SFP-13、SMA-13、AC-13这三种不同的路面材料，通过车辙试验、低温小梁弯曲和冻融劈裂试验，探究了半柔性路面材料的高低温性能和抗水损害性能。

1 试验原材料和方法

1.1 原材料

（1）SBS 沥青

选用江阴泰富沥青有限公司的I-D型SBS改性沥青。其基本性能指标见表1。试验结果满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

（2）矿料

采用的玄武岩集料和石灰石矿粉，由南京天印市政工程材料有限公司提供。基本指标按JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》进行测试，集料的基本性能均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

（3）灌浆料

表1 SBS沥青基本性能

采用江苏苏博特新材料股份有限公司的生产的JGM半柔性路面专用灌浆料，水料比为0.3，用高速搅拌机搅拌2 min即可。其基本性能如表2所示。该灌浆料具有超早强、高流态、低收缩等特性。

1.2 试验方法

表2 半柔性路面专用灌浆料性能指标

（1）半圆弯拉试验。采用旋转压实仪成型直径为150 mm，高为150 mm的圆柱体试件。灌浆后在标养室（温度20℃，湿度90%）中养生3 d。将试件切割成直径为150 mm，厚度为50 mm的半圆形试件，在试件中部预切15 mm的裂缝切口。试验温度为25℃，加载速率为50 mm/min。

（2）车辙试验。按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求成型车辙板试件，尺寸为300 mm×300 mm×50 mm。半柔性试件需向沥青混合料基体车辙板中灌注JGM半柔性路面专用灌浆料，放入标养室（温度20℃，湿度90%）中养生3 d。用QCZ-2型全自动车辙试验仪测试动稳定度和最大车辙深度。试验温度为60℃，轮压为0.7 MPa，橡胶轮碾压速度为（42±1）次/min。

（3）低温小梁弯曲试验。采用IPC UTM-30型试验机，通过低温弯曲试验测定沥青混合料的低温性能。按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求，将轮碾成型的车辙板用切割机制成尺寸为250 mm×30 mm×35 mm的棱柱体，作为沥青混合料小梁试件。试验温度为-10℃，加载速率为50 mm/min。半柔性试件需向沥青混合料基体车辙板中灌注JGM半柔性路面专用灌浆料，放入标养室（温度20℃，湿度90%）中养生3 d。

（4）水稳定性试验。按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求用击实法成型小马歇尔试件，通过测试冻融劈裂强度比评价沥青混合料抗水损害性能。半柔性试件需向沥青混合料基体马歇尔中灌注JGM半柔性路面专用灌浆料，放入标养室（温度20℃，湿度90%）中养生3 d。

2 试验结果与分析

2.1 SCB试验

通过调整不同粒径集料占比，得到不同空隙率的沥青混合料基体。通过SCB实验，计算得到不同空隙率材料的断裂能，以此表征半柔性材料能够承受变形做功的能力。实验加载方式和试件破坏如图1所示，实验结果如图2所示。

图1 SCB试件破坏

图2 空隙率与断裂能的关系曲线

由图2可知，空隙率与断裂能曲线可分为三个阶段，其中空隙率为10%～14%为第一阶段，此区间的试件由于空隙率较小，灌浆料难以灌入，断裂能主要由具有弹性性质的沥青混合料基体提供，因此其断裂能较大。空隙率为14%～24%为第二阶段，此区间的试件随着空隙率的增大，灌浆料在试件中的占有率增大，而起主要胶连作用的仍为沥青混合料基体中的沥青胶体，因此其断裂能随空隙率的增大缓慢减小。空隙率24%～27%为第三阶段，此区间的试件空隙率较大，灌浆料灌注率较高，断裂能随空隙率的增大急剧减小，说明此时刚性的灌浆料占主导地位，试件容易发生脆断。因此，为平衡材料的刚柔性，并保证灌浆率，选用24%为合适的空隙率值。

基于以上试验，设计半柔性沥青混合料沥青基体级配见表3，油石比为3.4%，空隙率为24%。

2.2 路用性能

表3 半柔性路面材料SFP-13沥青混合料基体级配

为了便于对比，将SMA-13与AC-13两种常用的沥青混合料与半柔性路面材料SFP-13进行对比。探究了三种不同材料的高低温性能和抗水损害性能。

2.2.1 高温稳定性试验

采用常规车辙试验，在60℃试验温度条件下，通过车轮的往返运动，对材料施加压实、剪切、推移和流变作用，模拟实际路面车辆车辙产生情况，更有效地反映出路面材料在高温条件下抵抗塑性变形的能力。通过动稳定度和车辙深度评价不同种路面材料的高温稳定性能。车辙试验结果见表4。

由表4可知，SMA-13和AC-13均有较好的抗车辙效果，其动稳定度都能满足一般路面的指标要求。半柔性路面材料SFP-13的动稳定度达到了万次的量级，且车辙深度明显较小，说明半柔性材料SFP-13具有较好的高温稳定性，能充分满足更严苛的特殊路段抗车辙的要求。

2.2.2 低温抗裂性试验

在-10℃试验条件下，采用三点弯曲进行低温小梁试验，探究材料的低温劲度模量、抗弯拉强度和弯曲应变能密度，从而评价路面材料的低温抗裂性能。试验结果见表5。

表4 不同路面材料的动稳定度测试结果

表5 不同路面材料低温小梁弯曲测试结果

由表5可知，半柔性路面材料SFP-13的抗弯拉强度和弯曲劲度模量均较大，这是因为固化后的灌浆料在沥青混合料基体中形成骨架作用，相比于SMA-13和AC-13来说强度有提升。另一方面由于半柔性沥青混合料基体为大空隙沥青混合料，其骨料间的铰接作用仍由沥青胶浆提供，半柔性路面材料SFP-13仍具有一定的柔性。因此，半柔性路面材料SFP-13能适应低温地区对路面的抗裂性要求。

2.2.3 抗水损性试验

冻融劈裂试验是对试件进行冻融处理后，对试件施加作用力，使试件内部呈受拉状态，试件由于水分进入导致材料内部的粘结力不足以抵抗外加荷载而破坏，模拟路面水损害的实际情况，以此来评价路面材料的抗水损害性能。试验温度为25℃，加荷速度为50 mm/min，实验结果见表6。

表6 不同沥青混合料TSR值

由表6可知，半柔性路面材料SFP-13的劈裂抗拉强度明显较大，说明灌浆料的骨架作用对材料的强度有改善。由于SFP-13中沥青混合料基体空隙由灌浆料填充，其空隙率较小，加之灌浆料中的水泥在冻融进程中存在进一步水化作用，增强了灌浆料的强度，提高了灌浆料与沥青胶浆的连接力。因此，SFP-13的劈裂强度比较大，具有较好的抗水损性能。

3 工程应用

2017年7月半柔性路面在常州怀德中路、通江南路等路段BRT车道实现了工程应用，铺装面积达1万m2。本工程采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的JGM半柔性路面专用灌浆料，用SFP-13的级配，现场空隙率为24%。路面结构为8 cm半柔性路面上面层，中面层为7 cm AC-20的高模量沥青混凝土层。路面至今已使用1年，无车辙无裂缝，使用性能好。

4 结论

通过正交试验探究了不同筛孔通过率对半柔性路面沥青混合料基体空隙率和稳定度的影响，并通过试验研究了半柔性路面材料的性能，主要结论如下：

（1）通过SCB实验为平衡材料的刚柔性，并保证灌浆率，选用24%为合适的空隙率值。

（2）半柔性材料SFP-13动稳定度为39 375次/mm，比普通沥青混合料具有更好的高温稳定性。能充分满足更严苛的特殊路段抗车辙的要求。

（3）半柔性路面的低温弯拉强度较大，最大弯拉应变为2 562 με，与普通沥青混合料相当。劈裂抗拉强度比为93%，具有较好的抗水损害性能。