不同因素对半柔性路面材料抗裂性能的影响研究

刘 刚

(山西路桥建设集团国际公司，山西 太原 030006)

0 引言

目前，在高速公路建设中主要采用沥青混凝土和水泥混凝土铺筑路面，水泥混凝土路面作为一种刚性路面，其具有较强的承载能力和良好的抗冲击、抗磨及抗腐蚀性能，但因路面铺筑后的养生期较长使得路面开放交通较迟，且由于其具有较强的刚性，路面很容易产生裂缝、破碎板等病害，维修难度较大，行车舒适性也较差，对于后续路面的升级改造造成很大的不利影响；沥青混凝土路面行车舒适性较

好，施工周期短，易于维修，近年来在高速公路中应用较为广泛，但是其强度较低，而且作为一种感温性材料，易于受温度变化的影响。在夏季高温多雨季节，沥青路面会受到高温、雨水及车辆荷载等多种因素耦合作用，路面逐渐产生一系列病害，如车辙、掉粒、坑槽等。在冬天寒冷季节，沥青面层会产生较大的收缩变形，而此时沥青主要表现为脆性，促使沥青混合料质地脆硬，抗变形能力急剧下降，沥青路面出现温缩裂缝导致强度明显降低。在春、秋两季，基层的整体抗弯拉强度较小，沥青路面在车辆垂直荷载作用下，会产生较大的弯拉应力和弯拉应变，经过车轮荷载反复作用后，应力或应变超过沥青混合料的疲劳极限，路面产生疲劳断裂破坏。

为了缓解和克服水泥路面与沥青路面的不足，一种新型的半柔性路面材料应运而生。这种材料结合了水泥路面强度高、沥青路面柔性好的特点，实现了路面材料“刚柔并济”的思路。因此，开展新型半柔性路面材料的性能研究，对于提高公路路面建设具有重要的意义和价值。本文依托长沙市公路局“高性能半柔性复合路面与基层的开发应用研究”课题对影响半柔性路面材料性能的因素进行分析探讨，以期为工程实际提供参考。

1 原材料性能与试验方法

1.1 原材料性能

1.1.1 沥青性能

本研究选取东莞泰和沥青有限公司生产的70#SBS-I-D改性沥青，以及课题组自主研发的橡胶改性沥青与高粘改性沥青，三种沥青的主要技术性能见表1：

表1 沥青技术指标性能测试结果对比表

1.1.2 粗集料性能

本研究选用三种粗集料，分别取自邯郸武安白沙产的石灰岩、重庆乐山产的玄武岩和湖北红安产的辉绿岩，其技术指标性能如表2所示：

表2 粗集料技术指标性能测试结果对比表

1.1.3 细集料性能

细集料多采用机制砂，其棱角性良好，但是表面粗糙程度较低，因此还会掺入一部分的石屑，促使细集料的表面摩擦力增大，进一步提高沥青混合料性能。本研究采用邯郸武安白沙产的机制砂，其主要技术指标如表3所示：

表3 细集料技术指标性能测试结果表

1.1.4 填料性能

矿粉具有良好的吸附能力，能很好地填充水泥集料之间的空隙，使胶结能力更强，从而提升混凝土强度.本文填料选用石灰岩磨细得到的矿粉，其性能如下页表4所示：

表4 矿粉技术性能测试结果表

1.1.5 水泥砂浆

本文用于灌注大空隙基体沥青混合料的水泥砂浆配合比如表5所示：

表5 水泥砂浆配合比表

制备得到的水泥砂浆流动性较好，泌水率和离析率较小，3 d抗压强度为18.6 MPa，抗折强度为4.82 MPa，28 d抗压强度为44.23 MPa，抗折强度为7.51 MPa。

1.2 试验方法

1.2.1 低温弯曲试验

通过低温小梁弯曲试验(JTG E20-2011)来检验混合料的低温拉伸特性，室内成型车辙板试件，然后利用切割机切割为符合要求的小梁试件，采用万能材料试验机MTS810试验机，试验中小梁的尺寸为：长250 mm±2.0 mm，宽30 mm±2.0 mm，高35 mm±2.0 mm，跨径200 mm±0.5 mm。选取测试环境分别为-10 ℃，荷载施加速度为50 mm/min，以试验得到的弯拉强度、最大破坏应变和计算得到的劲度模量为评价指标。

1.2.2 单轴压缩试验

室内成型一定尺寸的车辙板试件，采用切割机将试件切割为80 mm×40 mm×40 mm，利用MTS810试验机进行加载试验，试验温度选择10 ℃，加载频率为50 mm/min，以试验得到的单轴压缩强度、压缩应变及压缩劲度模量作为评价指标。

1.2.3 四点弯曲疲劳试验

采用MTS万能材料试验机，选用四点弯曲疲劳试验方法对半柔性路面材料进行疲劳性能研究，试验采用应力控制模式，荷载为10 Hz的正弦波，应力比采用单一应力比0.4，试验温度选15 ℃，控制加载速率为50 mm/min，以试验得到的疲劳寿命对半柔性路面材料疲劳性能进行研究。

2 试验结果分析

2.1 低温抗裂性

2.1.1 低温弯曲试验

(1)沥青类型对半柔性路面材料低温抗裂性的影响

首先研究了不同沥青类型对半柔性材料低温性能产生的影响，在研究不同沥青种类的影响时，粗集料选用玄武岩，试验结果如表6所示：

表6 不同沥青对半柔性材料低温抗裂性的影响对比表

同一温度条件下，弯拉强度和最大应变越大，劲度模量越小，低温性能越好。从表6可以看出，三种沥青对于半柔性路面材料低温性能的影响较大，三种沥青对应半柔性路面材料的弯拉强度与最大应变从大到小依次为高粘改性沥青>70#SBS-I-D改性沥青>橡胶改性沥青；劲度模量从大到小依次为橡胶改性沥青>70#SBS-I-D改性沥青>高粘改性沥青。由此可以看出采用高粘改性沥青时的半柔性材料低温性能最好，70#SBS-I-D改性沥青次之，橡胶改性沥青最差。

(2)粗集料类型对半柔性路面材料低温抗裂性的影响

然后研究了不同粗集料类型对半柔性材料低温性能产生的影响，在研究不同粗集料种类的影响时，沥青选用70#SBS-I-D，试验结果如表7所示：

表7 不同粗集料对半柔性材料低温抗裂性的影响对比表

从表7可以看出，三种粗集料对应半柔性路面材料的弯拉强度从大到小依次为辉绿岩>玄武岩>石灰岩；最大应变从大到小依次为玄武岩>辉绿岩>石灰岩；劲度模量从大到小依次为辉绿岩>石灰岩>玄武岩。综合考虑三种集料对半柔性材料低温抗裂性的影响较大，可以发现玄武岩对应的半柔性材料低温性能最佳。

2.1.2 单轴压缩试验

(1)沥青类型对半柔性路面材料低温抗裂性的影响

为了进一步研究沥青类型对半柔性材料低温抗裂性的影响，试验采用单轴压缩强度试验对三种集料对应的半柔性材料进行试验，试验时粗集料类型选择玄武岩，试验结果如表8所示：

表8 不同沥青对半柔性材料低温抗裂性的影响对比表

从表8可知，从单轴压缩强度与压缩应变大小来看，高粘改性沥青>橡胶改性沥青>70#SBS改性沥青；从压缩劲度模量可知，70#SBS改性沥青>橡胶改性沥青>高粘改性沥青。综合来看，沥青对单轴压缩强度的影响较小，选择高粘改性沥青效果最佳。

(2)粗集料类型对半柔性路面材料低温抗裂性的影响

在研究集料种类对低温性能的影响时，沥青选择70#SBS-I-D，试验结果如表9所示：

表9 不同粗集料对半柔性材料低温抗裂性的影响对比表

从表9结果来看，单轴压缩强度从大到小分别为辉绿岩>玄武岩>石灰岩；但从压缩应变来看，变化规律与压缩强度正好相反，灰绿岩对应的压缩劲度模量最大，玄武岩次之，石灰岩最小。综合对比三种集料来看，玄武岩对应的半柔性材料低温性能最好。

2.2 疲劳抗裂性

2.2.1 四点弯曲疲劳试验

(1)沥青类型对半柔性路面材料疲劳抗裂性的影响

为研究三种沥青对半柔性材料疲劳性能的影响，本文采用MTS810进行四点弯曲疲劳试验，试验结果如表10所示：

表10 不同沥青对半柔性材料疲劳寿命的影响对比表

从表10可得知，三种沥青对应的半柔性材料的疲劳寿命中高粘改性沥青最大，橡胶改性沥青次之，70#SBS-I-D最小，说明高粘改性沥青用于半柔性材料的抗疲劳性能效果最好。

(2)粗集料类型对半柔性路面材料疲劳抗裂性的影响

对不同粗集料类型的半柔性路面材料疲劳寿命进行评价，沥青采用70#SBS-I-D，试验结果如表11所示：

表11 不同粗集料对半柔性材料疲劳寿命的影响对比表

从表11试验结果发现，辉绿岩对应的疲劳寿命均值最大，玄武岩与辉绿岩大小相当，仅次于辉绿岩，石灰岩最小。仅考虑疲劳性能的情况下，采用辉绿岩的效果最佳。

2.3 综合分析

从低温小梁弯曲试验、单轴压缩强度试验以及四点弯曲疲劳试验得到的结果综合来看，在半柔性路面材料的原材料选择时推荐粗集料采用玄武岩，沥青选用高粘改性沥青。

3 结语

本文依托“高性能半柔性复合路面与基层的开发应用研究”课题对影响半柔性路面材料性能的因素进行探讨，通过室内性能试验研究了不同集料与不同沥青类型对半柔性路面材料性能的影响，得出以下结论：

(1)沥青种类对单轴压缩强度的影响较小，但是对低温弯曲性能和疲劳寿命影响较大，在综合考虑抗裂性能的情况下推荐采用高粘改性沥青。

(2)集料类型对于半柔性材料低温抗裂性与疲劳性能有略微差异，单考虑低温性能玄武岩最好，疲劳性能时辉绿岩最好，玄武岩稍弱，但综合考虑推荐采用玄武岩较佳。