半柔性路面材料的抗裂性能

陈湘华，李 佳，蔡 旭

(1.广州市公路勘察设计有限公司，广东 广州 511430； 2.广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006)

0 引 言

半柔性路面是将专门配制的水泥胶浆灌入空隙率为20%～30%的母体沥青混合料中形成的一种路面。由于半柔性路面中沥青混凝土的存在，使该路面材料具有一定的应力松弛能力，因此可以不设或少设温度缝；由于具有较高的刚性，半柔性路面可以承受较重的荷载而不产生车辙，具有“刚柔并存”的优点。随着中国高等级公路建设事业不断发展，重载交通流量不断增加，开展半柔性路面材料的研究具有显著的社会效益。

1990年国外已将半柔性路面材料用于机场跑道、高速公路、城市道路交叉口等项目中。中国在1985年开始研究半柔性路面材料，如潘大林等对半刚性混合料性能和设计方法进行了研究[1]；郝培文等利用多种试验方法评价半柔性路面混合料的路用性能，发现半柔性路面材料具有优良的高温稳定性、耐疲劳性能和耐油蚀性能，以及较好的水稳定性和低温稳定性[2]；吴国雄等采用冻融劈裂试验评价半柔性路面混合料的低温抗裂性能，发现随着水泥胶浆量的增大，其低温性能有变差的趋势[3-5]；凌天清等通过室内试验研究发现，半柔性混合料的抗疲劳性能不如普通沥青混合料，但可改善城市生态结构，降低城市热岛效应，改善城市人居环境[6]；沙莎将PEG/SiO2复合相变材料应用于半柔性路面，发现该材料可以改善其低温抗裂性能[7]；李志猛等采用扫描电镜的手段观测半柔性材料的微观结构，得到水泥-沥青的界面特征[8]；王端宜等将半柔性材料用于路面基层中，实体工程检验发现半柔材料具有良好的路用性能[9]。

目前对半柔性路面材料的研究主要集中在配比设计、材料优化以及路用性能验证方向，对抗裂性能的探讨仍不够全面[10-13]。实际上，水泥浆体和沥青混合料具有不同的变形特性，半柔性路面的抗裂性能取决于各材料的变形匹配，因此有必要研究刚柔材料组成比例对混合料抗裂性能的影响，进而确定合理的材料比例，用以指导混合料的设计。本研究采用半圆弯曲试验方法评价不同温度、不同母体孔隙率下半柔性路面材料的抗裂性能，分析其开裂机理，实现半柔性路面材料性能指标的定量设计。

1 断裂力学J积分理论

国内外已有研究人员采用断裂力学研究材料的抗裂性能，通过材料弯曲应变能密度的大小评价其抵抗开裂的能力[14-16]。采用该理论时，将混合料假定为一均质材料，人为引入一条裂纹，通过对裂纹尖端处能量的积分获得其断裂韧度，如图1所示，积分公式见式(1)。

图1 J积分

(1)

通常认为，无论裂纹的扩展路径如何，对同一材料采用J积分求得的能量均相等，即认为能量大小与裂纹发展路径无关，因此该值反映了裂纹尖端应力应变场的强度。可通过势能差值与裂缝差值计算得到J积分。

(2)

当J积分到达临界值时，即使外力不增加，裂纹仍将继续扩展，直至结构破坏，这个临界值称为断裂韧度(Jc)。因此，裂纹是否开裂的判断依据为

J

(3)

2 试验设计

采用小梁三点弯曲试验获取半柔性材料的弯曲应变能密度，由于小梁三点弯拉试验的变异系数较半圆弯拉试验大[17-19]，同时半柔性材料的半圆弯拉试件较易获得，因此采用半圆弯拉试验作为半柔性路面材料抗裂性能研究的主要方法。

2.1 半柔性路面材料的设计

试验采用70#沥青，依据《半柔性路面应用技术指南》规定的方法确定空隙率为21 %、23 %、25 %和27 %的母体沥青混合料的级配和最佳油石比，结果如表1所示。

表1 母体沥青混合料级配及最佳油石比

干粉水泥胶砂采用半柔性路面专用胶砂，性能要求如表2所示。

依据表1的设计结果，采用旋转压实方法成型直径为150 mm、高100 mm的母体沥青混合料试件，采用振动台辅助灌浆制成半柔性路面材料试件。采用高精度双面锯对经过一定时间养护的圆柱试件进行切割，得到直径150 mm、高75 mm、厚50 mm的半圆形试件。本研究设计了3个不同的切口深度，分别为15 mm、20 mm和30 mm，试件如图2所示。

表2 水泥胶砂性能指标要求

图2 半圆形切口试件

2.2 半圆弯曲拉伸试验

为了研究母体沥青混合料空隙率、温度与养护龄期对半柔性路面材料抗裂性能的影响，设计了60 ℃、25 ℃、0 ℃和-15 ℃共4个试验温度，以及3 d和7 d两个养护龄期。半圆间接拉伸试验基本装置如图3所示。

图3 半圆弯曲试验装置

3 试验结果与数据分析

采用MTS材料试验系统进行半圆弯曲试件加载试验，设置加载速率为0.5 mm·min-1。根据材料的应力-应变曲线计算应力到达最大值时曲线下的面积积分，得到不同切口深度下半圆形试件的断裂能。拟合单位厚度断裂能-切口深度曲线得到半柔性路面材料的断裂韧度JIC。试验结果如表3所示。

3.1 空隙率的影响

由表3可知，当试验温度相同时，半柔性路面材料的断裂韧度随混合料空隙率的增大而增大，表明水泥胶砂的增多有利于提高材料的抗裂性能。这是因为，灌浆后母体沥青混合料构成的骨架被水泥胶砂加强，空隙率增大意味着刚性材料的比重更大，水泥胶砂与沥青混合料骨架的结合更加紧密，进而提高了材料整体的黏聚力[20]。其次，空隙率的增大使得半柔性路面材料内部的连通空隙增加，材料的双重空间网络结构更加显著，形成的水泥胶砂与沥青混合料的接触面积增大，增强了两者间的摩阻力。材料的断裂韧度与空隙率的相关关系如图4所示。

表3 半柔性路面材料断裂韧度

图4 半柔性路面材料断裂韧度-空隙率关系曲线

由图4可知，母体沥青混合料的空隙率决定了水泥胶砂的灌入量，而水泥胶砂的用量则影响了半柔性路面材料的开裂性能。当龄期增加时，水泥胶砂灌入量大的半柔性路面材料仍表现出较好的抗裂性能。综上可知：空隙率越大、灌入的水泥胶砂越多，半柔性路面材料的抗裂性能就越好；反之抗裂性能就越差。

3.2 温度的影响

由表3可知，半柔性路面材料的抗裂性能随着温度的增加先增强，当温度超过25 ℃时，材料的抗裂性能下降。以母体沥青混合料空隙率为27%的半柔性路面材料为例，其抗裂性能与试验温度的相关曲线如图5所示。由图5可知，在不同的龄期下，半柔性材料在25 ℃时的断裂韧度最高。这是由于，当温度过低时，沥青胶浆的蠕变性能下降，易发生脆性开裂，在低温状态下降低了半柔性路面材料的抗裂性能。

图5 温度与断裂韧度相关关系(孔隙率27%)

但是，当试验温度为60 ℃时(该温度已超出70#沥青的沥青软化点)，沥青的黏度降低，半柔性路面材料内部的沥青膜软化，在荷载的作用下发生流动，使沥青混合料和水泥胶砂空间网络结构之间的结合变弱，更加容易发生滑移，表现为断裂韧度大幅度的下降。

因此，在设计半柔性路面材料时应充分考虑当地的气候条件，选择能够承受夏季高温的沥青种类。

3.3 养护龄期的影响

图6 养护龄期与断裂韧度的关系(试验温度25 ℃)

试验温度为25 ℃时，材料的养护龄期与断裂韧度的相关关系如图6所示。由图6可知：随着养护龄期的增加，半柔性路面材料的断裂韧度增大；其次，随着母体沥青混合料空隙率的增大，半柔性路面材料断裂韧度的增长速率有所区别，按不同空隙率下的增长率由小到大排序为72.4%、56.6%、74.5%、74.2%。考虑到试件均采用相同的养护条件，该试验结果表明，空隙率、养护龄期与断裂韧度之间存在相互制约的关系，空隙率越大，其断裂韧度增长越快。

这是由水泥胶砂本身的材料性质决定的，当龄期较短时，有许多未发生水化反应的矿物保持其原有晶体形状，水泥胶砂在一些连通空隙的截面突变处断开，无法形成完整的水泥胶砂空间网络结构；而空隙率大的混合料内部连通空隙截面突变数量较少，更有利于形成水泥胶砂网络结构。因此，适当地增加空隙率有利于抗裂性能的提高。

4 结 语

本文采用半圆弯曲试验方法对4种不同的母体孔隙率半柔性路面材料进行多温度条件下的抗裂性能评价，得出了半柔性路面材料的抗裂性能与温度、空隙率和养护龄期之间的相关关系。

(1)母体沥青混合料的空隙率越大，半柔性路面材料的抗裂性能越好，增加母体沥青混合料的空隙率有助于降低半柔性路面开裂的可能性。

(2)沥青高温性能的好坏制约了半柔性路面材料在高温状态下的抗裂性能，在材料设计时应结合当地的气候合理选择沥青胶结料。

(3)分析结果表明，养护龄期、空隙率与断裂韧度3个指标之间相互影响、相互制约。因此，半柔性路面材料的设计仍应考虑气候环境的影响，在确定沥青类型的前提下设计合理的空隙率，采用足够的养护龄期。