I-Pave灌入式高性能复合抗车辙路面研究及应用

张东亮

(江苏省高速公路经营管理中心，南京 210009)

沥青混凝土路面被广泛应用于我国道路工程中，相较于水泥混凝土路面，沥青路面具有施工周期短、表面平整、行车舒适性好、噪音小及维修养护方便等优点，但在夏季高温及重载交通条件下，沥青路面容易出现塑性变形，产生车辙病害。研究表明半柔性路面较好地结合了沥青混凝土路面和水泥混凝土路面的优点，具有良好的抗车辙性能[1]。目前较为常见的半柔性路面包括灌入式半柔性路面、水泥沥青混凝土路面和水泥乳化沥青混凝土路面等[2]，其中灌入式半柔性路面应用较多[3-8]，徐业庄、蔡旭、谢若奇等[9-11]利用有限元法对灌入式半柔性路面力学性能进行了数值模拟，结果表明该结构具有良好的抗剪切变形能力。古红兵[12]采用四点弯曲疲劳试验得到了不同温度下的荷载疲劳方程。目前对灌入式半柔性路面的研究主要集中于灌入率、沥青种类、孔隙率对其路用性能的影响[13-16]。

本文优选的一种树脂灌浆料可在无需振捣的条件下实现自流平灌注，灌满度可达95%以上，且强度增长快，3 h抗压强度高达10 MPa，可实现施工结束3 h后开放交通。为此，采用新型特种高性能树脂灌浆料作为灌注胶浆，开展I-Pave(Irrigation Pavement)灌入式高性能复合抗车辙混合料设计与性能评价研究，并结合实际工程进行应用论证，以综合提升沥青路面路用性能。

1 原材料

所用玄武岩集料产地为安徽来安，矿粉产地为江苏淮安，SBS改性沥青产地为江苏南京。

1.1 沥青

采用SBS改性石油沥青，其技术指标检测结果见表1。

1.2 集料

采用集料均为玄武岩石料，粗集料粒径为9.5 mm～13.2 mm、4.75 mm～9.5 mm，细集料粒径为0～4.75 mm，填料采用石灰岩碱性集料磨细得到的矿粉，相应技术指标按照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[17]进行控制，检测结果见表2。

表1 SBS改性石油沥青技术指标检测结果

表2 集料密度指标检测结果

1.3 特种灌浆料

基于水泥基材料制备特种树脂灌浆料，主要是加入水、特种树脂材料配制而成，并由专用设备搅拌制备得到。该种灌浆料体积收缩率较低，甚至有所膨胀，能够较好地填补成型后抗车辙混合料的间隙，具体技术指标检测结果见表3。

2 配合比设计

I-Pave灌入式高性能复合抗车辙混合料主要是通过在大孔隙基体沥青混合料中灌注特种复合材料

表3 灌浆料技术指标检测结果

制备得到，从而形成具有超高强抗车辙性能的复合混合料，其中，大孔隙基体沥青混合料属于骨架-空隙结构。

2.1 矿料级配要求

参考《半柔性路面应用技术指南》[18],采用大孔隙基体沥青混合料SFP-13级配，矿料通过率要求见表4。

2.2 级配确定

根据前述级配范围要求，选择3种试验级配A、B、C，其组成见表5，级配曲线如图1所示。

根据工程经验，初步采用油石比为3.0%，通过双面各击实50次来制作试件，测定空隙率及马歇尔稳定度，以确定级配，测试结果见表6。

表4 矿料级配要求

表5 3种级配的设计组成结果

图1 级配曲线

综合分析表6可知，级配A和级配B体积指标满足要求，结合试验结果及以往工程经验，级配B的各项试验结果更符合实际工程需求，故选取级配B作为设计级配。

表6 马歇尔测试结果

2.3 最佳油石比确定

根据确定的级配B称取矿料，选择2.7%、3.0%、3.3%这3种油石比，双面各击实50次成型马歇尔试件，然后将成型的试件进行马歇尔稳定度试验，以确定最佳油石比，试验结果见表7。

表7 马歇尔试验结果

根据I-Pave高性能灌入式抗车辙路面设计要求，在3种油石比下，SFP-13大孔隙沥青混合料指标均满足设计要求。考虑油石比为2.7%时，试验结果空隙率偏技术要求上限，不利于施工控制，而油石比为3.3%时，经济性不足。综合试验结果及以往工程经验，选择3.0%为设计最佳油石比。

2.4 性能验证

根据前述所确定的矿料级配及最佳油石比后，进一步通过肯塔堡飞散试验、谢伦堡沥青析漏试验和动稳定度试验，对SFP-13大孔隙沥青混合料的性能进行验证，试验结果见表8。

表8 析漏、飞散及动稳定度试验结果

表8试验结果表明，按照设计配合比所设计的材料性能完全符合要求，表明矿料级配选用级配B、油石比选用3.0%是合理的。

3 路用性能评价

基于前述配合比设计，得到I-Pave灌入式高性能复合抗车辙混合料，为对其路用性能进行评价，分别测定剩余空隙率、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等性能，其中对低温抗裂性、水稳定性，须主要测定，而对高温稳定性，考虑基于现有车辙试验无法进行3 h和28 d的高温性能试验，因此主要测定龄期为3 d和7 d混合料试件的路用性能。

3.1 剩余空隙率测定

剩余空隙率是采用JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[19]中压实沥青混合料密度试验水中重法(T 0706-2011)进行测定。

剩余空隙率的计算公式如下：

(1)

式中：VVremain为残留空隙率，%；VVmatrix为大孔隙沥青混合料空隙率，%；mc为灌浆材料灌入质量，g；ρc为灌浆材料密度，g/cm3；V为马歇尔试件体积，cm3。

经测定，I-Pave灌入式高性能复合抗车辙混合料的剩余空隙率为2.61%，满足≤4%的设计要求。

3.2 高温稳定性试验

采用车辙试验对I-Pave灌入式高性能复合抗车辙混合料的高温稳定性能进行评价，试验结果见表9。

表9 车辙试验动稳定度

表9试验结果表明，I-Pave灌入式高性能复合抗车辙混合料动稳定度为普通SMA沥青混合料(约4 681次/mm[11])5倍以上，抗车辙能力显著提高。随龄期增加，高温稳定性增加趋势明显。

3.3 低温抗裂性试验

采用低温弯曲蠕变试验对I-Pave灌入式高性能复合抗车辙混合料的低温抗裂性能进行评价，试验结果见表10。

表10试验结果表明，随龄期增长，混合料抗弯拉强度、破坏应变、劲度模量均在逐渐增大，说明I-Pave灌入式高性能复合抗车辙混合料具有良好的低温抗裂性能。

表10 低温弯曲蠕变试验结果

3.4 水稳定性试验

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验检验I-Pave灌入式高性能复合抗车辙混合料的抗水损害性能，试验结果见表11。

表11试验结果表明，浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验中的各技术指标，随着龄期的增长，其值均在不断增加，证明I-Pave灌入式高性能复合抗车辙混合料具有良好的水稳定性。

表11 浸水马歇尔与冻融劈裂试验结果

4 工程实际应用

为了进一步验证I-Pave灌入式高性能复合抗车辙混合料的技术可行性，本文在借鉴以往类似项目经验的基础上，按照选定的配合比，在宁连一级公路淮安绕城段选取部分车辙较为严重的平交道口进行工程应用试验，验证I-Pave灌入式高性能复合抗车辙路面的实际应用效果，并通过后期跟踪观测对I-Pave抗车辙沥青材料进行综合评价和优化。

宁连一级公路淮安绕城段于1996年建成通车，原路面沥青面层为4 cm AC-16+5 cm AC-30+6 cm AM-30，经过历年养护维修，形成了十分复杂的路面结构，如4 cm改性沥青SMA-13+8 cm改性沥青Sup-20+原路面、4 cm改性沥青SMA-13+6 cm改性沥青Sup-20+4 cm改性沥青SMA-13+原路面等结构。随着交通流量增加，为了保障车辆顺畅通行，宁连一级公路淮安绕城段新增设多处平交道口并设置交通信号灯。在夏季高温条件和重车荷载作用下，平交道口沥青路面产生了较为严重的车辙变形，车辙深度RD最大值为16.5 mm。针对该问题，对宁连一级公路淮安绕城段平交道口车辙严重路段进行路面维修及工程改造。主要措施为：1) 对原路面铣刨10 cm；2) 处治下面层坑槽等病害；3) 喷洒高粘改性乳化沥青粘层；4) 回铺10 cm I-Pave灌入式复合抗车辙材料。该项目于2019年4月18日进场施工，2019年7月15日完工。

4.1 修补施工工艺

I-Pave灌入式高性能复合抗车辙路面施工主要包括3方面，即SFP-13大孔隙沥青混合料铺筑、特种灌浆料制备和灌注、灌注后半柔性路面的表面处理及养护，其工艺如下：

1) 摊铺和碾压：SFP-13大孔隙沥青混合料压实成型要严格控制骨架空隙率，选择合适的压实机械和碾压次数，一般以低吨位双钢轮压路机为宜，碾压次数可比一般沥青混凝土少一遍。摊铺机摊铺后，使用12 t钢轮压力机采用静压法碾压1～2遍，不得超过3遍，要求压实度控制在95%～100%，保证施工后平整度。

2) 制备和灌注：通过水泥砂浆拌和摊铺专用设备制备特种灌浆料，拌和完毕后尽快灌注，以免因随时间延长，流动度降低，影响灌注效果。SFP-13大孔隙沥青混合料冷却至40 ℃以下进行灌注，当路面有纵坡时从低处向高处洒铺浆料，以防止灌浆料顺坡快速下流，造成向路面的下层面渗透效果不佳。

3) 表面处理及养护：浆料灌注完毕后,清除干净表面的残余浆料，露出基体沥青混合料凹凸不平的表面。养生时间因施工温度高低而不同，通常灌浆施工3 h左右即可开放交通。养生期间禁止人员车辆通行，并注意防止雨水冲刷。

4.2 性能检测及跟踪观测

路面质检主要包括大孔隙基体沥青混合料检验、水泥基特种灌浆料检验和抗车辙路面检验3部分。其中基体沥青混合料检验按照标准检验方法进行检验[19]，水泥基特种灌浆料检验的主要指标为流动度、抗压强度和干缩率等，抗车辙路面检测主要为马歇尔试验、动稳定度、渗水系数、摩擦系数和构造深度等。根据现场取样检测结果，灌注深度均达到10 cm，空隙率为2.68%，动稳定度为38 698次/mm，渗水系数均为0 mL/min，摩擦系数BPN摆值均大于65，构造深度均大于0.99 mm，以上指标值均符合规范、设计要求。该改造路面的抗滑和抗车辙性能良好。

路面改造工程通车1年后对该工程实施路段进行了跟踪观测，未出现松散类病害及明显裂缝，车辙不到1 mm，路况性能良好，说明I-pave灌入式高性能复合抗车辙混合路面具有良好的抗车辙性能。

5 结论

本文采用新型特种高性能树脂灌浆料灌注大孔隙沥青混合料制备了一种半柔性沥青混合料，并对其相关性能进行了检验，通过室内试验和现场检测，得到以下结论：

1) I-Pave灌入式高性能复合抗车辙混合料，施工养护龄期3 d后，其动稳定度可达26 658次/mm、低温破坏应变为2 987.5 με、残留稳定度为90.29%、TSR为83.5%，表明该混合料具有优异的高温性能，良好的低温性能和水稳定性。

2) 通过对比不同龄期下复合抗车辙混合料的路用性能，发现随着养护龄期延长其性能逐渐提升。

3) 高性能树脂灌浆料能够显著提升路面抗车辙性能，通过1年跟踪观测，该路面材料路用性能良好，为解决重载交通路段、平交道口等特殊路段车辙问题提供了一种解决方案。