灌入式水泥沥青混合料道路修复材料研究

李庚英，CONTEH SANTIGIE MORLOR，何华庭，张 敏，王海洋

（华南农业大学水利与土木工程学院 广州 510642）

改革开放之后，国家的重心转向经济发展，建设了大量基础设施，城市道路得到了较快发展。近10年，城市道路在投入使用后均陆续表现出了不同的问题，例如开裂、断板、沉陷、错台、脱空等路面病害，各种道路病害问题不仅影响道路的使用寿命及行车安全，也大大降低了道路的服务水平［1-2］。传统的道路修补技术耗时长、工期长，严重影响正常交通通行，造成大面积交通阻塞，影响出行，进一步造成不可估量的直接以及间接的经济损失，不利于社会和谐稳定。因此，为高效解决路面损坏，研究新型修补材料具有极其重要的意义。

灌入式水泥-沥青混合料（PCA）的概念很早已被提出，早在1954 年，法国就研制成功了“灌水泥浆开级配沥青混凝土路面施工法”。国内对水泥-沥青复合材料的研究起步较晚，在20世纪90年代，我国对半柔性路面开展研究，初步论证了该项技术的可行性［3］。

本文拟采用灌入式水泥沥青混合料（PCA）技术作为一种新型的复合材料，利用嵌挤原则，通过由基体沥青混合料和水泥浆2 个部分相互作用形成，是改造后长寿命路面的主体结构形式，结合了混凝土和沥青2 种路面的优点［4-7］。由于复合路面处于刚性路面和柔性路面结构之间，具有良好的韧性与刚度，采用这一技术较之在水泥路面上的应用预计能够取得更好的效果［8-11］。

根据复合路面大修的客观情况，本文针对灌入式水泥沥青混合料技术进行了以下几个方面的研究及开发：原材料制备、母体骨架的最佳级配确定、最佳沥青用量确定、复合料性能测试。

1 原材料制备

灌注式水泥沥青混合料的母体骨架由不同粒径的集料和沥青组成，原材料质量的好坏，直接影响到母体骨架的设计与性能，并最终影响到复合材料整体的性能指标，因此，有必要对原材料质量进行检测，在检测指标符合技术规范的情况下，做出最佳选择。

1.1 集料

集料的粒径规格和质量要求均应符合《公路沥青路面施工技术规范：JTG F40—2004》的规定。本次试验粗集料为灰长岩，细集料采用石灰岩碎屑细磨矿粉，充分发挥集料的嵌挤作用，再通过填充水泥基材料来增强灌入式复合路面的抗变形性能［12］。

对于灌注式水泥沥青混合料的母体骨架，粗集料主要形成骨架整体结构，同时提供水泥乳浆灌注的空隙，因此，在材料选择时，其级配应在粒径范围内适当偏粗，但不可过粗，以避免形成单一大粒径的碎石，破坏整体级配，降低路用性能；同时，也不可偏细，否则将使水泥乳浆的灌注量受到直接影响，使复合材料的最终空隙率偏大，造成性能下降。选择呈弱碱性的石料，有利于提高与沥青的黏附性。

1.2 沥青

本研究用的沥青为韩国SK-90#基质沥青，一方面是考虑在达到良好路用性能的前提下尽量降低成本，同时更是为了使灌注式水泥沥青复合材料具有更大的适用范围。

母体骨架是复合材料的结构基础，提供了供水泥乳浆灌注的前提条件，水泥乳浆作为注剂，灌注到母体骨架预留的空隙中，填充大部分的空隙，水化后形成的水泥石在原本连通的空隙中形成空间的网格状结构，起到加筋交联混合料的作用。

2 级配设计

2.1 沥青混合料——级配初步设计

配合比是混合料的重要影响因素，使用配合比适合的母体骨架混合料，使得骨架中空隙贯通，保证水泥乳浆能顺利灌入，高温性能优异，有效降低路面高温造成的车辙病害［13］。本文采用公称最大粒径16 mm的混合料，设计空隙率范围15%～35%。空隙率测定的试件采用成型马歇尔试件，击实成型方法按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTG E20—2011》［14］中OGFC 类试件成型方法，双面击实50 次。结果显示，对于未经改性的水泥浆体，25%～35%的效果要明显优于15%～25%。灌浆用水泥乳浆水灰比为0.7，未进行改性处理。

灌后孔隙率的计算按照试验所选不同配比分别调整了粗、细及粉料的用量，并以体积法测定了其灌前总体积，经过测定水泥密度和试件灌后质量增加量，测算灌注水泥浆体的体积，灌前空隙减去灌后水泥浆体体积，得出最终复合材料剩余的空隙率，详细试验结果如图1所示。

图1 灌前与灌后的空隙率对照Fig.1 Comparison Chart of Porosity before and after Irrigation

研究表明，3～5 mm 的细料对于沥青混合料的空隙率有着较大的影响，其主要作用在于封闭空隙，但对于高、低温等路用性能无实际的意义。因此，为了保证灌注效果，在设计时将该档料去掉，以减少对水泥乳浆的灌注干扰。

经过上述22 组不同配方成型不同空隙率的试件可以看出，级配设计是决定灌入效果的重要因素。为了保证较大的空隙和灌注效果，粗料所占比例较传统的AC类混合料大幅度提高，达到45%以上，最大达到95%，细、粉料的用量有所降低。

同时实验表明，空隙率的大小与灌注效果之间并没有稳定的因果关系。也就是说，相对较大的空隙率并不是顺利灌注灌好的充分必要条件，如配方8 和配方11，灌前空隙达到29%和31%，但灌后空隙仍有20%和23%。灌注效果是指母体骨架空隙率保持在一个适当的范围，灌注的水泥乳浆能够很好地灌注到母体骨架预留的空隙中去，同时能够保证灌后的剩余空隙率控制在较低的范围内，一般认为4%～6%较为合适，避免出现灌浆困难。

在水泥浆体流动性一定的前提下，0～3 mm 的用量及级配对于灌注效果具有相当大的影响。由图2所示，不同掺量的粉、细料其灌前空隙率基本稳定，但灌后的剩余空隙却有较大的差别，其主要原因是加入不同粒径的粉、细料后会改变混合料中孔径的尺寸，进而影响灌注效果。

图2 不同掺量粉料（细料）灌前后空隙率对照Fig.2 Comparison of Porosity before and after Irrigation With Different Amount of Powder（Fine Material）

对上述22组配比，为了初步掌握其最终的复合材料性能，挑选其中具有代表性的若干组进行了肯塔堡飞散、高温性能和低温性能测试。从试验结果分析，25%～35%空隙率配比的高温性能较传统的AC 类有非常大的提高，提高幅度达到10～30倍，而低温性能并没有提高，反而不能达到文献［14］中对于AC类混合料弯拉应变不小于2 000 εB 的要求。由于粉、细集料用量的减少，粗集料用量的明显增多，又导致沥青用量减少，在2.0%～2.5%范围，因此使低温性能大大降低。

2.2 级配优化设计

级配初步设计的目的是保证水泥浆能够顺利灌注，级配优化设计是在保证灌注效果的前提下对其使用性能进行提高，以保证母体骨架的低温性能和增加柔性。根据初步设计结果，本研究对母体骨架级配进行了相应调整，优化之后配方如表1所示。

表1 优化后级配Tab.1 Optimized Gradation （%）

根据图3、图4 曲线数据可知，由于对水泥乳浆性能进行了改善，即使提高了粉、细料及沥青用量，灌注效果仍然十分理想。虽然灌前空隙率不同，从21%到28%不等，但最终剩余空隙基本稳定在4%～6%之间，说明灌注效果良好，空隙率试件符合指标要求。

图3 级配曲线Fig.3 Gradation Curve

图4 配合比的空隙Fig.4 The Porosity of the Mix Ratio

2.3 确定备选级配

对比6 组试件的肯塔堡飞散结果，如表2 所示。考虑到路用性能和力学指标，最终选定配方1和配方3作为最终备选的2 组级配进行后续试验研究。2 种备选配方级配曲线如图5所示。

表2 肯塔堡飞散试验结果Tab.2 Results of Fort Kentucky Dispersion Test

图5 备选级配曲线Fig.5 Alternative Grading Curve

2.4 最佳沥青用量确定

本文采用以飞散和析漏试验确定最小、最大沥青用量，既要防止沥青用量过多，出现离析、流淌现象；也要防止用量不足，骨架间粘结性降低，导致沥青混合料的强度降低，使得路面出现松散开裂现象［15］。同时，以马歇尔指标进行验证的方法进行，以保证在没有条件进行飞散试验的情况下能够进行施工。

参考文献［14］中OGFC混合料对于飞散结果的要求指标不大于20%，OGFC 类沥青混合料的析漏损失不得大于0.3%。最佳沥青用量的确定方法是综合肯塔堡飞散试验和谢伦堡析漏试验的试验结果，将配方1和配方3的2个试验结果进行汇总，结果如图6所示。

图6 最佳油石比Fig.6 Best Whetstone Ratio

综上所述，配方1 中飞散试验和析漏试验结果的曲线交于油石比为3.7%，配方3中交于点3.1%。按照OGFC类飞散、析漏试验确定最佳油石比的方法，最佳油石比初步定为3.7%和3.1%。

3 材料性能测试

灌注式水泥沥青混合料能够弥补水泥混凝土路面和沥青路面在温度稳定性方面的不足，而沥青膜厚度适当增大有利于保证灌注式水泥沥青混合料路面结构的温度稳定性，提高路面结构性能［16］。同时，结构强度增大，具有很好的抗裂特性［17］。

在性能测试方面，对于沥青混合料传统的路用性能检测主要包括四部分内容：高温稳定性、低温抗裂性能、水稳定性和疲劳性能。同时，由于灌注式水泥沥青混合料属于半刚半柔结构的材料，因此，对其抗压回弹模量值也进行了测定。

本文以AC-16 普通沥青混凝土的路用性能作为参照与灌注式水泥沥青混合料的各项路用性能进行对比。

根据试验结果，对2组配方进行进一步的筛选，以选择综合性能更好的一个配方，性能指标结果汇总如表3所示。

表3 各个配方性能指标Tab.3 Performance Indicators of Each Formulation

对以上试验数据横向比较，综合考虑各路用性能和模量的大小，认为配方3 的综合性能优于配方1，并且优于普通AC 类沥青混合料，特别是高温性能、水稳定性和疲劳性能。

4 结论

通过和普通AC 类混合料的强度机理对比，分析指出灌注式水泥—沥青混合料的母体骨架具有较高的骨架嵌挤力，而由于灌注了水泥乳浆则具有较高的粘聚力，因此，复合材料整体具有较高的抗压、抗剪强度以及很好的抗变形能力，属于骨架密实结构，具备有良好性能的结构基础。

通过试验，分别研究了灌注式水泥沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性、疲劳性能和抗压回弹模量。试验结果表面，在不降低复合材料低温性能的基础上，其高温、水稳定性能、疲劳寿命均有明显提高，同时，由于添加了柔性材料，其抗压回弹模量并没有显著提高，而使材料整体性能偏向于刚性材料，因此具有良好的性能，能够满足铺筑高速公路所需材料的性能要求。