半柔性路面材料抗裂性能研究

李 胜

(广东粤路勘察设计有限公司 广州市 510000)

0 引言

半柔性路面是在大空隙路面结构中灌注高性能水泥砂(净)浆而形成的新型路面结构，由于结构中填充了水泥砂(净)浆，半柔性路面结构强度高，抗车辙性能优异。近年来，半柔性路面已广泛应用于中国的交叉路口、公交车站、快速公交(BRT)车道等区域[1]。先基于正交试验获取普通水泥砂浆的配合比，然后从工程应用角度选定硅灰、乳化沥青、水性环氧树脂作为水泥砂浆外掺剂，对水泥砂浆性能进行优化设计，制备三种特殊水泥砂浆，最后以水泥砂浆类型、基体空隙率、基体集料类型、基体沥青类型为影响因素，对半柔性路面抗裂性能进行影响因素分析，为半柔性路面的抗裂性能优化提供可操作性的技术参考。

1 原材料准备

1.1 水泥

试验采用P.O32.5硅酸盐水泥，依规范[2]检测其性能如表1。

表1 P.O 32.5性能指标

1.2 标准砂

本试验成型水泥砂浆采用标准砂，含泥量0.4%，其级配如表2。

表2 标准砂级配

1.3 矿粉

本试验成型基体沥青混合料采用石灰岩矿粉，如表3所示。

表3 矿粉质量技术指标

1.4 沥青

本试验采用的沥青技术性能如表4所示。

表4 沥青技术指标

1.5 集料

本试验采用的集料技术性能如表5所示。

表5 集料性能

2 水泥砂浆配合比优化设计

目前存在很多外掺剂可显著提高水泥砂浆的相关性能。为了进一步提高水泥砂浆和半柔性路面的性能，本研究在水泥砂浆配合比设计基础上，采用了硅灰、乳化沥青和水性环氧树脂三种外掺剂，优化水泥砂浆配合比设计，水泥砂浆优化设计方案与试验结果如表6、表7所示。

表6 水泥砂浆优化设计

表7 水泥砂浆优化试验结果

(1)由表中数据可知，硅灰用量为0～15%，乳化沥青用量为0～8%，水性环氧树脂用量为0～10%，流动度都符合规范要求。硅灰用量与流动度呈现抛物线状，流动度呈先减小后增大的趋势，这表明硅灰用量存在最佳值，即当硅灰用量为5%时，流动度达极小值；而乳化沥青掺量与流动度指标正相关，水性环氧树脂用量与流动度负相关。

(2)由表中数据可知，硅灰、乳化沥青及水性环氧树脂的掺入，都可提高水泥砂浆的抗折强度；硅灰及水性环氧树脂的掺入，提高了水泥砂浆的抗压强度，但是乳化沥青的掺入降低了抗压强度。通过数据计算，表明硅灰也降低了水泥砂浆的压折比，水性环氧树脂却提高了水泥砂浆的压折比。综上所述，硅灰和乳化沥青能改善水泥砂浆的柔性，而水性环氧树脂则提高了水泥砂浆的脆性。

(3)由表中数据可知，硅灰、乳化沥青及水性环氧树脂的掺入，都进一步降低了水泥砂浆的收缩量，掺入量越大，水泥砂浆收缩量的降幅越大，对改善水泥砂浆的收缩性能是有利的。但是从数据上分析可知，水性环氧树脂的掺入对水泥砂浆收缩量的降幅最大，乳化沥青次之，硅灰最小。这说明水性环氧树脂对降低水泥砂浆的收缩性能影响程度最大，可作为改善水泥砂浆收缩性能的外掺剂。

综合考虑流动性、强度、收缩性能影响，最终设计了三种优化型水泥砂浆，水泥砂浆Ⅰ的配合比为：水灰比0.7，标准砂用量16%，矿粉用量8%，乳化沥青4%；水泥砂浆Ⅱ的配合比为：水灰比0.7，标准砂用量16%，矿粉用量8%，硅灰5%；水泥砂浆Ⅲ的配合比为：水灰比0.7，标准砂用量16%，矿粉用量8%，水性环氧树脂6%，用于后续半柔性路面灌浆材料。

3 基体沥青混合料级配设计

本研究采用主骨料空隙填充法(CAVF)[3-4]进行多孔沥青混合料级配的设计。CAVF法主要机理是先确定粗集料主骨架矿料间隙率，使沥青、细集料、矿粉与设计孔隙体积之和等于主骨架的孔隙体积。基体混合料级配如表8所示。

4 抗裂性能试验分析

4.1 低温弯曲试验

本研究采用低温弯曲试验进行半柔性路面材料抗裂性能分析，试验条件为：试验温度-10℃，加载速率5mm/min。根据式(1)至式(3)计算试件破坏时的抗弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲劲度模量，作为抗裂性能评价指标用于后续分析。

(1)

(2)

(3)

式中：RB、εB、SB分别为抗弯拉强度(MPa)、最大弯拉应变、弯曲劲度模量(MPa)；b、h分别为试件跨中断面的宽度(mm)和高度(mm)；PB、d分别为试件破坏的最大荷载(N)和跨中挠度(mm)。

4.2 水泥砂浆外掺剂的影响

采用空隙率24%的级配曲线，基质沥青，凝灰岩集料制备半柔性路面基体混合料，然后将普通水泥砂浆和三种特殊性能的水泥砂浆(硅灰5%，乳化沥青4%，水性环氧树脂6%)灌入基体，成型半柔性路面试件，进行低温弯曲试验。试验结果如图1所示。

(a)抗弯拉强度

(b)弯拉应变

(c)弯曲劲度模量图1 不同水泥砂浆半柔性路面试件低温弯曲试验结果

由图1数据可知：

在基体空隙率24%下，水泥砂浆掺入硅灰、乳化沥青及水性环氧树脂后，对半柔性路面材料的抗弯拉强度具有一定程度的影响，其中外掺剂乳化沥青和硅灰提高了原半柔性路面材料的最大弯拉应变和抗弯拉强度，降低了弯曲劲度模量；而水性环氧树脂则降低了其抗弯拉强度和最大弯拉应变，提升了弯曲劲度模量。这表明乳化沥青和硅灰提高了半柔性路面的抗裂性能，其中乳化沥青与半柔性路面抗裂性能相关性更强，水性环氧树脂反而降低了原半柔性路面的抗裂性能。从工程应用的角度而言，可采用在水泥砂浆中掺入乳化沥青的方式提升半柔性路面材料的抗裂性能。

分析可知，水性环氧树脂为热固性材料，提升了水泥砂浆强度，增强了刚性，加剧了水泥砂浆与基体沥青混合料的体积协调性，致使水泥砂浆与基体沥青混合料的界面更易开裂，协同变形能力更弱，因此水性环氧树脂的掺入增大了半柔性路面材料开裂易感性。而硅灰细度高，表面光滑，具有一定的润滑作用，可提高水泥砂浆的致密性，改善了水泥砂浆的体积稳定性，这对半柔性路面抗裂性能是有利的；乳化沥青能够提高水泥砂浆的柔性，并增强水泥砂浆与半柔性路面基体的体积协同变形能力，进而提高抗裂性能。因此硅灰和乳化沥青的掺入对提高半柔性路面的抗裂性能有着显著作用。

4.3 基体空隙率影响

采用基体级配设计曲线(空隙率24%、28%、32%)，基质沥青，凝灰岩集料制备半柔性路面基体混合料，然后灌注普通水泥砂浆，成型半柔性路面试件，进行低温弯曲试验。试验结果如图2所示。

(a)抗弯拉强度

(b)弯拉应变

(c)弯曲劲度模量图2 不同基体空隙率半柔性路面试件低温弯曲试验结果

由图2的数据可知，半柔性路面基体空隙率不同，低温弯曲试验数据呈现差异性。基体空隙率的增大会导致半柔性路面的弯曲劲度模量增大，最大弯拉应变缓慢减小。数据表明，基体空隙率增大导致半柔性路面的低温抗裂性能逐渐下降，也就是说空隙率24%时的半柔性路面低温抗裂性能最优。究其原因在于，基体空隙率大小决定了水泥砂浆的灌浆量，对半柔性路面结构的刚度模量产生不同程度的影响，水泥砂浆灌浆量越大，半柔性路面结构的整体模型趋于刚性化，导致抗裂性能下降。因此从抗裂角度考虑，半柔性路面的空隙率不宜过大。

4.4 集料类型影响

采用空隙率24%的级配曲线，基质沥青，集料(石灰岩、凝灰岩、花岗岩)制备半柔性路面基体混合料，然后灌注普通水泥砂浆，成型半柔性路面试件，进行低温弯曲试验。试验结果如图3所示。

(a)抗弯拉强度

(b)弯拉应变

集料类型不同直接导致沥青-集料的裹覆效果不同，对半柔性路面基体内部结构产生一定程度的影响。从图3可以看出，基体集料类型对半柔性路面抗裂性能产生差异化的影响。从抗弯拉强度数据和最大弯拉应变上看，花岗岩最大，凝灰岩次之，石灰岩最小；从弯曲劲度模量上讲，石灰岩最大，凝灰岩次之，花岗岩最大。综合上述数据可知，花岗岩集料的半柔性路面低温抗裂性能最佳。

4.5 基体沥青类型影响

采用空隙率24%的级配曲线，三种沥青类型(基质沥青、SBS改性沥青、环氧改性沥青)，凝灰岩集料制备半柔性路面基体混合料，然后灌注普通水泥砂浆，成型半柔性路面试件，进行低温弯曲试验。试验结果如图4所示。

(a)抗弯拉强度

(b)弯拉应变

(c)弯曲劲度模量图4 不同基体沥青类型半柔性路面试件低温弯曲试验结果

从图4数据分析知，不同基体沥青类型对半柔性路面低温抗裂性能产生不同程度的影响。相比于环氧改性沥青和基质沥青，半柔性路面基体沥青采用SBS改性沥青时，抗弯拉强度最大，最大弯拉应变最大，弯曲劲度模量最小。综合考虑上述数据可知，SBS改性沥青的半柔性路面低温抗裂性能最佳，因此半柔性路面基体的弹塑性增强有利于低温性能的提高。

综上所述，水泥砂浆类型、基体空隙率、基体沥青类型、基体集料类型等影响因素对半柔性路面低温抗裂性能都有一定程度的影响。从弯曲劲度模量数据角度分析，基体空隙率对低温抗裂性能的影响程度最大，基体沥青类型和水泥砂浆类型次之，集料类型影响程度最低。由于基体空隙率涉及到半柔性路面结构设计范畴，不宜随意改动，另一方面基体沥青的改善往往会导致造价不断攀升，经济性较差。而水泥砂浆可通过掺入外掺剂进行性能改善，且掺量较低，对造价影响较小。因此提升半柔性路面低温抗裂性能可从水泥砂浆类型入手，通过筛选水泥砂浆外掺剂，优化水泥砂浆性能，以提高半柔性路面低温抗裂性能。

5 结论

(1)采用正交试验方法，设计了用于半柔性路面结构灌注的水泥砂浆配合比(水灰比0.7，矿粉用量8%，砂用量为16%)。并以水泥砂浆的流动性、强度及收缩性能为评价指标，确定了外掺剂的最佳掺配量(硅灰6%，乳化沥青4%，水性环氧树脂6%)。

(2)水泥砂浆类型、基体空隙率、基体沥青类型、基体集料类型对半柔性路面材料的抗裂性能有着不同程度的影响。水泥砂浆外掺剂—硅灰和乳化沥青可提升半柔性路面的抗裂性能，水性环氧树脂反而降低了半柔性路面的抗裂性能。基体空隙率越小，半柔性路面的抗裂性能越强。SBS改性沥青和花岗岩集料对应的半柔性路面低温抗裂性能最优。增强水泥砂浆柔性和增强基体弹塑性有利于半柔性路面低温性能提高。

(3)根据半柔性路面低温抗裂性能影响因素分析，基体空隙率对低温抗裂性能的影响程度最大，基体沥青类型和水泥砂浆类型次之，集料类型影响程度最低。综合性能和经济性考虑，建议通过筛选水泥砂浆外掺剂，进行水泥砂浆优化设计，以改善半柔性路面抗裂性能。根据所采用的水泥砂浆外掺剂，推荐采用乳化沥青为水泥砂浆外掺剂。