摘 要：

为探究养护条件对半柔性路面材料抗裂性能的影响规律, 首先, 基于抗压和抗折试验, 表征了 2 种不同强度灌浆料在 3 种不同养护条件下的强度特性。其次, 基于弯拉荷载模式的半圆弯拉试验 ( SCB) 和间接拉伸试验 ( IDT) , 研究了灌注后的 2 种半柔性路面材料在 3 种不同养护条件下的宏观抗裂力学性能。最后, 采用扫描电镜 ( SEM) 分析了不同养护条件和不同养护龄期水泥基灌浆料的微观结构, 揭示了养护温度与养护湿度对水泥基灌浆材料的水化产物和分布的影响, 并结合宏观力学性能探明了养护条件对抗裂性的作用机理沥青网sinoasphalt.com。结果表明: 养护条件对浆料强度、 断裂特性和微观结构均有明显影响, 浆料 3 d 抗压强度与 SCB 测试的峰值荷载具有较好的线性相关性; 在 25 ℃ 时, 室温养护条件 SFP 试件的抗裂性能最佳。在- 10 ℃ 时, 普通型浆料的 SFP 试件在高温养护时性能最佳, 早强型浆料的 SFP 试件则在室温养护条件时性能最佳; 浆料微观结构致密程度与其抗压抗折强度有较好的对应性, 浆料微观结构致密时 SFP 试件在 25 ℃ 具有较好的抗裂性能, 而浆料具有微孔结构, 与沥青形成良好的界面连接, 其 SFP 试件在-10 ℃ 时具有较好的抗裂性能。研究结果对半柔性路面材料的铺筑与应用具有指导意义。

关键词：道路工程; 半柔性路面; 试验研究; 养护条件; 抗裂性能; 微观结构

０ 引言

半柔性路面 ( Semi-flexible Pavement, SFP) 材料是在多孔隙的沥青混合料中灌入水泥基灌浆料而形成的复合路面, 同时具有沥青的柔性与水泥的刚性[1]。与普通路面不同, 半柔性路面具有水泥-沥青双骨架网络结构[2], 填充在沥青混合料骨架间的水泥基灌浆料凝结硬化形成强度后, 水泥基材料与沥青基骨架共同组成一种密实的路面材料[3]。其稳定性优于普通沥青路面, 具有抗车辙、 耐油污、 抗水损等特点[4-5], 综合路用性能较好, 被广泛应用于交叉道口、 机场跑道、 大型车辆停车场等特殊区域[6]。

在路面铺筑过程中, 随着温度、 气候、 开放交通时间的不同, 半柔性路面材料中水泥基灌浆料的实际养护条件也不尽相同。传统的水泥混凝土养护过程条件对其内部物理化学反应有重要影响, 能较显著地改变其性能[7]。养护制度, 包括标养、 蒸养等, 影响水泥材料水化结构与性能。如蒸养会使水泥材料形成微结构损伤, 从而导致断裂能低、 脆性大等问题[8]。研究者根据养护条件, 通过加入聚合物胶乳[9]、 吸水树脂[10] 等材料调控水泥水化进程,从而改善其力学性能与收缩特性[11-13]。

现阶段对于半柔性路面材料的研究主要集中在材料设计与优化[14-15]、 路用力学性能[16-18] 等。水泥基灌浆料在早期强度形成阶段, 养护条件对其性能的影响鲜有研究。在实际工程中, 半柔性路面材料的养护环境因季节或施工工艺不同而有差别。例如夏季路面摊铺后的剩余温度较高, 浆料将在此高温环境下养生而形成强度, 通常情况下灌浆料灌注于常温沥青混合料空隙中, 则其养生环境为常温自然环境。因此, 本研究根据实际工程, 采用 3 种养护条件 (标准养护、 室温养护和高温养护), 进行半圆弯拉 (SCB) 试验和间接拉伸 (IDT) 试验研究半柔性路面材料的力学特性, 结合扫描电镜 ( SEM) 考察不同养护条件下水泥的微观结构, 分析养护条件对半柔性材料的性能影响。

1 试验原材料与制备方法

1. 1 原材料

本研究选用玄武岩集料、 石灰石矿粉和 SBS 沥青。测试技术指标根据 《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005) 和 《沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E40—2011) 中相应测试方法进行试验, 试验结果满 足 《 公 路 沥 青 路 面 施 工 技 术 规 范》 ( JTGF40—2004) 的要求。

本研究采用的 2 种灌浆料为实验室自制材料,分别为早强型 (E) 与普通型 (C)。通过将水泥与外加剂等按一定比例混合制得, 其中早强型灌浆料强度发展前期增长较快, 普通型灌浆料的强度发展较平稳。

改性剂为沥青混合料改性剂, 主要用于改善沥青-水泥材料界面的黏结性, 采用界面改性剂MA100。MA100 为淡黄色球形颗粒, 颗粒直径为2 ~ 3 mm, 掺加方法为直接投入到沥青混合料拌锅中。

1. 2 沥青混合料制备方法

多孔隙沥青混合料最大公称粒径为 13 mm, 油石比为 3. 6%, 级 配 如 表 1 所 示。集 料 加 热 温 度 为175 ℃, 沥青加热温度为 160 ℃, 混合料拌和温度为175 ℃, 改性剂 MA100 直接投入到拌锅中, 掺量占沥青混合料质量的 0. 3%。多孔隙沥青混合料的性能指标如表 2 所示。

1. 3 半柔性路面材料制备方法

按一定的水灰比 (普通型水灰比为 0. 26, 早强型水灰比为 0. 38) 将浆料干粉与水通过高速搅拌混合均匀, 制备具有较好流动性的灌浆料。将灌浆料灌注到多孔隙沥青混合料基体中, 并置于 3 种不同的养护条件环境: (1) 标准养护为温度 20 ℃ , 湿度90%的标养室; (2) 高温养护为温度 80 ℃ , 湿度为15%的烘箱; (3) 室温养护为温度 25 ℃ , 湿度为60%的室内自然环境。养护时间为 3 d 和 7 d。

按不同浆料与养护条件样品标记为普通型-标准养护 ( Common-Standard, CS ), 普 通 型-室 温 养 护(Common-Ambient Temperature, CA), 普通型-高温养护 ( Common-High Temperature, CH); 早强型-标准养护 (Early Strength-Standard, ES), 早强型-室温养护 (Early Strength-Ambient Temperature, EA), 早强型-高温养护 (Early Strength-High Temperature, EH)。

1. 4 试验方法

(1) 浆料强度试验。将浆料成型 40 mm×40 mm×160 mm 3 连模试件, 带模置于 3 种养护环境中, 养护至相应龄期, 在水泥胶砂试验机上测定其抗压、抗折强度。

(2) SCB 试 验。旋 转 压 实 成 型 尺 寸 为 直 径100 mm, 高度 120 mm 的试件。将直径 100 mm 的试件切割, 得到厚度为 50 mm 的半圆形试件。将半圆试件预切缝, 缝宽为 0. 5 mm, 深度为 15 mm。SCB测试两支点间距为 0. 8 mm。测试温度为 25 ℃ 时加载速率为 50 mm / min, 测试温度为-10 ℃时加载速率为 10 mm / min。各项指标计算式为:

式中, G 为断裂能; W 为断裂功; A 为断裂面截面面积; FI 为柔性指数; m 为力-位移曲线中力达到峰值后曲线的反弯点斜率; CRI 为断裂指数; Pmax 为峰值荷载。断裂能 G 表征断裂时所需的能量, G 值越大,材料抗弯拉性能越好。FI 表征材料柔韧性, FI 值越大, 表明材料柔韧性越好, 抗裂能力越强。| m | 值越小, 峰值后曲线越平缓, 材料失效速率越慢。CRI则综合了断裂能与荷载值, 其值越大, 材料性能越好。

(3) IDT 试验。试件为马歇尔试件, 试验方法与指标计算按 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTGE20—2011) 进行。测试温度为 25 ℃ 时,加载速率为 50 mm / min。测试温度在-10 ℃时加载速率为 10 mm / min。

(4) 扫描电镜 ( SEM) 分析。采用环氧浸渍终止水泥基材料水化, 烘干后用于 SEM 分析。试件破碎后选择大小合适且具有平整断裂面的试块进行喷金处理, 采用 SEM 观察不同养生条件样品的微观形貌。

 2 结果与讨论 

2. 1 浆料强度试验

测试不同养护环境中的浆料抗压、 抗折强度,养护龄期为 7 d。试验结果见图 1。

由图 1 可知, 不同养护条件对浆料强度有显著影响。随着养护温度的升高, 普通型灌浆料 3 d 抗压强度在室温养护时最高, 抗折强度与抗压强度规律一致。7 d 抗压强度随养护温度增加而降低, 高温养护抗压强度为标养强度的 90%, 室温养护浆料抗压强度居中。普通型灌浆料的抗折强度在室温养护条件下最低, 仅为标养抗折强度的 54. 6%。早强型灌浆料随养护条件不同而导致的强度在 3 d 时有明显差别, 随养护温度升高而增加, 而 7 d 强度随养护条件变化相对较小。3 d 抗压强度在高温养护时最大, 而抗折强度则在室温养护时最大。这是因为早强型灌浆料水化较快, 其 3 h 强度可达 10. 8 MPa, 即高温环境促进了其水化进程, 因此 3 d 高温抗压强度较大。但抗折强度在高温时较小, 可能是因为高温的剧烈水化加之高温对试件内水分的影响导致试件内部结构疏松。7 d 时由于水泥基材料的本征强度, 导致 3 种养护条件抗压、 抗折强度基本一致。

2. 2 SCB 试验

对不同养护条件的半柔性路面材料进行 SCB 试验, 计算分析断裂能 G、 柔性指数 FI 与断裂系数CRI 值等关键性能指标。

由图 2 可知, 早强型 SFP 材料的断裂能小于同条件养生和龄期的普通型 SFP 材料, 说明浆料强度对 SFP 材料断裂能有较明显的影响。从养护龄期上看, 养护 3 d 的断裂能大于养护 7 d 的断裂能, 这可能是因为养护 3 d 时, 水泥水化尚未完全, 水泥基材料内部结构较松散, 脆性断裂比例较小, 断裂时程较长。养护 7 d 时水泥基材料已经刚性化, 脆性断裂比例较大, 断裂时程较短。从养护条件上看, 普通型 SFP 材料与早强型 SFP 材料在 25 ℃的断裂能变化趋势一致, 即随养护温度的增加先增大后减小, 在室温养护环境中断裂能最大。其原因可能在于水泥基浆料灌注到多孔隙沥青混合料中后, 浆料与沥青膜直接接触, 此时沥青膜相当于养护薄膜覆盖在浆料表面, 保证试件内部的水分不散失。3 种养护条件其条件湿度对材料的断裂能基本无明显影响, 仅环境的温度对水化过程有影响。室温温度高于标养温度且相比于高温能保持表面水含量, 因此, 室温时水泥基材料内部缺陷最少。另外, 高温沥青膜因老化而黏结性能降低, 标养由于湿度较大, 水分进入沥青膜内部导致的黏结, 使得在室温时沥青胶体的性能最佳。综合而言, 室温断裂能最大。

在-10 ℃ 测试温度时, 普通型和早强型浆料的SFP 试件断裂能值规律不同。普通型浆料的 SFP 试件随养护温度的增加呈现先减小后增加的趋势。这可能是因为标养和高温均有利于水泥沥青材料界面的黏结, 因此低温断裂能较大。而早强型浆料的SFP 试件在 3 d 时高温养护的断裂能是室温养护的1. 31 倍, 可能是因为在水化初期高温养护水泥基材料内部相对较松散, 浆料柔性较强, 刚性尚小, 加之高温养护过程中软化的沥青与浆料在界面能较好地结合, 形成更牢固的界面黏结。而在 7 d 时, 水泥基材料内部刚性增加, 水化产物致密, SFP 试件的室温断裂能又恢复成最大。

由图 3 可知, 养护条件对 SFP 材料的 FI 值有明显影响。从龄期上看, 3 d 材料的 FI 值大于 7 d 的FI 值, 可能是因为水泥基材料早期水化内部结构尚较疏松, 刚度较小。从养护条件上看, 早强型浆料SFP 试件的 FI 值与图 2 中的断裂能规律一致, 均为室温养护条件时值最大。主要是因为早强型材料水化进程快, 在相应龄期时已进入相对稳定状态。而普通型浆料 SFP 试件的 FI 值变化在 3 d 龄期与 7 d龄期规律相反。普通型浆料在 3 d 时水化不完全, 浆料的 3 d 抗压强度 (图 1) 越小, 其 FI 值越大。说明普通型浆料的 SFP 材料的早期断裂行为与浆料水化程度有较明显的相关性。

由图 4 可知, 早强型浆料的 SFP 试件的 CRI 值在室温养护条件时最大, 测试温度为 25 ℃ 时差异更加明显。普通型浆料 SFP 试件的 CRI 值因测试温度不同而呈现不同的规律。当测试温度为 25 ℃ 时, 室温养 护 时 SFP 试 件 的 CRI 值 最 大; 测 试 温 度 为-10 ℃ 时, 高温养护条件的 CRI 值最大, 室温养护时其值最小。这一规律与图 2 断裂能曲线相似, 且CRI 值综合考虑了断裂能与荷载值的影响。

不同的养护条件下, 浆料的抗压强度不同。由图 5 (a) 可知, 不同养护条件下浆料 3 d 的抗压强度与 SCB 测试中的最大荷载值 Pmax 有较好的线性相关性。随着强度的增加, Pmax 增大。普通型浆料的强度-Pmax 拟合曲线斜率基本一致, 说明抗压强度(养护条件) 对 SFP 材料 Pmax 值的影响与测试温度无关。但对于早强型浆料, 其 SFP 试件的 Pmax 值在-10 ℃测试温度时, 抗压强度 (养护条件) 对 Pmax有较明显的影响, 二者拟合曲线斜率较大。而在25 ℃ 测试温度时, 其拟合曲线斜率与普通型浆料的相当。说明早强型浆料的 SFP 试件低温抗裂荷载对养护条件较敏感。

由图 5 可知, 7 d 抗压强度 (养护条件) 与最大荷载 Pmax 没有明显的相关性。由于 7 d 龄期时浆料强度已发展进入稳定状态, 不同养护条件浆料抗压强度相差不大。此时, 不同养护条件对沥青基体、界面黏结性等其他因素的影响均会作用于 Pmax 值。因此, 相对于 3 d 龄期单一因素, 7 d 养护时间更偏于对 SFP 材料多因素产生影响。

由图 6 可知, 在不同养护条件下, 普通型浆料与早强型浆料劈裂抗拉强度的变化趋势不同。普通型浆料在不同测试温度下, 室温养护条件的 SFP 试件劈裂强度最大。与之相反, 早强型浆料的 SFP 试件在室温养护条件下的劈裂强度最小。

由于 SCB 测试中的 FI 值与试件破坏历程有关,试件弯拉柔性越大, 则 FI 值越大。而 IDT 破坏模式为间接拉伸, 虽与 SCB 的破坏模式并不完全相同,但都存在拉应力破坏, 因此建立 SCB 试验中 FI 值与IDT 试验中模量的关系曲线, 如图 7 所示。连接相同养护条件的 2 个数据点可知, 标准养护 (ES, CS)和常温养护 (EA, CA) FI 值皆随着材料模量的增加而增大, 说明以上 2 种养护条件可通过增强浆料强度提高 FI 值。高温养护 (EH, CH) 则随着模量的减小, FI 值增大, 表明高温养护增强了界面黏结力, 通过延长断裂历程而增加了 FI 值。从浆料类型上看, FI 值与模量有较好的线性相关性, 通过拟合得到普通浆料 R² 为 0. 81, 早强浆料 R² 为 0. 92, 但二者趋势不同。对于普通浆料, 由于其具有较明显的刚性特征, 材料 SCB 荷载强度大, FI 值大。对于早强浆料, 则随着模量增加, FI 值减小。综上所述,SCB 与 IDT 试验结果具有较好的一致性, 养护条件与浆料均是影响关联趋势的主要因素。

3 微观结构

微观结构对水泥基材料的力学性能有显著影响,采用 SEM 测试不同养护条件的浆料断面, 研究其水化产物及微结构组成。结果如图 8 所示。

由图 8 可知, 不同浆料由于水泥类型不同, 其水化产物和微观形貌不同, 且养护条件与龄期对微观结构有较明显的影响。浆料体系中存在大量的水化产物, 主要是 C-S-H 凝胶与针棒状的 AFt 晶体。二者相互交织、 搭接, 构成水化网络结构。普通型浆料 3 d 水化产物主要为针状 AFt, C-S-H 凝胶和板状 CH。在标养条件下, 密集的 AFt 晶体在 C-S-H 凝胶中大量生长, 但尺寸较小, 尚未形成相互搭接的稳固结构, 见图 8 (a); 室温养护的浆料表面有 CH方形晶体析出, C-S-H 凝胶中已有水化产物填充密实, 见图 8 ( b) ; 在高温养护条件下, 浆料表面较松散, 分布有 CH 晶体和尺寸较大的孔洞, 也少量分布有针状 AFt, C-S-H 凝胶由水化产物填充, 见图 8 (c)。普通型浆料 7 d 水化产物由板状 CH、 絮状 AFt 和 C-S-H 凝胶组成。标养条件下浆料微观结构致密, 水化产物完全填充了 C-S-H 凝胶的空隙,见图 8 (d); 室温养护条件下浆料较致密, 有一些CH 晶体附着在断面表面, 见图 8 ( e); 高温养护条件下在 CH 表面分布的针絮状 AFt 尺寸较小, 空隙较多, 结构相对松散, 见图 8 ( f)。早强型浆料在 3 d龄期时存在丰富的 C-S-H 凝胶和絮状 AFt。在标养条件下, 棒状 AFt 与 C-S-H 凝胶搭接成片, 但内部结构松散, 见图 8 (g); 在室温养护条件下, C-S-H 凝胶更丰富, 棒状 AFt 尺寸变大, 搭接网络更致密,见图 8 (h); 在高温养护条件下, 棒状 AFt 内部基本被水化产物填充, 仅存在尺寸较小的空隙结构,见图 8 ( i)。早强型浆料的 7 d 水化产物与之类似,在标准养护条件下, 水化产物包括丰富的小型针棒状AFt, 相互穿叉堆叠, 形成较致密的网络结构, 但尚存在较小的空隙, 见图 8 (j); 在室温养护时棒状 AFt间填充了较多的 C-S-H 凝胶, 水化结构连成块状, 密实性较好, 见图 8 (k); 高温养护 C-S-H 复合凝胶体系尺寸较小, 水化产物均匀致密, 见图 8 (l)。

浆料微观结构致密程度与其抗压抗折强度有较好的对应性, 室温养护条件下浆料水化结构较致密,微观空隙和缺陷较少, 因此, 其 25 ℃ 测试温度时SFP 试件的抗裂能力相对较好, 即常温开裂与浆料致密度相关性较大。对于-10 ℃ 测试温度, 由于材料呈现刚性, 断裂面主要发生在材料内部或界面处。高温养护条件下, 浆料微结构存在孔洞, 在试件养生时沥青发生黏流变形填充于孔洞中, 形成较好的界面黏接结构, 可有效防止低温弯拉作用下的界面失效。因此, 普通型浆料与 3 d 龄期早强型浆料 SFP试件的低温断裂能较高。当早强型浆料水化进行到第 7 d 时, 其水化基本完成, 浆料结构致密, 界面无法形成有效搭接, 因此高温时其断裂能不再最高。因此, -10 ℃时半柔性材料的开裂特性与养护过程中沥青与浆料相互作用而形成的界面行为有关。

4 结论

本研究基于半柔性路面实际应用情况, 设计了 3种养护条件, 对普通浆料与早强浆料强度, SFP 试件力学特性与微观结构进行了研究, 得出以下结论:

(1) 养护条件对浆料强度有显著影响。普通型浆料 3 d 早期抗压抗折强度在室温养护条件下最大,而 7 d 抗压抗折强度则在标准养护条件下最大; 早强型浆料 3 d 抗压强度在高温养护时最大, 抗折强度在室温养护时最大, 7 d 抗压抗折强度在 3 种养护条件下基本一致。浆料 3 d 抗压强度与 SCB 测试的峰值荷载具有较好的线性相关性。

(2) 半柔性路面材料随养护条件不同表现出不同的力学特性。在 25 ℃时, 室温养护条件的抗裂性能最佳。在-10 ℃ 时, 高温养护的普通型浆料 SFP试件的性能最佳, 室温养护的早强型浆料 SFP 试件的性能最佳。

(3) 浆料微观结构致密程度与其抗压抗折强度有较好的对应性, 浆料微观结构致密时 SFP 试件在25 ℃时具有较好的抗裂性, 而界面处浆料具有微孔结构与沥青形成良好的黏结, 其 SFP 试件在-10 ℃时具有较好的抗裂能力。

以上结论对半柔性路面材料的设计与施工质量控制提供了参考依据, 即当选用强度较高的普通型浆料时, 实际路面需待沥青混合料基体摊铺温度降到室温时灌注, 其适用于高温或中温区域。当选用早强型浆料时, 实际路面可在沥青混合料基体摊铺后尚有余热时灌注, 其在中温或低温区域路面具有较好的抗裂能力。

半柔性路面材料的力学特性还与基体沥青混合料的材料、 界面黏结特性等有关, 后续研究将围绕以上因素进一步展开。

原创作者：熊子佳∗, 龚明辉, 邓 成, 洪锦祥，江苏苏博特新材料股份有限公司, 江苏 南京 211103。