不同養護條件對半柔性路面材料性能的影響

熊子佳，龔明輝，鄧 成，洪錦祥

(江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103)

0 引言

半柔性路面(Semi-flexible Pavement，SFP)材料是在多孔隙的瀝青混合料中灌入水泥基灌漿料而形成的復合路面，同時具有瀝青的柔性與水泥的剛性[1]。與普通路面不同，半柔性路面具有水泥-瀝青雙骨架網絡結構[2]，填充在瀝青混合料骨架間的水泥基灌漿料凝結硬化形成強度后，水泥基材料與瀝青基骨架共同組成一種密實的路面材料[3]。其穩定性優于普通瀝青路面，具有抗車轍、耐油污、抗水損等特點[4-5]，綜合路用性能較好，被廣泛應用于交叉道口、機場跑道、大型車輛停車場等特殊區域[6]。

在路面鋪筑過程中，隨著溫度、氣候、開放交通時間的不同，半柔性路面材料中水泥基灌漿料的實際養護條件也不盡相同。傳統的水泥混凝土養護過程條件對其內部物理化學反應有重要影響，能較顯著地改變其性能[7]。養護制度，包括標養、蒸養等，影響水泥材料水化結構與性能。如蒸養會使水泥材料形成微結構損傷，從而導致斷裂能低、脆性大等問題[8]。研究者根據養護條件，通過加入聚合物膠乳[9]、吸水樹脂[10]等材料調控水泥水化進程，從而改善其力學性能與收縮特性[11-13]。

現階段對于半柔性路面材料的研究主要集中在材料設計與優化[14-15]、路用力學性能[16-18]等。水泥基灌漿料在早期強度形成階段，養護條件對其性能的影響鮮有研究。在實際工程中，半柔性路面材料的養護環境因季節或施工工藝不同而有差別。例如夏季路面攤鋪后的剩余溫度較高，漿料將在此高溫環境下養生而形成強度，通常情況下灌漿料灌注于常溫瀝青混合料空隙中，則其養生環境為常溫自然環境。因此，本研究根據實際工程，采用3種養護條件(標準養護、室溫養護和高溫養護)，進行半圓彎拉(SCB)試驗和間接拉伸(IDT)試驗研究半柔性路面材料的力學特性，結合掃描電鏡(SEM)考察不同養護條件下水泥的微觀結構，分析養護條件對半柔性材料的性能影響。

1 試驗原材料與制備方法

1.1 原材料

本研究選用玄武巖集料、石灰石礦粉和SBS瀝青。測試技術指標根據《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)和《瀝青與瀝青混合料試驗規程》(JTG E40—2011)中相應測試方法進行試驗，試驗結果滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)的要求。

本研究采用的2種灌漿料為實驗室自制材料，分別為早強型(E)與普通型(C)。通過將水泥與外加劑等按一定比例混合制得，其中早強型灌漿料強度發展前期增長較快，普通型灌漿料的強度發展較平穩。

改性劑為瀝青混合料改性劑，主要用于改善瀝青-水泥材料界面的黏結性，采用界面改性劑MA100。MA100為淡黃色球形顆粒，顆粒直徑為2～3 mm，摻加方法為直接投入到瀝青混合料拌鍋中。

1.2 瀝青混合料制備方法

多孔隙瀝青混合料最大公稱粒徑為13 mm，油石比為3.6%，級配如表1所示。集料加熱溫度為175 ℃，瀝青加熱溫度為160 ℃，混合料拌和溫度為175 ℃，改性劑MA100直接投入到拌鍋中，摻量占瀝青混合料質量的0.3%。多孔隙瀝青混合料的性能指標如表2所示。

表1 瀝青混合料基體級配篩孔通過率Tab.1 Sieve passing rate of asphalt mixture matrix gradation

表2 多孔隙瀝青混合料性能指標Tab.2 Performance indicators of porous asphalt mixture

1.3 半柔性路面材料制備方法

按一定的水灰比(普通型水灰比為0.26，早強型水灰比為0.38)將漿料干粉與水通過高速攪拌混合均勻，制備具有較好流動性的灌漿料。將灌漿料灌注到多孔隙瀝青混合料基體中，并置于3種不同的養護條件環境：(1)標準養護為溫度20 ℃，濕度90%的標養室；(2)高溫養護為溫度80 ℃，濕度為15%的烘箱；(3)室溫養護為溫度25 ℃，濕度為60%的室內自然環境。養護時間為3 d和7 d。

按不同漿料與養護條件樣品標記為普通型-標準養護(Common-Standard，CS)，普通型-室溫養護(Common-Ambient Temperature，CA)，普通型-高溫養護(Common-High Temperature，CH)；早強型-標準養護(Early Strength-Standard，ES)，早強型-室溫養護(Early Strength-Ambient Temperature，EA)，早強型-高溫養護(Early Strength-High Temperature，EH)。

1.4 試驗方法

(1)漿料強度試驗。將漿料成型40 mm×40 mm×160 mm 3連模試件，帶模置于3種養護環境中，養護至相應齡期，在水泥膠砂試驗機上測定其抗壓、抗折強度。

(2)SCB試驗。旋轉壓實成型尺寸為直徑100 mm，高度120 mm的試件。將直徑100 mm的試件切割，得到厚度為50 mm的半圓形試件。將半圓試件預切縫，縫寬為0.5 mm，深度為15 mm。SCB測試兩支點間距為0.8 mm。測試溫度為25 ℃時加載速率為50 mm/min，測試溫度為-10 ℃時加載速率為10 mm/min。各項指標計算式為：

G=W/A，

(1)

FI=G/|m| ×0.01，

(2)

CRI=G/|Pmax|，

(3)

式中，G為斷裂能；W為斷裂功；A為斷裂面截面面積；FI為柔性指數；m為力-位移曲線中力達到峰值后曲線的反彎點斜率；CRI為斷裂指數；Pmax為峰值荷載。斷裂能G表征斷裂時所需的能量，G值越大，材料抗彎拉性能越好。FI表征材料柔韌性，FI值越大，表明材料柔韌性越好，抗裂能力越強。|m|值越小，峰值后曲線越平緩，材料失效速率越慢。CRI則綜合了斷裂能與荷載值，其值越大，材料性能越好。

(3)IDT試驗。試件為馬歇爾試件，試驗方法與指標計算按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE20—2011)進行。測試溫度為25 ℃時，加載速率為50 mm/min。測試溫度在-10 ℃時加載速率為10 mm/min。

(4)掃描電鏡(SEM)分析。采用環氧浸漬終止水泥基材料水化，烘干后用于SEM分析。試件破碎后選擇大小合適且具有平整斷裂面的試塊進行噴金處理，采用SEM觀察不同養生條件樣品的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 漿料強度試驗

測試不同養護環境中的漿料抗壓、抗折強度，養護齡期為7 d。試驗結果見圖1。

圖1 不同養護條件漿料的強度值Fig.1 Strength values of slurry under different curing conditions

由圖1可知，不同養護條件對漿料強度有顯著影響。隨著養護溫度的升高，普通型灌漿料3 d抗壓強度在室溫養護時最高，抗折強度與抗壓強度規律一致。7 d抗壓強度隨養護溫度增加而降低，高溫養護抗壓強度為標養強度的90%，室溫養護漿料抗壓強度居中。普通型灌漿料的抗折強度在室溫養護條件下最低，僅為標養抗折強度的54.6%。早強型灌漿料隨養護條件不同而導致的強度在3 d時有明顯差別，隨養護溫度升高而增加，而7 d強度隨養護條件變化相對較小。3 d抗壓強度在高溫養護時最大，而抗折強度則在室溫養護時最大。這是因為早強型灌漿料水化較快，其3 h強度可達10.8 MPa，即高溫環境促進了其水化進程，因此3 d高溫抗壓強度較大。但抗折強度在高溫時較小，可能是因為高溫的劇烈水化加之高溫對試件內水分的影響導致試件內部結構疏松。7 d時由于水泥基材料的本征強度，導致3種養護條件抗壓、抗折強度基本一致。

2.2 SCB試驗

對不同養護條件的半柔性路面材料進行SCB試驗，計算分析斷裂能G、柔性指數FI與斷裂系數CRI值等關鍵性能指標。

由圖2可知，早強型SFP材料的斷裂能小于同條件養生和齡期的普通型SFP材料，說明漿料強度對SFP材料斷裂能有較明顯的影響。從養護齡期上看，養護3 d的斷裂能大于養護7 d的斷裂能，這可能是因為養護3 d時，水泥水化尚未完全，水泥基材料內部結構較松散，脆性斷裂比例較小，斷裂時程較長。養護7 d時水泥基材料已經剛性化，脆性斷裂比例較大，斷裂時程較短。從養護條件上看，普通型SFP材料與早強型SFP材料在25 ℃的斷裂能變化趨勢一致，即隨養護溫度的增加先增大后減小，在室溫養護環境中斷裂能最大。其原因可能在于水泥基漿料灌注到多孔隙瀝青混合料中后，漿料與瀝青膜直接接觸，此時瀝青膜相當于養護薄膜覆蓋在漿料表面，保證試件內部的水分不散失。3種養護條件其條件濕度對材料的斷裂能基本無明顯影響，僅環境的溫度對水化過程有影響。室溫溫度高于標養溫度且相比于高溫能保持表面水含量，因此，室溫時水泥基材料內部缺陷最少。另外，高溫瀝青膜因老化而黏結性能降低，標養由于濕度較大，水分進入瀝青膜內部導致的黏結，使得在室溫時瀝青膠體的性能最佳。綜合而言，室溫斷裂能最大。

圖2 不同養護條件半柔性材料的斷裂能Fig.2 Fracture energy of semi-flexible materials under different curing conditions

在-10 ℃測試溫度時，普通型和早強型漿料的SFP試件斷裂能值規律不同。普通型漿料的SFP試件隨養護溫度的增加呈現先減小后增加的趨勢。這可能是因為標養和高溫均有利于水泥瀝青材料界面的黏結，因此低溫斷裂能較大。而早強型漿料的SFP試件在3 d時高溫養護的斷裂能是室溫養護的1.31倍，可能是因為在水化初期高溫養護水泥基材料內部相對較松散，漿料柔性較強，剛性尚小，加之高溫養護過程中軟化的瀝青與漿料在界面能較好地結合，形成更牢固的界面黏結。而在7 d時，水泥基材料內部剛性增加，水化產物致密，SFP試件的室溫斷裂能又恢復成最大。

由圖3可知，養護條件對SFP材料的FI值有明顯影響。從齡期上看，3 d材料的FI值大于7 d的FI值，可能是因為水泥基材料早期水化內部結構尚較疏松，剛度較小。從養護條件上看，早強型漿料SFP試件的FI值與圖2中的斷裂能規律一致，均為室溫養護條件時值最大。主要是因為早強型材料水化進程快，在相應齡期時已進入相對穩定狀態。而普通型漿料SFP試件的FI值變化在3 d齡期與7 d齡期規律相反。普通型漿料在3 d時水化不完全，漿料的3 d抗壓強度(圖1)越小，其FI值越大。說明普通型漿料的SFP材料的早期斷裂行為與漿料水化程度有較明顯的相關性。

圖3 不同養護條件半柔性材料的FI值Fig.3 FI values of semi-flexible materials under different curing conditions

由圖4可知，早強型漿料的SFP試件的CRI值在室溫養護條件時最大，測試溫度為25 ℃時差異更加明顯。普通型漿料SFP試件的CRI值因測試溫度不同而呈現不同的規律。當測試溫度為25 ℃時，室溫養護時SFP試件的CRI值最大；測試溫度為-10 ℃ 時，高溫養護條件的CRI值最大，室溫養護時其值最小。這一規律與圖2斷裂能曲線相似，且CRI值綜合考慮了斷裂能與荷載值的影響。

圖4 不同養護條件半柔性材料的CRI值Fig.4 CRI values of semi-flexible materials under different curing conditions

不同的養護條件下，漿料的抗壓強度不同。由圖5(a)可知，不同養護條件下漿料3 d的抗壓強度與SCB測試中的最大荷載值Pmax有較好的線性相關性。隨著強度的增加，Pmax增大。普通型漿料的強度-Pmax擬合曲線斜率基本一致，說明抗壓強度(養護條件)對SFP材料Pmax值的影響與測試溫度無關。但對于早強型漿料，其SFP試件的Pmax值在-10 ℃測試溫度時，抗壓強度(養護條件)對Pmax有較明顯的影響，二者擬合曲線斜率較大。而在25 ℃ 測試溫度時，其擬合曲線斜率與普通型漿料的相當。說明早強型漿料的SFP試件低溫抗裂荷載對養護條件較敏感。

圖5 抗壓強度(養護條件)與最大荷載關系曲線Fig.5 Relationships between compressive strength (curing conditions)and maximum load

由圖5可知，7 d抗壓強度(養護條件)與最大荷載Pmax沒有明顯的相關性。由于7 d齡期時漿料強度已發展進入穩定狀態，不同養護條件漿料抗壓強度相差不大。此時，不同養護條件對瀝青基體、界面黏結性等其他因素的影響均會作用于Pmax值。因此，相對于3 d齡期單一因素，7 d養護時間更偏于對SFP材料多因素產生影響。

由圖6可知，在不同養護條件下，普通型漿料與早強型漿料劈裂抗拉強度的變化趨勢不同。普通型漿料在不同測試溫度下，室溫養護條件的SFP試件劈裂強度最大。與之相反，早強型漿料的SFP試件在室溫養護條件下的劈裂強度最小。

圖6 不同養護條件SFP試件的劈裂抗拉強度Fig.6 Splitting tensile strengths of SFP specimens under different curing conditions

由于SCB測試中的FI值與試件破壞歷程有關，試件彎拉柔性越大，則FI值越大。而IDT破壞模式為間接拉伸，雖與SCB的破壞模式并不完全相同，但都存在拉應力破壞，因此建立SCB試驗中FI值與IDT試驗中模量的關系曲線，如圖7所示。連接相同養護條件的2個數據點可知，標準養護(ES，CS)和常溫養護(EA，CA)FI值皆隨著材料模量的增加而增大，說明以上2種養護條件可通過增強漿料強度提高FI值。高溫養護(EH，CH)則隨著模量的減小，FI值增大，表明高溫養護增強了界面黏結力，通過延長斷裂歷程而增加了FI值。從漿料類型上看，FI值與模量有較好的線性相關性，通過擬合得到普通漿料R2為0.81，早強漿料R2為0.92，但二者趨勢不同。對于普通漿料，由于其具有較明顯的剛性特征，材料SCB荷載強度大，FI值大。對于早強漿料，則隨著模量增加，FI值減小。綜上所述，SCB與IDT試驗結果具有較好的一致性，養護條件與漿料均是影響關聯趨勢的主要因素。

圖7 SCB試驗FI值與IDT試驗模量關系Fig.7 Relationships between FI value by SCB test and modulus by IDT test

3 微觀結構

微觀結構對水泥基材料的力學性能有顯著影響，采用SEM測試不同養護條件的漿料斷面，研究其水化產物及微結構組成。結果如圖8所示。

圖8 不同養護條件漿料的SEM圖像Fig.8 SEM images of slurry under different curing conditions

由圖8可知，不同漿料由于水泥類型不同，其水化產物和微觀形貌不同，且養護條件與齡期對微觀結構有較明顯的影響。漿料體系中存在大量的水化產物，主要是C-S-H凝膠與針棒狀的AFt晶體。二者相互交織、搭接，構成水化網絡結構。普通型漿料3 d水化產物主要為針狀AFt，C-S-H凝膠和板狀CH。在標養條件下，密集的AFt晶體在C-S-H凝膠中大量生長，但尺寸較小，尚未形成相互搭接的穩固結構，見圖8(a)；室溫養護的漿料表面有CH方形晶體析出，C-S-H凝膠中已有水化產物填充密實，見圖8(b)；在高溫養護條件下，漿料表面較松散，分布有CH晶體和尺寸較大的孔洞，也少量分布有針狀AFt，C-S-H凝膠由水化產物填充，見圖8(c)。普通型漿料7 d水化產物由板狀CH、絮狀AFt和C-S-H凝膠組成。標養條件下漿料微觀結構致密，水化產物完全填充了C-S-H凝膠的空隙，見圖8(d)；室溫養護條件下漿料較致密，有一些CH晶體附著在斷面表面，見圖8(e)；高溫養護條件下在CH表面分布的針絮狀AFt尺寸較小，空隙較多，結構相對松散，見圖8(f)。早強型漿料在3 d齡期時存在豐富的C-S-H凝膠和絮狀AFt。在標養條件下，棒狀AFt與C-S-H凝膠搭接成片，但內部結構松散，見圖8(g)；在室溫養護條件下，C-S-H凝膠更豐富，棒狀AFt尺寸變大，搭接網絡更致密，見圖8(h)；在高溫養護條件下，棒狀AFt內部基本被水化產物填充，僅存在尺寸較小的空隙結構，見圖8(i)。早強型漿料的7 d水化產物與之類似，在標準養護條件下，水化產物包括豐富的小型針棒狀AFt，相互穿叉堆疊，形成較致密的網絡結構，但尚存在較小的空隙，見圖8(j)；在室溫養護時棒狀AFt間填充了較多的C-S-H凝膠，水化結構連成塊狀，密實性較好，見圖8(k)；高溫養護C-S-H復合凝膠體系尺寸較小，水化產物均勻致密，見圖8(l)。

漿料微觀結構致密程度與其抗壓抗折強度有較好的對應性，室溫養護條件下漿料水化結構較致密，微觀空隙和缺陷較少，因此，其25 ℃測試溫度時SFP試件的抗裂能力相對較好，即常溫開裂與漿料致密度相關性較大。對于-10 ℃測試溫度，由于材料呈現剛性，斷裂面主要發生在材料內部或界面處。高溫養護條件下，漿料微結構存在孔洞，在試件養生時瀝青發生黏流變形填充于孔洞中，形成較好的界面黏接結構，可有效防止低溫彎拉作用下的界面失效。因此，普通型漿料與3 d齡期早強型漿料SFP試件的低溫斷裂能較高。當早強型漿料水化進行到第7 d時，其水化基本完成，漿料結構致密，界面無法形成有效搭接，因此高溫時其斷裂能不再最高。因此，-10 ℃時半柔性材料的開裂特性與養護過程中瀝青與漿料相互作用而形成的界面行為有關。

4 結論

本研究基于半柔性路面實際應用情況，設計了3種養護條件，對普通漿料與早強漿料強度，SFP試件力學特性與微觀結構進行了研究，得出以下結論：

(1)養護條件對漿料強度有顯著影響。普通型漿料3 d早期抗壓抗折強度在室溫養護條件下最大，而7 d抗壓抗折強度則在標準養護條件下最大；早強型漿料3 d抗壓強度在高溫養護時最大，抗折強度在室溫養護時最大，7 d抗壓抗折強度在3種養護條件下基本一致。漿料3 d抗壓強度與SCB測試的峰值荷載具有較好的線性相關性。

(2)半柔性路面材料隨養護條件不同表現出不同的力學特性。在25 ℃時，室溫養護條件的抗裂性能最佳。在-10 ℃時，高溫養護的普通型漿料SFP試件的性能最佳，室溫養護的早強型漿料SFP試件的性能最佳。

(3)漿料微觀結構致密程度與其抗壓抗折強度有較好的對應性，漿料微觀結構致密時SFP試件在25 ℃時具有較好的抗裂性，而界面處漿料具有微孔結構與瀝青形成良好的黏結，其SFP試件在-10 ℃時具有較好的抗裂能力。

以上結論對半柔性路面材料的設計與施工質量控制提供了參考依據，即當選用強度較高的普通型漿料時，實際路面需待瀝青混合料基體攤鋪溫度降到室溫時灌注，其適用于高溫或中溫區域。當選用早強型漿料時，實際路面可在瀝青混合料基體攤鋪后尚有余熱時灌注，其在中溫或低溫區域路面具有較好的抗裂能力。

半柔性路面材料的力學特性還與基體瀝青混合料的材料、界面黏結特性等有關，后續研究將圍繞以上因素進一步展開。