0 引言

沥青路面在重载车辆和高温气候的双重作用下，容易出现高温永久变形和车辙病害。尽管水泥混凝土路面可以有效解决道路车辙问题，但是其本身也存在诸多难以克服的缺点，比如接缝设置复杂、养生时间长无法短期开放交通等^[1-6]。

乳胶水泥砂浆灌入式高性能沥青罩面是一项引进于美国陆军工程航运研究所(US Army Engineer Waterways Experiment Station)的研究成果，它是一种新型的罩面技术^[7-9]：首先铺筑空隙率在20%~35%的开级配沥青路面，而后在其表面撒布一定量的乳胶水泥砂浆，砂浆通过开级配沥青路面的大孔隙渗透至内部，形成类似于水泥混凝土路面的结构。乳胶水泥砂浆灌入式高性能沥青罩面层具有以下特点^[10-13]：

(1) 具有水泥混凝土路面的高强度与抗高温变形的特性，可以解决沥青路面常见的高温变形病害；同时沥青混凝土和乳胶水泥砂浆均具有很好的抗裂特性，所以此罩面结构具有良好的抗开裂性能。

(2) 相比于水泥混凝土路面，具有更低造价与施工便利的优势。

(3) 由于水泥砂浆是直接灌入开级配沥青路面之中，此类罩面形式具有沥青路面连续行车的优势，无水泥混凝土路面中的伸缩缝以及传力杆等复杂结构。

乳胶水泥砂浆灌入式高性能沥青罩面兼具沥青路面连续、抗开裂的特性以及水泥混凝土路面抗车辙的优势，加之其造价成本低、施工便利、可以快速开放交通，在美国的机场停机坪、坦克行车带以及公交停靠站等重载交通密集地带得以应用，效果良好^[14-18]。在此背景下，结合水泥混凝土高强特点以及沥青混凝土柔变、行车平顺特性，研究乳胶水泥砂浆灌入式沥青路面技术具有显著意义。

文中采用流动度、抗弯折与抗压强度试验对乳胶水泥砂浆性能进行测试，同时，对开级配沥青混合料的路用性能进行评价，而后采用马歇尔试验、车辙试验以及小梁弯曲试验对乳胶水泥砂浆灌入复合式试件进行全面试验评价。

1 原材料 1.1 水泥

选用等级42.5的硅酸盐水泥，参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTJ E30—2005) 中的有关方法进行检验，水泥强度试验结果如表 1所示。

1.2 乳胶水泥砂浆

水泥砂浆配制过程中，选用了等级42.5的硅酸盐水泥作为黏结剂，并采用石灰岩矿粉以及筛孔小于1.18 mm的特细砂进行混合，为了增加水泥砂浆的抗折性能，特别掺加了LDM7300型乳胶粉，研究过程中对乳胶水泥砂浆的流动度、抗折强度与抗压强度进行了性能评价，不同配比条件下乳胶水泥砂浆的各项性能测试指标及技术要求如表 2所示。

从表 2可以看出，能综合满足流动度、抗折与抗压强度的乳胶水泥砂浆质量配比为m(水):m(水泥):m(细砂):m(矿粉):m(乳胶粉)=720:1 000:497:249:30。

1.3 沥青

试验选用SBS改性沥青，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011) 进行检验，沥青各项技术指标测试结果与技术要求见表 3。

1.4 集料及级配

试验集料选用轧碎的坚硬、粗糙有棱角的石灰岩碎石，以充分发挥集料的嵌挤作用，其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。级配如表 4所示。

1.5 最佳油石比

研究中采用析漏试验和肯特堡飞散试验对大孔隙沥青混合料的油石比进行研究，确定出沥青混合料的最佳油石比为3.2%，其中试件空隙率为29.3%，析漏率为0.03%，飞散率为11.38%，马歇尔稳定度为6.41 kN，流值为3.01 mm，各项指标均满足排水沥青混合料技术要求。

2 乳胶水泥砂浆灌入式沥青混合料性能试验评价 2.1 马歇尔试验

为了评价乳胶水泥砂浆灌入式沥青混合料的强度性能，采用马歇尔试验对灌浆前后的试件进行性能测试，灌入后试件及其剖面图如图 1所示。试验过程为：将标准的马歇尔试件放入60 ℃恒温水槽中浸泡30~40 min，而后采用马歇尔稳定仪对试件进行测试。试验结果如表 5所示。

从图 1可以看出，乳胶水泥砂浆已完全灌入至大孔隙沥青混合料空隙之中，形成密实的试件。表 5试验结果显示，采用乳胶水泥砂浆进行灌浆后的试件马歇尔强度要远大于未灌浆的大孔隙沥青混合料试件，且强度要远大于SBS改性的SMA试件强度，所以采用乳胶水泥砂浆进行灌浆的沥青混合料具有很高的强度性能。同时从试验数据可以看出，随着养生时间的增加，灌浆后试件的马歇尔稳定度会增加，标准养生28 d后的马歇尔稳定度几乎为标准养生7 d的2倍，这主要是因为灌浆试件中的水泥砂浆对试件强度的贡献。

2.2 车辙试验

为了评价混合料的高温稳定性能，采用车辙试验进行评价，试验规程按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052—2000) 进行，试验结果如图 2所示。

从图 2可以看出，灌浆后的试件比未灌浆的大孔隙沥青混合料的抗高温性能有很大提升，同时随着养生时间的增加，其动稳定度有一定程度的增加，说明水泥砂浆的灌入对沥青混合料的高温稳定性有很大帮助。

2.3 低温弯曲试验

本研究采用低温弯曲试验评价混合料的低温弯曲性能，试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052—2000) 进行，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min，试验结果如图 3所示。

从图 3可以看出，灌浆后试件的低温弯曲应变比未灌浆试件的要小，表明水泥砂浆的灌入会影响路面的低温变形能力，主要是因为灌入的水泥砂浆抗压强度好而抗拉强度弱造成的。从其他文献可以看出，未掺入乳胶改性剂的水泥砂浆灌入式沥青混合料-10 ℃的弯曲应变为979 με，而本研究中掺入乳胶改性剂的时间弯曲应变为1 653 με，说明乳胶改性剂的掺入在一定程度上较好地改善了水泥砂浆灌入式试件的低温抗裂性能。

2.4 抗水损害能力

本研究结合AASHTO T 283与ASTM D 7064试验规程，进行冻融劈裂试验，采用残留强度比的指标对大孔隙混合料抗水损害性能进行评价。试验采用标准马歇尔试件，试件分为两组：一组在23 ℃水浴保温2 h后测定试件的间接拉伸强度；另一组试件，首先在87.8 kPa压力容器中抽真空10 min，而后浸泡水中放置-18 ℃冰箱16 h，再采用塑料套膜套住试件放入60 ℃水浴24 h，塑料套膜的作用是避免大孔隙混合料在高温下发生混合料松散、剥落等情况，最后将试件放到23 ℃水中浸泡2 h后测试其间接拉伸强度，进行比值计算。本次试验只进行1次冻融循环，而没有按照ASTM D 7064所规定的进行5次冻融循环，主要是因为Watson的研究成果显示1次、3次或5次冻融循环对大孔隙混合料的间接拉伸强度并无影响。本次冻融循环状态下的残留强度比试验结果如图 4所示。

从图 4可以看出，乳胶水泥砂浆的灌入对于大孔隙混合料的残留强度比有较好的贡献，可以改善混合料的抗水损能力，灌浆后的残留强度比接近灌浆前的2倍，有效提升大试件的水稳定性能。

2.5 渗水性能

本研究采用柔性壁渗透仪(Flexible Wall Permeameter)对环氧沥青混合料进行了变水头渗透试验(Falling Head Permeability Test)，试验严格按照ASTM PS 129的规定进行。试验采用直径100 mm，高80 mm的圆柱型试件，用旋转压实方式成型取芯得到。试验前，将试件放入高于表面25 mm以上的水中，在70 kPa的压力下抽真空5 min，使试件处于饱和状态。而后，将试件放入柔性壁渗透仪中进行试验，分别记录试验开始时刻t₁和结束时刻t₂的水压头刻度h₁和h₂。试件的渗透系数利用达尔西定律计算得出，如式(1) 所示。

(1)

式中，k为渗透系数; a为水压头立管的内截面面积; l为试件的厚度; A为试件的面积; Δt为时间差(t₂-t₁)。

试验结果显示：大孔隙沥青混合料的渗水系数均为0.17 cm/s，具有很好的渗水性能。而采用乳胶水泥砂浆进行灌入的试件，其渗水系数几乎接近为0，说明水泥砂浆很好地渗透到混合料的空隙中，保证了试件的密实。

2.6 摆式摩擦系数试验

采用英式摆式摩擦仪测试环氧沥青混合料的摩擦系数，试验参照ASTM E 303-93规程进行，试件为钢轮轮碾成型的502 mm×167 mm×76 mm板状试件，试验结果如图 5所示。

试验结果显示：灌浆前后试件的摩擦系数接近，表明乳胶水泥砂浆的灌入并不会影响路面的抗滑性能。

3 结论

(1) 在大孔隙沥青混合料中灌入乳胶水泥砂浆，可以有效提升混合料的强度、高温稳定性以及水稳定性能，低温抗裂性方面有所降低。

(2) 乳胶水泥砂浆的有效灌入使得试件密实，几乎不渗水，并且表面抗滑性能与大孔隙沥青混合料性能相近。

(3) 乳胶水泥砂浆的灌入，对于提高混合料的强度、高温稳定性与抗水损害等路用性能有很大帮助。