摘 要:灌注式半柔性混合料由大空隙沥青混合料和水泥基灌浆材料组成，完全沿用沥青混合料测试方法难以准确评价其路用性能。如何测评这种“刚柔相济”的特殊复合材料路用性能，成为灌注式半柔性路面研究重点和难点。综述了灌注式半柔性混合料的强度形成机理，总结了灌注式半柔性混合料的路用性能评价方法，分析了路用性能影响因素，以期为准确评价灌注式半柔性路面路用性能提供技术参考。

关键词:灌注式半柔性路面 | 强度机理 | 路用性能 | 评价方法

灌注式半柔性路面作为一种高性能、低维护、长寿命的复合材料，具有承载能力高、抗车辙性能好[1-4]及行车舒适度高[5]等优点，适用于重载、重交通道路。在灌注式半柔性路面发展过程中，研究人员对其强度机理、路用性能及测试方法开展了大量研究[6]。灌注式半柔性路面优异的高温稳定性、水稳定性、耐磨性、抗滑性、耐油性及耐火性已被广泛认可[7-11]，但其低温抗裂性能和疲劳性能与普通沥青混凝土相比是否具有优势仍然存在争议[12-14]，如何评价其低温抗裂性还有待深人研究[9,14-16]。关于灌注式半柔性混合料的疲劳性能测试方法仍需进一步确定[14,17]。当前，灌注式半柔性混合料路用性能评价仍沿用沥青混合料的试验方法和评价指标。然而，沥青混凝土为应变耐受材料，而水泥混凝土则为应力耐受材料[18]，因此，完全采用沥青材料试验来评价灌注式半柔性混合料的性能，容易导致试验结果与实际路用性能存在较大差异。

综上所述，当前对灌注式半柔性混合料路用性能研究中依旧存在试验方法不适用、评价指标不统一等问题。本文在分析了灌注式半柔性混合料强度形成机理的基础上，系统阐述现有灌注式半柔性混合料路用性能评价方法，分析了各种路用性能评价方法的优缺点。

1、强度形成机理

灌注式半柔性混合料是向大空隙基体沥青混合料中灌注水泥基灌浆料而组成的复合材料[19]，具有介于沥青混合料和混凝土之间的力学性能，其强度机理除了与大空隙沥青混合料以及水泥砂浆自身强度相关外，还与两者间复杂的物理化学反应有关[20]。目前，研究人员大多从沥青-集料、水泥浆体-集料和水泥浆体-沥青间的相互作用方面来分析灌注式半柔性混合料的强度形成机理[20-24]。

首先，由于沥青与集料间的结构沥青具有良好的粘结性，为基体沥青混合料提供了良好的内聚力[6]；其次，水泥浆体与矿料之间存在两种相互作用，一种是凝结硬化成网络结构的水泥浆体可包裹在沥青膜外面，对矿料起到间接包裹作用，进而增强了沥青膜与集料的粘结力。另一种就是水泥浆料透过沥青膜，直接与集料表面产生相互作用，使得二者之间产生了很强的粘结力[6，20]；最后，水泥浆体与沥青间存在“沥青-水泥硬化效应”，且空隙率越大，沥青相的硬化效应越大[25]：一方面，这是由于水泥基灌浆料水化过程中，在沥青-水泥砂浆界面处产生了针，棒状的水化粒子,这些水化粒子自身形成一种“凝聚-结晶”的三维空间网络结构,并且深深的浸人到沥青膜中，在水泥结石体-沥青膜-集料间起到“桥梁”的作用，加强了结构的整体性[20]，如图1所示[26]。另一方面，由于水泥颗粒对空隙的吸附作用，水泥浆体与部分自由沥青结合，在减少了基体沥青混合料中自由沥青的同时，增加了结构沥青，使得混合料的粘结性增强，其稳定性和强度也得到了很大的提高[6，27]。

除了沥青-集料、水泥浆体-集料和水泥浆体-沥青之间的相互作用外，Wu等[6]认为灌注式半柔性混合料的强度还由基体沥青混合料和水泥结石体的强度组成。为此Setyawan[28]通过单轴压缩试验得出，灌注式半柔性混合料的抗压强度主要来源于水泥浆的抗压强度。然而，Cai等[29]则认为，基体沥青混合料的强度贡献大于填充母体混合料中的灌浆料强度。值得注意的是，灌注式半柔性混合料为三相复合材料(沥青相、集料相、水泥相)，其强度机理十分复杂，仅从单相物质强度贡献率来研究其强度机理难以全面解释其强度的形成机理。研究表明，灌注式半柔性混合料强度应从基体沥青混合料骨架强度、水泥结石体的抗压强度、基体沥青混合料三相物质间的界面(沥青-集料、水泥结石体-沥青、水泥结石体-集料)粘结及粘聚强度方面进行综合考虑[30]。

2、路用性能评价方法

灌注式半柔性路面需具备良好的路用性能，以保证路面长期、高效、安全的运营。目前，灌注式半柔性路面路用性能主要参考沥青路面的路用性能评价方法，表1总结了灌注式半柔性路面路用性能试验方法及评价指标。

2.1高温稳定性

高温稳定性是评价灌注式半柔性路面在车辆荷载反复作用和高温耦合条件下，抵抗永久变形，保证路面平整度的能力[31]。目前，主要采用马歇尔稳定度试验和车辙试验对半柔性路面高温稳定性进行评价。

马歇尔稳定度试验表明，基体沥青混合料在灌注水泥浆后，其马歇尔稳定度增大，流值减小，即灌注式半柔性混合料的高温稳定性性能得到显著提升[15]。此外，灌注式半柔性混合料的马歇尔稳定度随养护龄期和基体沥青混合料空隙率的增大而增大，流值则随养护龄期的增加而减小[16]。陈祥峰[32]在研究中也得出相似结论，即灌注式半柔性混合料的稳定度随基体沥青混合料空隙率的增大呈线性增长。一方面，这是由于水泥浆体可以改善沥青混凝土的骨架结构，使得强度明显增强；另一方面，这是由于基体沥青混合料空隙率的增大使得灌人浆体含量增大，进而降低了半柔性混合料的残余空隙率，增加了密实度。然而，严守靖等[33]认为，灌注式半柔性混合料的高温稳定性随灌浆深度增大，灌人水泥浆增多存在极值，当预留灌浆深度为7.92mm，灌浆率 98.495%时，高温稳定性能最好。

马歇尔稳定度试验虽能从一定程度上表征灌注式半柔性混合料的高温稳定性，但稳定度和流值两项指标具有一定的经验性，试验方法与实际路面状态存在较为明显的差异，因此该试验难以准确评估半柔性混合料的高温稳定性。而车辙试验则更为贴近实际情况[15，34]。

Zarei等[35]采用60℃车辙试验对灌注式半柔性混合料的高温稳定性进行了评价，研究结果表明半柔性混合料具有足够的抵抗高温变形的能力，可适用于夏季高温地区。车辙试验还表明灌注式半柔性混合料的养护龄期越长，基体沥青混合料的空隙率越大，灌入的水泥浆体越多，其车辙深度越小，动稳定度越大[16，29，32]。此外，灌注式半柔性混合料的动稳定度在10000次mm以上[2，10，11，36-38]。周亮[34]同时采用动稳定度和相对变形来综合评价灌注式半柔性混合料的抗车辙能力，研究表明，当试验温度逐渐升高时，灌注式半柔性混合料的动稳定度会出现下降趋势。在车辙试验的60min内，车辙深度远小于1mm，且变形曲线趋于平缓。这是由于水泥的加入，半柔性混合料的刚性增大，抵抗剪切流动变形的能力增大，因此其抗车辙能力也随之增大。值得注意的是，在现有的研究中均未考虑水对灌注式半柔性混合料抗车辙性能的影响，为此，当需要综合考虑水、温度和轮载对灌注式半柔性混合料高温稳定性和水敏感性的影响时可采用浸水汉堡车辙试验进行。总体来说，不论是采用稳定度和流值、动稳定度，还是车辙深度等指标来表征，灌注式半柔性混合料都具有良好的高温稳定性。

2.2水稳定性

周亮[34]采用浸水马歇尔试验来评价灌注式半柔性混合料的水稳定性，研究表明，在45℃时其水稳定性能最佳。然而，长时间的高温、潮湿养护条件会提高水泥浆体灌浆料的强度。因此，采用浸水马歇尔试验来评价灌注式半柔性混合料的水稳定性具有一定的局限性[14，39]。为此，研究人员[9-11，14，29，32，35，40，41]采用浸水马歇尔试验和冻融循环劈裂试验相结合的方法综合评价半柔性混合料的水稳定性，冻融劈裂试件破坏如图2A所示。董营营[10]认为，灌注式半柔性混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比分别比橡胶沥青混合料大21.2%和11.7%。黄芳[11]的研究表明，灌注式半柔性混合料具有超强的抗水损坏性能，其浸水残留稳定度随着时间的增加而增加，且均在90%以上。Luo等[14]对比了浸水马歇尔试验和冻融循环劈裂试验下灌注式半柔性混合料的试验结果，研究表明冻融循环劈裂试验更适合于评价半柔性混合料的水稳定性。然而，由于沥青混凝土为应变耐受材料，而水泥混凝土为应力耐受材料[18]，完全采用沥青材料试验来评价灌注式半柔性混合料的性能，容易导致试验结果与真实的路用性能之间存在较大差距。为此，Hong等[42]借助水泥混凝土的动态弹性模量试验和沥青混凝土的冻融循环劈裂试验，综合评价了灌注式半柔性混合料的水稳定性。总体来说，由于灌注式半柔性混合料表面被致密的水泥基灌浆料覆盖(如图3所示)，水分难以浸入材料内部，因此，与普通沥青混合料和橡胶沥青混合料相比，灌注式半柔性混合料更具有优良的水稳定性[10，36]。表1总结了近年来研究人员在灌注式半柔性混合料水稳定性研究中上所采用的主要试验方法及评价指标，并分析了各类试验方法的优缺点。

2.3低温抗裂性

低温抗裂性是评价灌注式半柔性混合料在低温情况下应力松弛及抵抗变形的能力。寒区路面结构极易出现低温开裂破坏的现象[44，45]，为更好地推广灌注式半柔性路面在寒区道路工程中的运用，研究人员对灌注式半柔性混合料的低温性能进行了大量研究。表1总结了灌注式半柔性混合料低温抗裂性研究中所采用的主要试验方法及评价指标，并且分析了各类试验方法的优缺点。

研究人员在采用低温弯曲试验[9，14-16，33，35]来评价灌注式半柔性混合料的低温抗裂性时，采用不同的评价指标会得出不同的结论，低温弯曲试验试件破坏如图2B所示。如Luo等[14]以抗弯拉强度和破坏弯拉应变为评价指标，指出灌注式半柔性混合料的低温性能不及普通沥青混合料。而黎侃[15]以低温破坏应变能密度为评价指标，则认为灌注式半柔性混合料的低温性能优于AC-16普通沥青混合料。通过低温劈裂试验进行评价时，同样存在上述问题[36，46]。为此，Cai等[29]同时采用低温弯曲试验和低温劈裂试验综合评价了灌注式半柔性混合料的低温性能，研究表明，灌注式半柔性混合料的低温抗裂性能与AC-16普通沥青混合料相近。此外，郝培文[2]和程磊[40]则同时 采用低温弯曲试验、低温劈裂试验和低温弯曲蠕变试验来综合评价其低温性能。

与普通沥青混合料相比，灌注式半柔性混合料的抗弯拉强度、弯曲劲度模量和劈裂强度均较小，而低温破坏应变能密度较大。因此，在评价其低温抗裂性能时，采用不同的试验方法和评价指标所得结果存在明显差异[15，34，36]。但灌注式半柔性混合料的线收缩系数较小，产生温度裂缝的可能性更低[11]，具有较好的低温抗裂性能，可适用于冬季寒冷的地区[35]。

2.4疲劳性能

灌注式半柔性路面在车辆荷载反复作用作用下，会导致材料内部存在缺陷、微裂纹不断扩展，路面结构强度不断衰减的现象，最终产生疲劳破坏。灌注式半柔性混合料的疲劳性能试验方法主要有间接拉伸疲劳试验[14，15]、三点弯曲疲劳试验[43]和四点弯曲疲劳试验[3]等。Hou等[9]通过应力控制模式下的四点弯曲试验评价了灌注式半柔性混合料的疲劳性能，研究表明沥青混合料与水泥浆体之间形成一个共同承受疲劳荷载的整体结构，使得灌注式半柔性混合料比普通沥青混合料具有更好的疲劳性能。Corradini等[17]的研究也表明灌注式半柔性混合料的平均劲度模量是传统沥青混凝土的3倍左右，因此在许用应力范围内，其疲劳寿命显著延长。但当应力不断增加且超过许用应力范围内时，灌注式半柔性混合料的疲劳寿命衰减得更快。然而，Yang等[13]发现疲劳开裂大多沿着水泥－沥青混合料界面不断拓展(如图2C所示)，进而严重影响了灌注式半柔性混合料的疲劳性能，使得半柔性混合料的疲劳性能要弱于普通沥青混合料。由千不同的研究者所采用的试验方法和试验条件不尽相同，因此，当前灌注式半柔性混合料的疲劳性能的优劣仍然存在争议，缺乏统一认识。为此，表1总结了灌注式半柔性混合料疲劳性能研究中所采用的主要试验方法及评价指标，并分析了各类试验方法的优缺点，以便研究人员根据相关条件进行选择。

2.5其它性能

2.5.1 抗滑性及耐磨性

灌注式半柔性混合料通常用摆式仪测定的路面摩擦系数来评价其抗滑性能。摆值越大或构造深度越大，则抗滑性能越好。Bharath等[7]的研究表明，灌注式半柔性混合料在湿滑和干滑条件下的抗滑值分别为60BPN和70BPN,满足规范中的路面抗滑要求。Cihackova等[12]的研究认为，与沥青混合料相比，灌注式半柔性混合料具有较好的表面结构和较高的抗滑性能。

Bharath等[7]采用肯塔堡飞散试验，对比了灌注式半柔性混合料及普通沥青混合料的质量损失。研究表明，灌注式半柔性混合料试样的磨损损失率较普通沥青混合料高出近10倍。这可能是因为灌注式半柔性混合料存在沥青-矿料、沥青-水泥浆、水泥浆-矿料三处薄弱的界面，导致质量损失率更大。周亮[34]则认为，采用沥青混合料的耐磨性评价标准，则会低估灌注式半柔性混合料的耐磨性能，因此参照《公路工程水泥混凝土试验规程》进行耐磨性测试，研究表明，灌注式半柔性混合料具有良好的耐磨性能。磨耗试验如图4所示。

2.5.2耐油性及耐火性

灌注式半柔性混合料被耐油侵蚀的水泥浆体包裹，表现出优越的耐油侵蚀性。研究表明，在汽油中浸泡24h后，灌注式半柔性混合料的残留稳定度比AC-16沥青混合料约高54%[2]。Bharath等[7]采用间接拉伸强度试验对比了在柴油中浸泡过24h的灌注式半柔性混合料及普通沥青混合料的耐油侵蚀性，结果表明半柔性混合料的耐油侵蚀性提升44.12%。

目前，公路隧道大多采用沥青路面铺装为主。但由于沥青具有可燃性，封闭的隧道空间在发生火灾时极易导致沥青路面的燃烧，伴随大量有毒有害烟气[48，49]。而灌注式半柔性混合料表层被阻燃、防火、耐高温的水泥浆体包裹，相较于普通沥青路面，其耐火性能更加优良，因此更加适用于公路隧道路面铺装[8]。

3、性能影响因素

3.1基体沥青混合料空隙率

灌注式半柔性混合料的高温稳定性[16]、水稳定性[2]、疲劳性能[2，15，16]和抗滑性[47]均随着基体沥青混合料的空隙率增大而增强，但是均存在一个最佳空隙率。研究表明，为更好保证半柔性混合料的高温稳定性，基体沥青混合料设计空隙率宜在25%以上[16]。尹航[47]则认为，随着空隙率的增大，灌注式半柔性混合料粗糙程度越大，抗滑性能越强，空隙率和摆值关系曲线如图5所示。

当基体沥青混合料的空隙率约为21%时，灌注式半柔性混合料的水稳定性能够满足不同气候地区的设计要求[29]。而空隙率在25%左右时，其水稳定性最佳[40，41，47]，这主要是由于基体沥青混合料设计空隙率越大，灌入的水泥浆量就越多，残余空隙率就越少，半柔性混合料的水稳定性越好[2]。空隙率过大，容易导致基体沥青混合料中封闭空隙增多(水泥浆难以填充封闭空隙)，进而增加了半柔性混合料的残余空隙率，降低了水稳定性。空隙率和残留稳定度关系如图6所示。

基体沥青混合料空隙率也是影响灌注式半柔性混合料疲劳性能的重要因素之一，当基体沥青混合料的空隙率在26%左右时，灌注式半柔性混合料的疲劳性能最佳[50]。一方面，这是由于灌入的水泥胶浆量越多，半柔性混合料的刚性就越大，在相同的应力水平作用下，梁底的弯拉应变减小，其达到破坏时的荷载作用次数增加，从而导致材料的疲劳寿命增大[2]；另一方面，增加基体沥青混合料的空隙率，可以在一定程度上降低由于干缩导致的材料开裂，减少了微裂纹的数量[15]。

值得注意的是，研究人员对基体沥青混合料空隙率对灌注式半柔性混合料低温性能影响进行了大量研究，但空隙率影响规律及最佳空隙率的推荐值并不相同。如程磊[40]和郝培文[2]认为灌注式半柔性混合料的低温抗裂性能随着基体沥青混合料空隙率增大而逐渐衰减，空隙率在21%左右时，能达到最佳低温抗裂性能。而黎侃[15]则认为灌注式半柔性混合料的低温抗裂性能随着基体沥青混合料空隙率增大呈现出先增大后减小的趋势，且空隙率在25%左右时，既能保证灌注式半柔性混合料的灌注质量，又能达到最佳低温抗裂性能。

综合来看，受不同沥青种类、不同集料、不同级配和不同灌浆料的影响，基体沥青混合料最佳空隙率没有固定值，一般建议控制基体沥青混合料的空隙率在23%-25%之间[9，10，16，51]，但在实际使用时应通过实验确定最佳空隙率，使得灌注式半柔性混合料达到最佳路用性能。

3.2界面粘结强度

界面强度是影响复合材料性能的重要因素之一。灌注式半柔性混合料作为一种三相复合材料(沥青相、集料相和水泥相)，存在沥青-矿料界面、沥青-水泥砂浆界面和水泥砂浆-矿料界面。其中，沥青-水泥砂浆界面强度是影响灌注式半柔性混合料水稳定性[32]、低温抗裂性[9]和疲劳性能[13]的最主要界面之一。在冻融循环劈裂试验、低温抗裂性能试验及疲劳试验中，裂缝大多沿着沥青-水泥砂浆界面不断扩展[11，13]，如图2所示。这主要是由于水泥与沥青混合料弹性模量相差较大，两相变形不协调导致的[52]。因此，有必要通过增强界面的粘结性能以提高灌注式半柔性混合料的路用性能。

研究表明，在灌浆料中掺加乳化沥青可显著提高灌注式半柔性混合料的水稳定性[35]、抗高温变形能力[47]、抗低温开裂能力[53]和抗疲劳开裂能力[52]。同样，在灌浆料中掺加聚合物类型改性剂也能起到增强灌注式半柔性混合料路用性能的作用[2，32，40，46]。这主要是由于乳化沥青和聚合物类型改性剂在提高水泥-沥青混合料界面的粘结性能的同时，还能够降低水泥浆体的刚性，使得水泥砂浆与沥青混合料的刚柔比适中，变形更加协调。此外，掺入纤维也可有效提高集料-沥青和水泥-沥青界面粘结强度，进而提高灌注式半柔性混合料路用性能[16]。首先，纤维能起到良好的桥接加筋作用，可有效防止裂纹扩展；其次，灌注式半柔性混合料内部应力可通过在纤维空间网络的传递的方式均匀分散，进而阻止或减少矿料间的相对滑移[54，55]。值得注意的是，纤维的掺配方式分为：双掺法(混合料和灌浆料中)、单掺法(混合料中)，不同掺入方式制备的灌注式半柔性混合料路用性能影响并不显著，纤维双掺法制备的灌注式半柔性混合料的残留稳定度、摆值、动稳定度、马歇尔稳定度与单掺纤维相比分别增加了0.87%、-0.12%、0.29%、9.13%[47]，如图7所示。

3.3试验温度及沥青类型

除基体沥青混合料空隙率和界面强度外，试验温度和沥青类型也会对灌注式半柔性混合料路用性能产生影响。随着试验温度的升高，灌注式半柔性混合料的耐磨性和抗车辙性能均逐渐下降，但均满足规范要求，仍具有良好的耐磨性和抗车辙能力；抗水损坏能力和低温劈裂抗拉强度则随着试验温度的升高呈现出先增大后减小的趋势，在45℃时表现出最佳水稳定性，在-10℃左右劈裂抗拉强度达到峰值[34]。试验温度对灌注式半柔性混合料的路用性能影响如图8所示。

赵国强等[56]的研究表明，沥青类型对灌注式半柔性混合料的低温抗裂性能影响较大，其低温抗裂性能优劣顺序为：高粘改性沥青＞橡胶沥青SBS改性沥青＞基质沥青；而不同种类沥青制备的灌注式半柔性混合料的高温抗车辙与水稳定性能均远超普通沥青混合料，因此，在仅考虑高温稳定性和水稳定性时，无需考虑沥青种类；而在考虑低温抗裂性能时应采用改性沥青。

4、结论

分析了灌注式半柔性混合料强度形成机理，综述了灌注式半柔性混合料路用性能评价方法，并探讨了路用性能影响因素，得出以下结论：

(1)灌注式半柔性混合料强度形成主要源于基体沥青混合料骨架强度、水泥结石体强度和界面粘结强度，但这种特殊多相复合材料的强度机理还有待明晰。

(2)灌注式半柔性混合料路用性能评价大多沿用沥青混合料的测试方法，存在试验方法不适用、评价指标不统一等亟待解决的问题，在疲劳和低温性能方面尤为突出。

(3)基体沥青混合料的空隙率、沥青-水泥砂浆界面粘结强度、试验温度和沥青性质是影响灌注式半柔性混合料路用性能的主要因素。采用纤维、乳化沥青、粉煤灰、膨胀剂、聚合物等对灌浆材料进行改性、选择适宜的基体沥青混合料空隙率可有效提高灌注式半柔性混合料的路用性能。