水機(jī)聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量取值研究

朱洪洲，張新強(qiáng)，胡藍(lán)心，歐力，鄧穩(wěn)

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074)

半剛性基層整體性好、穩(wěn)定性高、抵抗變形能力強(qiáng)，是我國(guó)道路基層采用的主要形式。但在服役期間，半剛性基層路面容易產(chǎn)生反射裂縫、車轍和龜裂等早期病害，嚴(yán)重影響道路使用的耐久性。國(guó)外道路基層結(jié)構(gòu)多采用柔性基層，然而柔性基層由于強(qiáng)度低、易產(chǎn)生塑性變形等特點(diǎn)限制了其在特重交通條件下的應(yīng)用。

近年來(lái)，一種水基高分子聚合物(SRX)廣泛使用在國(guó)外道路工程中作為路用穩(wěn)定劑。SRX材料是由多種特殊壓力敏感性樹(shù)脂與高強(qiáng)度抗老化樹(shù)脂聚合而成，作為一種特殊路用聚合物溶液用于替代道路基層中的瀝青和水泥[1]，具有綠色環(huán)保、施工簡(jiǎn)單、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在道路基層使用能夠有效抑制反射裂縫、疲勞開(kāi)裂等問(wèn)題[2-4]。趙偉等[5]通過(guò)研究SRX穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律，指出SRX穩(wěn)定碎石具有優(yōu)異的高溫性能。張敏江等[6]通過(guò)研究SRX柔性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特征，為SRX柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。薛金順等[7]通過(guò)室內(nèi)垂直振動(dòng)法研究了SRX穩(wěn)定碎石強(qiáng)度及其影響因素，并建立各強(qiáng)度之間的關(guān)系。朱洪洲等[8]研究了SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石強(qiáng)度影響因素，并進(jìn)行了試驗(yàn)路鋪設(shè)。但SRX水基聚合物材料不同于以往的水泥、瀝青等傳統(tǒng)道路建設(shè)材料，故其作為道路結(jié)構(gòu)層的材料性能參數(shù)還需進(jìn)一步進(jìn)行探究。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，采用動(dòng)三軸儀器，對(duì)SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石的動(dòng)態(tài)模量及其影響因素進(jìn)行探究，為其進(jìn)一步在道路工程中理論研究及工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

SRX聚合物溶液，Romix International Ltd.生產(chǎn)，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；粗、細(xì)集料采用云南省隴川縣生產(chǎn)的花崗巖，技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表2、表3；填料，花崗巖礦粉。

表1 SRX聚合物技術(shù)指標(biāo)

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

UTM-100通用材料試驗(yàn)機(jī)。

1.2 級(jí)配

級(jí)配設(shè)計(jì)參考《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/TF 20—2015)[9]，分別選擇最大粒徑26.5 mm為Ⅰ型級(jí)配，最大粒徑31.5 mm為Ⅱ型級(jí)配。礦料設(shè)計(jì)級(jí)配見(jiàn)表4。

表4 礦料設(shè)計(jì)級(jí)配

室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)求得Ⅰ型級(jí)配最大干密度為2.396 g/cm3，最佳含水量為3.84%；Ⅱ型級(jí)配分別為2.399 g/cm3和3.77%。

1.3 試件制備及養(yǎng)護(hù)

試件為直徑100 mm、高200 mm的圓柱形。為防止試件成型過(guò)程中撓動(dòng)引起試件內(nèi)部產(chǎn)生損傷，首先在對(duì)開(kāi)圓形試模內(nèi)套一較厚乳膠薄膜，然后將拌合均勻的SRX聚合物碎石材料分5次倒入試模，并振實(shí)。為避免產(chǎn)生離析，每一層材料倒入試模前，對(duì)前層壓實(shí)平面進(jìn)行拉毛處理。試件成型后，為防止試件漏氣漏水，試件裝入壓力室之前再在試件外套一較薄乳膠膜。試件成型按Ⅰ、Ⅱ型級(jí)配分兩組，每組五個(gè)試樣。試件成型后參照Romix International Ltd.公司養(yǎng)護(hù)條件指標(biāo)，室外自然養(yǎng)護(hù)(平均氣溫35 ℃)2，6，10 d以及15 d，進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)研究。試驗(yàn)儀器裝置見(jiàn)圖1。

圖1 UTM-100動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)

該試驗(yàn)設(shè)備由計(jì)算機(jī)控制的電液伺服加載系統(tǒng)與氣動(dòng)圍壓控制，荷載波形由計(jì)算機(jī)精確控制，系統(tǒng)自動(dòng)采集變形數(shù)據(jù)。

1.4 動(dòng)三軸彈性模量試驗(yàn)

1.4.1 加載波形、脈沖時(shí)間及頻率 動(dòng)三軸模量試驗(yàn)中加載波形與持續(xù)時(shí)間應(yīng)盡可能地與道路實(shí)際狀態(tài)一致。車輛荷載作用于路面時(shí)，輪跡及周邊一定范圍內(nèi)受到動(dòng)應(yīng)力作用。本文的動(dòng)三軸模量試驗(yàn)加載波形、脈沖時(shí)間與頻率綜合參考何兆益等[10]在級(jí)配碎石動(dòng)三軸的試驗(yàn)研究選取。豎向應(yīng)力采用半正弦矢波脈沖動(dòng)偏應(yīng)力，偏應(yīng)力加載持續(xù)時(shí)間為 0.1 s，間歇時(shí)間為0.9 s，加載頻率為60次/min。

1.4.2 應(yīng)力施加序列 參照規(guī)范Base/Subbase material(AASHTO T294)[11]中基層材料動(dòng)態(tài)回彈模量測(cè)試方法選擇加載序列，加載頻率為1 Hz，15個(gè)周期循環(huán)，但是考慮到在較大的循環(huán)垂直應(yīng)力作用下，SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石試件容易發(fā)生剪脹破壞。因此，調(diào)節(jié)試驗(yàn)加載序列，在相同圍壓下，降低軸偏壓力，以保證試驗(yàn)過(guò)程中試件的完整性。試驗(yàn)應(yīng)力施加順序見(jiàn)表5。

表5 動(dòng)三軸加載順序

2 結(jié)果與討論

根據(jù)上述的動(dòng)三軸試驗(yàn)應(yīng)力施加順序，分別在98%壓實(shí)度，最佳含水率條件下，對(duì)不同級(jí)配、四種SRX摻量(0，0.25%，0.5%，0.75%)和不同養(yǎng)護(hù)齡期(2，6，10，15 d)的成型試件進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)動(dòng)態(tài)模量的影響

圖2為不同SRX摻量的最大粒徑26.5 mm穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系。

圖2 不同SRX摻量下SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系圖

由圖2可知，在SRX摻量相同的條件下，當(dāng)養(yǎng)護(hù)條件相同時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石的動(dòng)態(tài)回彈模量逐漸增大，但養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到10 d后，增加幅度逐漸減緩，而后趨近于穩(wěn)定，甚至下降。分析其原因，由于SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石表面水分揮發(fā)后，碎石表面形成一層有機(jī)黏膜，養(yǎng)護(hù)前期大部分水分附著于試件表面，水分揮發(fā)后提升級(jí)配碎石強(qiáng)度。而在養(yǎng)護(hù)后期，試件整體殘余水分較少且均在集料內(nèi)部，導(dǎo)致強(qiáng)度增長(zhǎng)速率減緩。同時(shí)，不同SRX聚合物摻量下的SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量的變化趨勢(shì)相同，增長(zhǎng)趨勢(shì)相似。分析動(dòng)態(tài)回彈模量增長(zhǎng)趨勢(shì)，動(dòng)態(tài)回彈模量可分為三個(gè)階段：緩慢增長(zhǎng)階段、急劇增長(zhǎng)階段、穩(wěn)定階段，且基本均在養(yǎng)護(hù) 10～12 d 時(shí)達(dá)到回彈模量最大值。

2.2 級(jí)配與SRX摻量對(duì)動(dòng)態(tài)模量的影響

2.2.1 級(jí)配對(duì)動(dòng)態(tài)模量的影響 分別制作壓實(shí)度為98%，SRX摻量為0，0.25%，0.5%，0.75%的φ100 mm×200 mm試件，在自然養(yǎng)護(hù)10 d的條件下，將兩種不同級(jí)配的試件分別進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，加入SRX聚合物，能夠明顯提升級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量。主要是由于SRX聚合物溶于水，并以水為傳導(dǎo)媒介，使其均勻裹附在集料表面，經(jīng)過(guò)振動(dòng)壓實(shí)以及水分的蒸發(fā)，在集料表面形成一層有機(jī)黏膜，將集料相互膠結(jié)，從而增加了其動(dòng)態(tài)回彈模量。SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量隨著圍壓的增大而逐漸增大。圍壓相同時(shí)，Ⅰ型級(jí)配碎石的動(dòng)態(tài)回彈模量大于Ⅱ級(jí)配碎石。由于Ⅰ型級(jí)配中粗、細(xì)集料分布比較均勻，其中粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)，而又有細(xì)集料填充到粗集料形成的骨架之中，形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，抵抗外界荷載能力更強(qiáng)。這也驗(yàn)證了我國(guó)目前高等級(jí)公路基層將Ⅰ型級(jí)配作為首選級(jí)配。

圖3 SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石回彈模量與圍壓關(guān)系

2.2.2 SRX摻量對(duì)動(dòng)態(tài)模量的影響 分別選擇級(jí)配最大粒徑為31.5 mm和最大粒徑為26.5 mm，在壓實(shí)度為98%，分別按照摻量0，0.25%，0.5%和0.75%四種SRX摻量制作試件，采用動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)探究不同SRX摻量對(duì)級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量的影響，結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知，SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量增幅明顯，當(dāng)SRX聚合物溶液摻量為0.25%時(shí)，Ⅰ型穩(wěn)定級(jí)配碎石相對(duì)于未摻加SRX聚合物溶液的級(jí)配碎石，動(dòng)態(tài)回彈模量平均增幅為78.16%，而Ⅱ型穩(wěn)定級(jí)配碎石平均增幅達(dá)到102.44%，表明加入SRX聚合物能夠明顯提高級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量。SRX聚合物溶液摻量從0.5%增加到0.75%時(shí)，動(dòng)態(tài)回彈模量增幅減緩，這是由于過(guò)多的SRX聚合物溶液并不能與碎石完全結(jié)合，在振動(dòng)成型過(guò)程中可能會(huì)有質(zhì)量的損失，并不能將其作用最大化。綜合比較不同摻量對(duì)級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量的影響，當(dāng)SRX聚合物摻量為0.5%時(shí)，兩種最大粒徑的SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量均較大，考慮道路基層的服役壽命與工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石中SRX最優(yōu)摻量為0.5%。

表6 不同SRX聚合物摻量穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量變化率

2.3 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)動(dòng)態(tài)模量的影響

級(jí)配碎石具有應(yīng)力依賴特性，圖4為在自然養(yǎng)護(hù)10 d條件下，三種不同SRX摻量的聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量隨體應(yīng)力變化趨勢(shì)。

圖4 SRX穩(wěn)定碎石(級(jí)配Ⅰ)體應(yīng)力與動(dòng)態(tài)回彈模量關(guān)系

由圖4可知，SRX聚合物級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量隨著體應(yīng)力的增大而增大，且隨著圍壓的增加，動(dòng)態(tài)回彈模量也增大，說(shuō)明SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石具有一定的應(yīng)力依賴性。不同粒徑的級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量的變化趨勢(shì)相似。當(dāng)圍壓較低時(shí)，動(dòng)態(tài)模量受體應(yīng)力的影響更為顯著；同時(shí)，當(dāng)圍壓和體應(yīng)力相同時(shí)，隨著SRX摻量的增加動(dòng)態(tài)回彈模量逐漸增大。因此，SRX聚合物作為半結(jié)合層材料，對(duì)應(yīng)力狀態(tài)十分敏感，其動(dòng)態(tài)回彈模量受應(yīng)力狀態(tài)不同而顯著變化。

3 結(jié)論

(1)SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，推薦通過(guò)自然養(yǎng)護(hù)10 d得到的動(dòng)態(tài)模量值作為設(shè)計(jì)值。

(2)SRX聚合物作為半結(jié)合層材料，能夠有效粘附級(jí)配碎石，提高力學(xué)性能，當(dāng)SRX聚合物摻量為0.25%時(shí)，級(jí)配Ⅰ相對(duì)于不摻加SRX聚合物溶液的級(jí)配碎石，動(dòng)態(tài)回彈模量平均增幅為78.16%，而級(jí)配Ⅱ平均增幅達(dá)到102.44%。

(3)當(dāng)圍壓增加時(shí)，SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量均增加，并表現(xiàn)出明顯的非線性特性;但是，隨著SRX聚合物摻量的不同，動(dòng)態(tài)回彈模量隨圍壓增加而增大的幅度又有所不同，考慮工程的經(jīng)濟(jì)性，推薦SRX聚合物最佳摻量為0.5%。

(4)當(dāng)圍壓不變時(shí)，SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量隨著體應(yīng)力的增大而增大，SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石具有較強(qiáng)的應(yīng)力依賴性。

(5)綜合0.5%SRX摻量、自然養(yǎng)護(hù)10 d、不同應(yīng)力狀態(tài)下的SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量，作為瀝青路面基層，建議SRX聚合物級(jí)配碎石彈性模量取300～750 MPa。