水基聚合物穩(wěn)定碎石路用性能研究

查睿， 趙延慶*， 付國(guó)志， 董冠一

(1.大連理工大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院， 遼寧 大連 116024； 2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院)

水基聚合物材料SRX(Solifix romix 以下簡(jiǎn)稱SRX)是以多種壓力敏感性樹脂、高強(qiáng)抗老化樹脂聚合而成的特殊聚合物溶液，是水泥和瀝青之外另一種重要的道路膠結(jié)材料。SRX材料可溶于水并以水為傳導(dǎo)媒介均勻分散到穩(wěn)定材料表面，經(jīng)有效壓實(shí)和水分揮發(fā)過程，在固體材料顆粒表面形成有機(jī)黏膜，利用顆粒間的嵌擠作用形成膠結(jié)整體。SRX穩(wěn)定碎石材料主要用于瀝青面層的下承層，屬于柔性基層。SRX穩(wěn)定碎石基層對(duì)上層傳遞來的荷載分散，保證其結(jié)構(gòu)不受破壞，相比于半剛性基層，避免了頻繁的路基路面維修，大大降低了養(yǎng)護(hù)成本。

目前國(guó)內(nèi)外專家對(duì)SRX穩(wěn)定材料進(jìn)行了一定的研究。蔣應(yīng)軍等采用垂直振動(dòng)法成型試件，并研究了SRX穩(wěn)定碎石含水率的變化規(guī)律與含水率對(duì)穩(wěn)定碎石干化抗壓強(qiáng)度的影響；張敏江等在分析SRX穩(wěn)定基層材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，研究了SRX柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的規(guī)律，并驗(yàn)證SRX穩(wěn)定材料作為路面基層的可行性；袁素平等結(jié)合SRX穩(wěn)定材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用，對(duì)SRX穩(wěn)定材料的施工工藝和造價(jià)進(jìn)行了研究；Iyengar等研究了SRX穩(wěn)定碎石基層的物理、化學(xué)及機(jī)械碾壓特性，并通過實(shí)際工程狀況對(duì)SRX穩(wěn)定基層進(jìn)行了可行性分析；Tandon等研究了SRX材料的技術(shù)特性并在沙漠地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用。由于SRX穩(wěn)定碎石在道路工程中還未得到廣泛應(yīng)用，其路用性能還未得到研究人員的充分認(rèn)識(shí)。鑒于此，該文對(duì)不同摻量的SRX穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能以及0.5%SRX摻量下SRX穩(wěn)定碎石的收縮特性、高溫穩(wěn)定性和抗水損害性能進(jìn)行研究，為SRX穩(wěn)定碎石在道路工程的應(yīng)用推廣提供參考。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用SRX溶液為Soilfix VR4，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及檢測(cè)結(jié)果見表1。集料選用灰?guī)r，粗集料壓碎值為13.4%，粗、細(xì)集料及礦粉的相對(duì)密度見表2。

表1 SRX溶液檢測(cè)結(jié)果

表2 各檔集料相對(duì)密度

依據(jù)JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》確定SRX級(jí)配碎石的顆粒組成范圍，SRX穩(wěn)定碎石的級(jí)配曲線如圖1所示。依據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》擊實(shí)試驗(yàn)方法，擊實(shí)曲線如圖2所示，由圖2可以確定SRX穩(wěn)定碎石的最佳含水量為4.1%，最大干密度為2.318 g/cm3。

圖1 SRX穩(wěn)定碎石級(jí)配

圖2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2 SRX穩(wěn)定碎石的路用性能

2.1 SRX穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)和加州承載比(CBR)是道路材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)，其中，CBR是柔性基層瀝青路面設(shè)計(jì)最重要的設(shè)計(jì)和驗(yàn)收指標(biāo)。為了研究SRX穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能，采用靜壓法制備不同SRX摻量的試件，SRX摻量分別為0.5%、1.0%和1.5%(質(zhì)量比)，分別在齡期為7、28、90和180 d下進(jìn)行UCS試驗(yàn)和CBR試驗(yàn)。

2.1.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

UCS試驗(yàn)根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，試件尺寸為φ150 mm×150 mm，壓實(shí)度為100%，試件制備完成后放入養(yǎng)生室養(yǎng)生，養(yǎng)生溫度為30 ℃。養(yǎng)生結(jié)束后，在常溫水中浸泡24 h，然后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

不同摻量的SRX穩(wěn)定碎石的UCS與齡期的相關(guān)方程和相關(guān)系數(shù)如圖3所示。

圖3 UCS與齡期的關(guān)系曲線

由圖3可以看出:SRX穩(wěn)定碎石USC與養(yǎng)生齡期具有較好的相關(guān)性，UCS與養(yǎng)生齡期呈對(duì)數(shù)關(guān)系。在同一SRX摻量下，UCS隨齡期的增加而逐漸增長(zhǎng)，在0～28 d內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，而后隨著試件內(nèi)水分的蒸發(fā)，含水率的降低，強(qiáng)度趨于平穩(wěn)，增幅變小。在7～28 d養(yǎng)生齡期內(nèi)，當(dāng)SRX摻量為0.5%～1.5%(以0.5%步長(zhǎng)增長(zhǎng))時(shí)，SRX穩(wěn)定碎石的UCS分別增長(zhǎng)了42.74%、20.24%、12.16%，說明在7～28 d養(yǎng)生齡期內(nèi)，隨SRX摻量的增加，養(yǎng)生齡期對(duì)SRX穩(wěn)定碎石UCS影響逐漸減少。

SRX穩(wěn)定碎石的UCS與SRX摻量的相關(guān)方程和相關(guān)系數(shù)如圖4所示。

圖4 UCS與SRX摻量的關(guān)系曲線

由圖4可以看出：UCS隨SRX摻量的增加近似線性增加，其中當(dāng)養(yǎng)生齡期為7 d時(shí)，UCS與SRX摻量的相關(guān)方程斜率最大，即UCS隨SRX摻量的增加幅度最大，表明在養(yǎng)生初期，SRX摻量對(duì)UCS的影響較大。

2.1.2 CBR試驗(yàn)

CBR試驗(yàn)根據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。試件尺寸為φ150 mm×120 mm，壓實(shí)度為100%，試件制備完成后放入養(yǎng)生室養(yǎng)生，養(yǎng)生溫度為50 ℃，養(yǎng)生結(jié)束后，在常溫水中浸泡96 h，然后進(jìn)行CBR試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，對(duì)于極重、特重交通下的高速公路，級(jí)配碎石基層的CBR值大于200%。由表3可知：不同SRX摻量的穩(wěn)定碎石CBR值均大于250%。由此可見，SRX穩(wěn)定碎石可以滿足各交通等級(jí)下的CBR值要求。

表3 CBR試驗(yàn)結(jié)果

圖5為SRX穩(wěn)定碎石的CBR值與養(yǎng)生齡期的相關(guān)曲線。

圖5 CBR值與齡期的關(guān)系曲線

由圖5可見：與UCS相同，CBR值與養(yǎng)生齡期也呈對(duì)數(shù)關(guān)系，在同一SRX摻量下，SRX穩(wěn)定碎石的CBR值隨養(yǎng)生齡期的增加而逐漸增加。在0～28 d，CBR值增長(zhǎng)速率最快，28 d后CBR值逐漸趨于穩(wěn)定。在7～28 d養(yǎng)生齡期內(nèi)，當(dāng)SRX摻量為0.5%～1.5%(以0.5%步長(zhǎng)增長(zhǎng))時(shí)，SRX穩(wěn)定碎石的CBR值分別增加了14.39%、17.37%、19.9%，說明在7～28 d養(yǎng)生齡期內(nèi)，隨著SRX摻量的增加，SRX穩(wěn)定碎石CBR值越來越受到齡期的影響。

圖6為SRX穩(wěn)定碎石的CBR值與 SRX摻量的相關(guān)曲線。

圖6 CBR值與摻量的關(guān)系曲線

由圖6可知：與UCS不同，CBR值并不隨SRX摻量的增加而增加，在同一養(yǎng)生齡期下，CBR值隨SRX摻量的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)SRX摻量大于1%時(shí)，CBR值隨SRX摻量的增加而降低。由此可以看出，SRX穩(wěn)定碎石的摻量并非越高強(qiáng)度越大，在實(shí)際工程中應(yīng)該結(jié)合不同施工路段的情況確定最佳摻入量。

2.2 SRX穩(wěn)定碎石收縮特性

試驗(yàn)從干縮和溫縮兩個(gè)方面研究SRX穩(wěn)定碎石的收縮特性。試驗(yàn)試件采用靜壓法成型，壓實(shí)度為100%，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，SRX原液的推薦添加量為0.5%(質(zhì)量比)，試件制備完成后放入養(yǎng)生室，養(yǎng)生溫度為30 ℃，養(yǎng)生期為7 d，養(yǎng)生結(jié)束后在常溫下浸泡24 h，然后進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.1 干縮試驗(yàn)

干縮試驗(yàn)依據(jù)JTG E51—2009)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖7和表4所示。

圖7 SRX穩(wěn)定碎石干縮試驗(yàn)結(jié)果

表4 SRX穩(wěn)定碎石干縮試驗(yàn)最大值

由圖7所示：失水率、干縮量和干縮應(yīng)變隨齡期的增加均呈上升趨勢(shì)，在初始6 d內(nèi)，失水率、干縮量及干縮應(yīng)變均急劇上升，在6～17 d齡期內(nèi)均開始趨于平穩(wěn)，30 d后失水率、干縮量以及干縮應(yīng)變基本不變。干縮系數(shù)隨齡期增加而減小，在初始6 d內(nèi)由最大值114.594 5(×10-6)降至55.485 6(×10-6)，7～30 d齡期內(nèi)干縮系數(shù)下降速率減緩，逐漸開始保持穩(wěn)定，30 d之后干縮系數(shù)基本不變。

沙慶林指出，水泥穩(wěn)定類半剛性材料的干縮系數(shù)一般為19.1×10-5～64.9×10-5，而SRX材料的干縮系數(shù)為5.05×10-5～11.4×10-5，干縮系數(shù)遠(yuǎn)小于水泥穩(wěn)定類半剛性材料，說明SRX穩(wěn)定碎石的抗失水收縮性能較強(qiáng)。SRX穩(wěn)定碎石在6 d左右干縮變化逐漸穩(wěn)定，并且在7～30 d內(nèi)的干縮應(yīng)變上升幅度較小，說明SRX基層在養(yǎng)生期之后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)收縮變形不大。

2.2.2 溫縮試驗(yàn)

溫縮試驗(yàn)依據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料溫縮

由表5可以看出：在-20～20 ℃，收縮變形隨溫度降低而逐漸增大，且在-10～-20 ℃區(qū)間收縮變形最大。沙慶林指出水泥類半剛性材料的溫縮系數(shù)為8×10-6～13×10-6，而SRX穩(wěn)定碎石材料則為2.99×10-6～4.73×10-6，在相同溫度下，SRX穩(wěn)定材料的溫縮系數(shù)遠(yuǎn)低于水泥穩(wěn)定半剛性穩(wěn)定材料。由此可見，SRX穩(wěn)定碎石材料具備良好的抗低溫收縮開裂性能。

2.3 SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗(yàn)對(duì)SRX穩(wěn)定碎石的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。車轍試驗(yàn)依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。SRX原液的推薦添加量為0.5%(質(zhì)量比)，采用輪碾法成型300 mm×300 mm×100 mm的板塊狀試件。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 SRX穩(wěn)定碎石車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度值

由表6可知：當(dāng)輪壓為0.7 MPa時(shí)，SRX穩(wěn)定碎石的動(dòng)穩(wěn)定度為35 000次/mm以上，當(dāng)輪壓增加到1.4 MPa時(shí)，SRX穩(wěn)定碎石的動(dòng)穩(wěn)定度為14 000次/mm以上，均大于JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)各類瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的要求值。由此可知，采用SRX穩(wěn)定碎石具有良好的高溫穩(wěn)定性，可有效減少和控制路面車轍的產(chǎn)生。

2.4 SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石抗水損害性能

道路材料的抗水損害性能評(píng)價(jià)常采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，然而浸水馬歇爾試驗(yàn)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度殘留度達(dá)到100%以上的情況，故該文采用凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)SRX穩(wěn)定碎石的抗水損害性能。凍融劈裂試驗(yàn)依據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。采用靜壓法成型φ150 mm×150 mm的圓柱體試件，壓實(shí)度為100%，依據(jù)相關(guān)規(guī)范，SRX原液的推薦添加量為0.5%(質(zhì)量比)，養(yǎng)生28 d，采用5次凍融循環(huán)方式。結(jié)果顯示:0.5%摻量的SRX穩(wěn)定碎石的殘留強(qiáng)度比(TSR)達(dá)到了88%，對(duì)比JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)各類瀝青混合料TSR要求，SRX穩(wěn)定碎石具有良好的抗水損害性能。

3 結(jié)論

(1) SRX穩(wěn)定碎石的UCS與養(yǎng)生齡期呈對(duì)數(shù)關(guān)系。在同一SRX摻量下，UCS隨齡期的增加而逐漸增長(zhǎng)，在0～28 d齡期內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，而后強(qiáng)度趨于平穩(wěn)，增幅變小；UCS隨SRX摻量的增加近似線性增加。

(2) 不同SRX摻量的穩(wěn)定碎石的CBR值均大于250%，SRX穩(wěn)定碎石可以滿足各交通等級(jí)下的CBR值要求。CBR值與養(yǎng)生齡期呈對(duì)數(shù)關(guān)系。在同一養(yǎng)生齡期下，CBR值隨SRX摻量的增加出現(xiàn)先增后降的情況，當(dāng)SRX摻量大于1%時(shí)，CBR值隨SRX摻量的增加而降低。SRX穩(wěn)定碎石的摻量并非越高強(qiáng)度越大，在實(shí)際工程中應(yīng)該結(jié)合不同施工路段的情況確定最佳摻入量。

(3) 在養(yǎng)生6 d后，SRX穩(wěn)定碎石的干縮變化趨于穩(wěn)定，在30 d后，干縮應(yīng)變基本不變；SRX穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)均遠(yuǎn)小于水泥穩(wěn)定類半剛性材料，具有良好的抗收縮性能。

(4) 輪壓為0.7 MPa和1.4 MPa時(shí)，SRX穩(wěn)定碎石的動(dòng)穩(wěn)定度均大于規(guī)范對(duì)各類瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的要求值，表明其具有良好的抗車轍能力；SRX穩(wěn)定碎石的殘留強(qiáng)度比(TSR)達(dá)到88%，具有良好的抗水損害性能。