SRX聚合物級配碎石強度特性分析

何麗紅，馬悅帆，鄧 穩(wěn),2，朱洪洲，郝增恒

(1. 重慶交通大學 材料科學與工程學院，重慶 400074； 2. 重慶市設計院有限公司，重慶 400010；3. 重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400060)

SRX(solution road soilfix)聚合物材料是Romix公司研發(fā)的一種新型路用穩(wěn)定劑，旨在確保30年乃至更長時間內道路基層不被破壞。該聚合物材料是由多種壓力敏感性樹脂和高強抗老化樹脂混合而成的共聚物溶液，主要有效成分為聚甲基丙烯酸乙酯[—(CH2CCH2-COOCH2CH3)n—]，具有較強的耐高溫性能[1-2]。該材料在技術品質、適用條件、施工工藝及綜合經濟造價等方面均具有突出的優(yōu)勢與創(chuàng)新性，主要用于瀝青路面的中、下面層和基層，形成全厚式強而韌結構的長壽命瀝青道路[3-5]。

已有研究表明：SRX聚合物路基土壤較傳統(tǒng)標準硅酸鹽水泥穩(wěn)定土壤工程性能更優(yōu)，且可顯著降低路基的車轍病害。疲勞試驗顯示：經過700萬次循環(huán)負載，SRX聚合物基層沒有損害，該指標是水泥穩(wěn)定材料的100倍。工程實踐證明：SRX水基聚合物材料可作為柔性基層材料，還可應用于沙漠地區(qū)[6]；朱洪洲等[7]通過室內CBR試驗得出，隨著SRX摻量增加，SRX聚合物穩(wěn)定級配碎石CBR值增幅依次為D19.0 mm>D31.5 mm>D26.5 mm；張敏江等[8]通過CBR試驗和抗壓回彈模量試驗得出，當SRX溶液摻量為0.50%時，天然砂礫CBR值為227.85%，回彈模量為520 MPa；試驗路檢測結果表明，SRX聚合物穩(wěn)定基層可有效防治反射裂縫；薛金順等[9]通過垂直振動儀成型SRX聚合物級配碎石試件，發(fā)現(xiàn)其力學性能均隨SRX摻量增加而增大，但隨著摻量增加，增大幅度會下降。

鑒于此，筆者采用CBR試驗研究SRX聚合物級配碎石強度特性，分析其關鍵影響因素，為SRX聚合物柔性基層的應用提供試驗基礎和理論依據。

1 試 驗

1.1 原材料

SRX聚合物由Romix International Ltd.公司生產，密度為1.02 g/cm3，固含量為29.76%，黏稠度為85 MPa·s，pH值為8，沸點為97.0 ℃，與水完全互溶。

集料和石灰?guī)r均由重慶奉節(jié)縣富家溝石灰?guī)r開采有限公司提供。按粒徑大小分為4檔，分別為20～30、10～20、5～10、0～5 mm，各項技術指標均滿足規(guī)范要求。

1.2 配合比設計

1.2.1 級 配

選用JG(最大粒徑26.5 mm，D26.5 mm)和GM(最大粒徑31.5 mm，D31.5 mm)兩種級配，如表1。集料各項技術性能均符合JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》要求[10]。

表1 混合料級配Table 1 Mixture grading

1.2.2 SRX摻量

采用外摻法添加SRX聚合物，其摻量分別為0.25%、0.50%及0.75%；通過SRX聚合物級配碎石的CBR值確定SRX聚合物最佳摻量。

1.3 養(yǎng)生條件

SRX聚合物是一種水基材料，常溫下具有較好的流動性，可與集料直接拌和，自然養(yǎng)生即可形成強度。筆者參考土石材料風干室內試驗方法，根據道路施工實際環(huán)境條件及Romix International Ltd.公司養(yǎng)生條件指標，室外自然養(yǎng)生(平均氣溫約30 ℃)，養(yǎng)生齡期為2、6、10、15 d。

1.4 強度指標

SRX聚合物是由煤、石油和天然油類等材料提煉出的各類單體樹脂聚合成的棕灰色液體，其級配碎石類似冷拌瀝青混合料，均屬于柔性基層。我國柔性基層強度設計指標主要是參考加州承載比(CBR)值，故以CBR值作為SRX聚合物的評價指標[11-12]。筆者根據文獻[13-14]要求，依據高速公路、一級公路等柔性基層的特性，設定SRX聚合物級配碎石浸水4 d室內CBR值大于250%。

2 SRX聚合物級配碎石強度特性

2.1 壓實特性分析

SRX聚合物級配碎石壓突特性與混合料的密實度、強度密切相關[15]。參考文獻[16]，采用重型擊實方法獲得SRX聚合物級配碎石的最佳含水率與最大干密度。當SRX摻量為0.50%時，級配JG、GM的SRX聚合物級配碎石的含水率和干密度關系如圖1。

圖1 SRX聚合物級配碎石的含水率和干密度的關系Fig. 1 Relationship between moisture content and dry density ofSRX polymer graded crushed stone

由圖1可知：JG、GM混合料最佳含水率分別為3.84%、3.77%，最大干密度分別為2.396、 2.399 g/cm3。

2.2 CBR值關鍵影響因素

2.2.1 級 配

兩種級配(JG、GM)SRX聚合物級配碎石的CBR值見表2。

表2 SRX聚合物級配碎石CBR值Table 2 CBR value of SRX polymer graded crushed stone

由表2可看出：未摻SRX時，JG碎石力學性能較GM級配高，JG、GM碎石的CBR值分別為134%、118%。這是由于JG為連續(xù)密級配，粗、細集料搭配均勻，形成以粗集料嵌擠骨架、細集料填充空隙的骨架密實結構，具有較大的內摩擦力。

摻入SRX聚合物后，兩種級配CBR值均隨SRX摻量增加而增大，但增大幅度逐漸減小。在養(yǎng)生齡期和SRX摻量相同的條件下，JG的CBR值依然高于GM的，0.50%的SRX聚合物級配碎石自然養(yǎng)生10 d，JG、GM的CBR值分別為361%、345%，表明SRX聚合物可明顯改善不同級配碎石的強度特性，在工程實踐中可優(yōu)先選用JG級配。

2.2.2 SRX摻量

不同養(yǎng)生齡期下，SRX摻量與CBR值關系曲線如圖2。

圖2 SRX摻量與CBR值關系Fig. 2 Relationship between SRX content and CBR value

從圖2可看出：兩種級配的CBR值均隨SRX摻量增加而增大，因為SRX聚合物是一種水基聚合物，溶于水后會以水為載體，在集料間充分流動，會均勻分散到集料表面，經過重型擊實儀有效擊實，待水分蒸發(fā)后，集料之間形成有機黏膜將散粒集料牢固地黏結成整體，形成承載強度，使得CBR值增大；隨著SRX摻量增加，SRX聚合物級配碎石的CBR值增長幅度減緩，由于SRX聚合物具有水性特征，流動性較大，部分SRX聚合物未能充分分散到集料表面，且在拌和及擊實過程中有少量損失，強度增幅減緩。

2.2.3 養(yǎng)生齡期

道路基層的養(yǎng)生齡期是施工的關鍵，通過測試SRX聚合物級配碎石在不同養(yǎng)生齡期下的CBR值，分析其強度與養(yǎng)生齡期的發(fā)展規(guī)律，從而確定最佳養(yǎng)生齡期。SRX聚合物級配碎石CBR值與養(yǎng)生齡期關系曲線如圖3。

圖3 SRX聚合物級配碎石CBR值與養(yǎng)生齡期關系Fig. 3 Relationship between CBR value of SRX polymer gradedcrushed stone and curing age

從圖3可看出：SRX聚合物級配碎石的CBR值均隨養(yǎng)生齡期增長而增大。最佳含水率下成型的CBR試件呈潮濕狀態(tài)，經有效壓實后集料形成骨架嵌擠結構，同時隨著水分揮發(fā)，集料之間的有機黏膜結合更加牢固，因此具有較高的承載強度。隨著養(yǎng)生齡期增長，尤其是養(yǎng)生齡期10 d之后，SRX聚合物級配碎石的CBR值增長速率逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定。這是由于SRX聚合物級配碎石強度形成一部分依賴于水分揮發(fā)，養(yǎng)生前期相對含水率較高且大部分水富集在試件表面，水分揮發(fā)迅速，故CBR值增長較快；養(yǎng)生后期，試件殘余水分較少且大多水分在試件內部，水分揮發(fā)較慢，導致強度形成減緩；待水分完全揮發(fā)后，CBR值基本保持穩(wěn)定。

2.2.4 相對含水率

SRX聚合物級配碎石強度形成主要依靠有效壓實和水分揮發(fā)，其中試件中殘余含水率對其強度影響較大。SRX聚合物級配碎石養(yǎng)生齡期與相對含水率、泡水4 d的CBR值、干化CBR值關系如表3。

表3 不同養(yǎng)生齡期的SRX聚合物級配碎石CBR值和干化CBR值Table 3 CBR value of SRX polymer graded crushed stone and dried CBR value with different curing time

由表3可知：SRX聚合物級配碎石CBR試件相對含水率隨養(yǎng)生齡期增加，前期急劇減少，后期趨勢減緩。相對含水率減小過程中，R泡、R干均呈現(xiàn)增大趨勢，與此同時，CBR相對強度R泡/R干也逐漸增大但增幅減小，即R泡、R干差值減小。這是由于養(yǎng)生初期殘余含水率較大，SRX聚合物中有機輕質組分揮發(fā)慢，集料間形成的有機黏膜尚未牢固黏結，泡水4 d后，強度明顯下降，導致R泡/R干較??；養(yǎng)生后期，試件中水分減少，有機輕質組分幾乎完全揮發(fā)，有機黏膜有效黏結散粒集料，加強了混合料整體性能，水分對SRX聚合物級配碎石強度影響減小，因此R泡、R干差值相近[13]。

將級配JG、摻量0.50% SRX聚合物級配碎石的R泡/R干與Δω進行擬合，結果如圖4，擬合關系見式(1)，相關系數R2=0.989。R干可根據式(1)求出任意Δω下SRX聚合物級配碎石的R泡。

R泡/R干=-0.000 9Δω2-0.122 8Δω+89.136 2

(1)

圖4 相對含水率與CBR值相對強度擬合關系Fig. 4 Fitting relationship between relative water content andrelative strength of CBR value

2.3 SRX聚合物級配碎石間接抗拉強度

選用級配JG，最佳含水率3.84%，最大干密度2.396 g/cm3成型φ150 mm×150 mm圓柱形試件，自然條件養(yǎng)生10 d、浸水4 d后根據文獻[17]測定間接抗拉強度，結果如表4。

表4 SRX聚合物級配碎石間接抗拉強度Table 4 Indirect tensile strength of SRX polymer graded crushed stone

從表4可看出：SRX摻量為0.25%、0.50%、0.75%時，間接抗拉強度依次為0.24、0.32、0.37 MPa，SRX摻量從0.25%～0.50%、0.50%～0.75%的增幅依次為33.3%、15.6%，增幅有所降低。SRX聚合物在集料表面形成有機黏膜，改善了集料間的黏結力，從而提高了SRX聚合物級配碎石的間接抗拉強度。

3 結 論

1)0.50%的SRX摻量，級配JG、GM混合料最佳含水率分別為3.84%、3.77%，最大干密度依次為2.396、 2.399 g/cm3。

2)密級配JG的SRX聚合物級配碎石CBR值比間斷級配GM高；且隨著SRX摻量、養(yǎng)生齡期增加而增大，養(yǎng)生齡期達到10 d后增幅減小，之后保持穩(wěn)定；SRX聚合物級配碎石在JG、SRX摻量0.5%、自然養(yǎng)護10 d下浸水4 d的CBR值達到340%～370%，大于規(guī)范要求的250%。此外，SRX聚合物級配碎石間接抗強度亦隨著SRX摻量增加而增大。

3)依據SRX聚合物級配碎石相對含水率Δω與CBR相對強度R泡/R干變化規(guī)律，擬合出R泡/R干與Δω函數關系式，從而可由R干確定任意Δω下SRX聚合物級配碎石的R泡。