SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量影響因素研究

張新強(qiáng)，唐伯明,2，朱洪洲,2，歐 力

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)道路基層結(jié)構(gòu)大多選用半剛性基層，半剛性基層具有強(qiáng)度大、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。伴隨交通量的不斷增加，半剛性基層瀝青路面服役期間出現(xiàn)大量的早期病害，包括車轍、龜裂、反射裂縫等，嚴(yán)重影響行車舒適性與道路使用耐久性，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成極大損失。國(guó)外道路基層結(jié)構(gòu)多采用柔性基層，柔性基層瀝青路面能夠有效避免道路出現(xiàn)反射裂縫等早期病害。針對(duì)柔性基層在國(guó)內(nèi)道路工程中的應(yīng)用，研究者已做了大量研究[1-7]，然而柔性基層較低的強(qiáng)度與高昂的工程造價(jià)限制了其在國(guó)內(nèi)道路工程中的應(yīng)用。此外，瀝青與水泥材料屬于不可再生資源，為實(shí)現(xiàn)道路可持續(xù)發(fā)展，亟需開(kāi)發(fā)新型綠色環(huán)保材料用于道路建設(shè)。

為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用水基高分子聚合物(solution road soilfix，SRX)替代道路基層中水泥或?yàn)r青作為基層路用穩(wěn)定劑。SRX聚合物為外觀呈棕灰色的溶液，帶有輕微的刺激性氣味，主要成分為聚甲基丙烯酸乙酯(—[CH2CCH2—COOCH2CH3]n—)。與瀝青類熱塑性材料不同，SRX聚合物作為路用穩(wěn)定劑應(yīng)用于道路基層時(shí)，無(wú)需加熱可直接與基層材料常溫拌合，施工過(guò)程具有綠色環(huán)保、碳排放低的特點(diǎn)，將其用于道路基層時(shí)能夠有效增加基層材料強(qiáng)度，提升基層材料的耐久性能[8]。S.R.LYENGAR等[9]對(duì)比研究了SRX聚合物與硅酸鹽水泥用于穩(wěn)定基層的物理、化學(xué)、力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，SRX聚合物穩(wěn)定基層的抗壓強(qiáng)度優(yōu)于不穩(wěn)定土與硅酸鹽水泥穩(wěn)定土，SRX聚合物穩(wěn)定基層的抗車轍性能優(yōu)異;JIANG Yingjun等[10]研究了不同壓實(shí)方法對(duì)SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明采用垂直振動(dòng)法獲得的力學(xué)性能更加符合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果；杜洪新[11]驗(yàn)證了SRX聚合物用于道路基層建設(shè)的可行性；朱洪洲等[8,12]、何磊等[13]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石的力學(xué)強(qiáng)度、水穩(wěn)定性及永久變形等路用性能進(jìn)行研究；何麗紅等[14]采用綜合熱分析儀、傅里葉紅外光譜及動(dòng)態(tài)流變剪切儀分析了SRX聚合物自身性能，測(cè)試結(jié)果表明，SRX聚合物具有良好的熱穩(wěn)定性與彈性恢復(fù)力，并通過(guò)黏附試驗(yàn)證明，SRX聚合物與集料之間具有較好的黏附性能；趙偉等[15]、薛金順等[16]研究了含水率對(duì)SRX碎石強(qiáng)度的影響。

上述國(guó)內(nèi)外研究推動(dòng)了SRX聚合物在道路工程中的應(yīng)用，然而當(dāng)前SRX聚合物在國(guó)內(nèi)道路工程應(yīng)用中仍處于室內(nèi)試驗(yàn)與鋪設(shè)試驗(yàn)路階段。針對(duì)SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量的影響因素及聚合物作用機(jī)理研究較少。基于此，筆者采用動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)與掃描電鏡(scanning electron microscopy, SEM)，研究SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量影響因素并探究聚合物作用機(jī)理，研究成果為今后SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石基層設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1.1 原材料

試驗(yàn)所用的SRX聚合物溶液技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 SRX技術(shù)指標(biāo)Table 1 SRX technical indicators

試驗(yàn)級(jí)配設(shè)計(jì)參考JTG/TF20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》[17]，如表2。試驗(yàn)所用粗、細(xì)集料為云南省生產(chǎn)的花崗巖，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3、表4。集料的最大干密度與最佳含水量采用擊實(shí)試驗(yàn)確定，分別為2.396 g/cm3、3.84%。填料為花崗巖加工而成的礦粉，技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表2 試驗(yàn)級(jí)配Table 2 Test gradation

表3 粗集料技術(shù)指標(biāo)Table 3 The coarse aggregate technical indicators

表4 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)Table 4 The fine aggregate technical indicators

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

動(dòng)三軸試驗(yàn)裝置為通用材料試驗(yàn)機(jī)UTM-100，試驗(yàn)裝置由加載系統(tǒng)與圍壓系統(tǒng)組成，圍壓范圍為0～210 kPa。加載過(guò)程中通過(guò)計(jì)算機(jī)控制加載波形，試驗(yàn)利用動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試件施加軸向重復(fù)動(dòng)應(yīng)力與圍壓，獲取其動(dòng)態(tài)模量取值。

SEM作為一種觀察微區(qū)形貌特征的有效手段，被廣泛應(yīng)用于觀察物體形貌特征。電子束與待測(cè)樣品之間的相互作用產(chǎn)生的次級(jí)電子等電信號(hào)被接收器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并進(jìn)行收集成像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)微觀形貌的表征。筆者利用日立冷場(chǎng)發(fā)射S4800掃描電鏡觀察碎石與SRX聚合物碎石的表面形貌結(jié)構(gòu)與黏結(jié)特征。測(cè)試時(shí)采用導(dǎo)電膠將樣品固定在樣品臺(tái)上，由于樣品導(dǎo)電性能差，因此通過(guò)噴金處理增強(qiáng)其導(dǎo)電性后再進(jìn)行測(cè)試。

1.2 試件制備與養(yǎng)生

試驗(yàn)所用試件為標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件，直徑為100 mm、高為200 mm。試件模具內(nèi)壁采用乳膠薄膜包裹，方便試件脫膜。常溫條件下將集料與SRX聚合物拌合，將拌合均勻的SRX聚合物級(jí)配碎石分多層加入試模并振實(shí)，制備過(guò)程應(yīng)避免發(fā)生離析破壞。按照SRX摻量不同，試件成型分為3組。試件成型后應(yīng)對(duì)試件進(jìn)行養(yǎng)生，SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石于常溫條件下進(jìn)行養(yǎng)生。試驗(yàn)于室溫條件下將試件養(yǎng)護(hù)至不同齡期，養(yǎng)生期間平均氣溫為35 ℃。動(dòng)三軸試驗(yàn)前為避免試件漏水漏氣，應(yīng)在試件外套一層較薄乳膠膜。試件制備及加載準(zhǔn)備如圖1。

圖1 試驗(yàn)試件制備及加載準(zhǔn)備Fig. 1 Test specimen preparation and loading preparation

1.3 試驗(yàn)方案

動(dòng)三軸試驗(yàn)相較常規(guī)靜三軸試驗(yàn)，增加了軸向振動(dòng)加載裝置，通過(guò)施加軸向動(dòng)應(yīng)力與圍壓模擬路面基層真實(shí)場(chǎng)景行車荷載導(dǎo)致的三維受力。動(dòng)三軸試驗(yàn)測(cè)試時(shí)不同技術(shù)參數(shù)設(shè)置如下：豎向應(yīng)力為半正弦矢波脈沖動(dòng)偏應(yīng)力，其中加載時(shí)間為0.1 s，間歇時(shí)間為0.9 s，加載頻率為1 Hz[18]。根據(jù)課題組前期試驗(yàn)結(jié)果，為防止試件發(fā)生剪漲破壞并考慮SRX聚合物級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量取值范圍，綜合確定加載過(guò)程中軸偏應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)300 kPa。

1.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量影響因素及水平如表5。

表5 正交試驗(yàn)因素及水平Table 5 Factors and levels in orthogonal test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 動(dòng)態(tài)回彈模量分析

圖2為養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為2、6、10 d，SRX摻量為0、0.25%、0.50%與0.75%，并施加不同圍壓時(shí)，聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量對(duì)比。

圖2 不同SRX摻量下級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量Fig. 2 Dynamic modulus of graded crushed stone with different SRX content

分析圖2可知，SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加而變大；級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量隨圍壓的增加而增大，但增加幅度明顯低于SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石。分析原因可知，圍壓的增大提升了集料之間的嵌擠作用及SRX聚合物的有效黏結(jié)作用；養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量無(wú)顯著影響，而對(duì)SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石影響顯著；當(dāng)SRX摻量相同時(shí)，SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量隨著圍壓的增加而變大，表明SRX聚合物級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量具有較強(qiáng)的應(yīng)力依賴性。對(duì)比分析不同SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量可知，SRX聚合物能夠明顯提升級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量。當(dāng)SRX摻量為0.25%、圍壓為103 kPa，相比SRX摻量為0，級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量增加了87.2%；當(dāng)SRX摻量為0.50%時(shí)，SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量已大于級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量規(guī)范中[19]推薦取值高值，滿足設(shè)計(jì)要求。因此綜合考慮SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量與工程經(jīng)濟(jì)性，在實(shí)際工程應(yīng)用中，推薦SRX摻量為0.50%。

2.2 正交試驗(yàn)極差分析

試驗(yàn)采用三因素三水平正交試驗(yàn)表，不同因素水平如表5。同一水平試驗(yàn)條件下進(jìn)行5次平行試驗(yàn)，去除試驗(yàn)數(shù)據(jù)中最大、最小的一組數(shù)據(jù)，以剩余3組數(shù)據(jù)的均值作為該水平下SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量，并采用極差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of orthogonal test

由表7得出不同因素在不同水平下SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石模量的K1、K2、K3與極差，SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量最大為第九組，其SRX摻量為0.75%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為10 d，圍壓為69 kPa。結(jié)合圖3可知，對(duì)SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量影響最為顯著的為養(yǎng)護(hù)時(shí)間，與養(yǎng)護(hù)時(shí)間為2 d時(shí)動(dòng)態(tài)模量取值相比，SRX聚合物級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量平均增長(zhǎng)值為226 MPa，其次為SRX摻量與圍壓。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)確保SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石基層養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于10 d，進(jìn)而保證SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石基層強(qiáng)度形成。

表7 正交試驗(yàn)極差分析Table 7 Range analysis of orthogonal test

圖3 不同因素水平與SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量的關(guān)系Fig. 3 The relationship between the level of various factors and the dynamic resilience modulus of SRX stable graded crushed stone

2.3 微觀分析

微觀分析所用集料樣品與三軸試驗(yàn)所用相同，選用未摻加SRX聚合物溶液與摻加SRX聚合物溶液的5～8 mm粒徑集料樣品，經(jīng)室外養(yǎng)護(hù)干燥后，用SEM分析SRX聚合物的作用機(jī)理，如圖4。

觀察圖4可以得到，未摻加SRX聚合物的集料表面粗糙且存在大量空隙，摻加SRX聚合物后，集料表面光滑致密。SRX聚合物溶液以水為分散介質(zhì)，拌合過(guò)程中集料表面空隙被聚合物均勻填充、裹附，并通過(guò)振動(dòng)壓實(shí)成型、后期養(yǎng)護(hù)后聚合物溶液中水分蒸發(fā)，集料表面形成的有機(jī)黏膜有效提升不同集料之間的相互黏結(jié)作用，不同集料之間的嵌擠更為密實(shí)，從而提升了級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量。

3 結(jié) 論

1)摻加SRX聚合物能夠明顯提升級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量。當(dāng)SRX聚合物摻量為0.25%、圍壓為103 kPa、養(yǎng)護(hù)時(shí)間為10 d時(shí)，與相同條件下未摻加SRX聚合物級(jí)配碎石相比，級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量增幅為87.2%。

2)SRX聚合物級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量隨SRX摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、圍壓增加而增大；極差分析結(jié)果表明，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)SRX聚合物級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量的影響最為顯著，相比養(yǎng)護(hù)時(shí)間2 d時(shí)，SRX聚合物級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)回彈模量平均增長(zhǎng)了226 MPa，其次是SRX摻量與圍壓；SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)配碎石用于道路基層施工時(shí)，為確保動(dòng)態(tài)模量滿足設(shè)計(jì)使用要求，應(yīng)確?；鶎拥酿B(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于10 d。

3)SRX聚合物均勻裹附、填充在集料表面，有效提升了集料之間的相互黏結(jié)作用，進(jìn)而提升了級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)模量。