新型聚合物穩定碎石基層的工程應用研究

黃愛清

摘 要：在以往的道路建設過程中，瀝青、水泥、石灰、粉煤灰等傳統筑路材料在生產、運輸和使用過程中都會產生較大的溫室氣體（二氧化碳為主）排放。新型高分子聚合物材料是一類有別于瀝青的特殊結合料，用其修建路面基層，可以克服以往采用無機料穩定基層材料易造成施工污染、工藝復雜、早期開裂現象嚴重等弊端，實現改善基層材料技術性能、優化路面結構的目的。結合常州城建學校新校區道路建設實體工程，對新型高分子聚合物穩定基層的材料與施工技術進行了分析研究。

關鍵詞：新型聚合物 穩定碎石基層 工程應用

中圖分類號：U416.214 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（a）-0038-05

長期以來，我國道路基礎設施建設面臨著資源占用與能源消耗日趨嚴重的形勢，承受著石油瀝青資源緊張、價格提高以及在材料生產與筑路施工中碳排放環境污染、耗能增加的壓力，繼續沿用傳統的筑路材料與方法，已不適應可持續發展的建設理念。考慮到當前道路建設大規模發展的需求，以及筑路技術創新的迫切要求，有必要研究確定道路的合理結構形式、改進優化筑路材料以及修筑技術方法，通過技術進步與科技創新手段，實現社會與經濟效益的顯著提高。

以往的道路建設過程中，瀝青、水泥、石灰、粉煤灰等傳統筑路材料在生產、運輸和使用過程中都會產生較大的溫室氣體（二氧化碳為主）排放；同時這些傳統筑路材料的大規模利用又消耗了大量不可再生的自然資源，在開采、運輸過程中也會對自然環境造成破壞。

另一方面，為滿足日益增長的交通負載的需要，決定了我國長期來奉行“強基、薄面”的方針，由此水泥、石灰、粉煤灰等無機結合料穩定材料成為最普遍的基層結構，且將瀝青路面的承重層定位在半剛性基層上，瀝青面層只起到表面功能的作用。但是，我國半剛性基層瀝青路面結構導致的技術缺陷十分突出。（1）大量橫向裂縫是我國公路主要早期病害類型之一，半剛性基層反射裂縫往往造成三層瀝青層整體開裂，為結構性損壞。（2）半剛性基層排水性能差，是產生路面水損壞的主要原因。（3）半剛性基層瀝青路面在高溫條件下混合料模量降低和重載交通作用時產生剪切破壞，也容易形成瀝青混合料流動性車轍。（4）半剛性基層施工若經過冬季還會產生凍脹松散損壞。（5）半剛性基層瀝青路面使用壽命短，且一旦損壞需從基層開始翻修，這種維修養護方案實施困難，無機料基層的再生利用也較麻煩。

為此，新型聚合物材料穩定基層瀝青路面應用技術的提出，旨在通過道路建筑材料與道路結構與設施的改進，采用新材料、新結構、新工藝替代傳統材料、結構和工藝的技術方案，有效提高道路建設的環保效能，同時改善道路結構的部分技術品質。

結合常州城建學校新校區道路建設實體工程，通過實施水基高分子聚合物穩定基層等材料與結構新技術成果的應用與檢驗，對該項路用材料與結構改進技術進行技術經濟可行性評估及應用技術研究。工程中所利用的高分子聚合物材料是一類有別于瀝青的特殊結合料，以其修建路面基層，可以直接處理使用經濟、來源廣泛的當地土石材料，大量節省建筑砂石材料的開采運輸成本，有效保護自然生態環境。這類柔性路面結構層，還可以克服以往采用無機料穩定基層材料易造成施工污染、工藝復雜、早期開裂現象嚴重等弊端。通過采用新型高分子聚合物穩定材料與技術，可以實現改善基層材料技術性能、優化路面結構的目的。

1 新型高分子聚合物的特性分析

新型高分子聚合物（SRX）材料是近年來國際筑路工程中開始廣泛應用的一種新型高分子樹脂聚合物路用穩定劑，目前已經在30多個國家大量應用。SRX聚合物為水基的、以多種壓力敏感性樹脂、高強抗老化樹脂聚合而成的特殊路用聚合物溶液，它并不是石油的衍生品，而是有別于瀝青的特殊路用聚合物，SRX聚合物一般應用于道路基層，通過多種樹脂及多種有機添加劑混合而成的共聚物溶液，它可溶于水并以水為傳導介質，均勻分散到土石等穩定材料表面，經有效的壓實和水分揮發過程，在道路結構層內部的土石固體顆粒表面形成有機粘膜，將其牢固的粘結成整體，形成強而韌性的柔性路面結構層。該聚合物溶液以水為基質材料，具備了環保、不燃、不爆、低揮發性的優點。

SRX聚合物穩定基層的主要特點表現在以下幾方面。

（1）具有環保性。

SRX聚合物材料是一種無毒、無害、不腐蝕、無重金屬的環保產品，對水源和土壤無任何污染，國外曾應用SRX的衍生產品作為飲用水水渠的防水材料。

（2）有效抑制路面產生裂縫。

SRX是多種樹脂及多種有機添加劑混合而成的共聚物材料。它宜與（路基）土石材料或（路面）碎礫石材料穩固地粘結后，體現出強而韌的柔性穩定結構特性，具有良好的整體性，能有效解決半剛性基層路面難以避免的溫縮裂縫、干縮裂縫的反射病害。疲勞性能試驗表明經過SRX聚合物穩定的道路基層抗疲勞指標顯著高于水泥等無機料穩定材料，尤其是對相對低應力水平的情況表現更加明顯。這樣就大大減少了道路疲勞反射裂縫的產生。

（3）避免產生車轍。

SRX聚合物材料穩定路面結構層高溫穩定性優于常規瀝青混凝土面層，其強度和韌性兼備的特性避免了路面高溫車轍的產生。SRX半柔性基層模量變異性不大，一般不會有車轍病害產生。

（4）開放交通早，不需要灑水養生。

與半剛性材料不同的是SRX穩定路面結構施工不需要灑水養生，僅需常溫條件養生即可。隨著水分揮發，SRX聚合物材料膠結強度逐漸提高。結構層壓實后可以保證相對短期內開放交通。尤其晴天日照充分時，壓實后開放交通早。

（5）混合料存放時間長。

SRX混合料拌和后堆積存放保持水分的情況下可以在短期內繼續使用，超過時限只需添加少量SRX和水重新拌和便可重新使用，這為道路施工創造了寬松的條件。

（6）防水能力好，不受雨季影響，水穩性好。endprint

SRX在雨季也可以施工，只是要求具備適于碾壓含水量即可，一旦壓實成型，其抗水侵蝕能力顯著，不會發生翻漿現象。

（7）施工快捷設備簡單。

高等級道路采用廠拌法和攤鋪機攤鋪可以更好的提高效率和鋪筑質量，一般道路也可采用路拌法施工。可以快速開放交通不需要灑水養生，SRX穩定層經日照，穩定層表面干燥后即可鋪筑瀝青面層，完成12 m寬的公路，SRX穩定層拌和鋪筑的時間一般只需2～3 d/km。

（8）適用范圍廣。

SRX聚合物材料耐腐蝕、耐酸堿。可以穩定各種酸、堿性材料、鹽漬土以及破碎的混凝土建筑垃圾、舊路銑刨破碎料等。

（9）SRX穩定層屬半柔性結構，對重載車的軸載敏感性小，面層不要求很厚。

國外SRX柔性基層應用工程以印度、南非為例，交通條件既有重載也有大交通量，路面結構大多為4 cm厚熱瀝青混合料面層，其下為15 cm以上SRX聚合物處理基層，SRX聚合物摻加量多為0.5%～1.0%。

綜上所述，SRX聚合物材料有別于瀝青、水泥、石灰等常規半剛性穩定材料，在技術品質、適用條件、施工工藝以及綜合經濟造價等方面均具備突出的優勢與創新性，經過國內外多項實體工程應用驗證，將其作為水泥和瀝青以外的另一類重要路用材料進行推廣應用，對我國道路建設技術革新與進步、環境保護以及可持續發展具有重要意義。

根據ROMIX公司產品技術標準，水基聚合物SRX原材料應滿足的技術要求如表1所示，該工程經檢驗試驗樣品符合相應技術要求。

2 新型高分子聚合物穩定碎石基層配合比設計

SRX高分子聚合物穩定碎石材料結構強度與穩定性形成的前提是保證其混合料的密度，從而實現粒料材料嵌鎖作用的同時，顆粒界面達到最大接觸狀態，使SRX高分子聚合物的結合效果最佳，這與常規道路材料通過壓實，在最佳含水量下達到最大密實度的特性并無不同，SRX高分子聚合物穩定碎石材料壓實特性分析可以借鑒常規道路材料擊實試驗方法。

該工程中采用的石料為37.5～9.5 mm軋制碎石、9.5～4.75 mm瓜米石以及4.75mm以下的石屑石粉等不同粒徑的集料組配而成。其技術性能試驗及合成級配分析結果如表2、表3。

SRX高分子聚合物穩定碎石材料成型標準要求的最佳含水量和最大干密度試驗按照《公路土工試驗規程JTG E40-2007》擊實試驗的方法進行確定。擊實試驗過程中，SRX高分子聚合物仍呈水基狀態，故將其作為含水量的一部分考慮，根據規范要求，試驗采用三層填料、每層擊實98次的重型擊實方法。對實驗結果進行分析得到最佳含水量為5.5%（其中包含SRX高分子聚合物摻加量部分），最大干密度為2.358 g/cm3。

道路基層混合料配合比組成設計一般均為基于某個或某些控制指標的穩定材料最佳摻加量的確定，SRX高分子聚合物穩定碎石配合比組成設計方法仍如此，只是根據SRX高分子聚合物的作用機理，隨其摻加量的增加，聚合效果會愈加明顯，相應的控制指標也會提高，因而從工程經濟性考慮，SRX高分子聚合物的摻加量可以達到控制指標的規范要求為準。

長期以來，我國對常規半剛性基層材料的控制指標是7d無側限抗壓強度，對于粒料類柔性材料的控制指標是CBR值，這與國外基層材料結構強度控制指標一致。就SRX高分子聚合物穩定碎石而言，當聚合作用形成后，碎石的整體強度得到保證，抗水侵蝕能力得到改善，7d無側限抗壓強度隨聚合物摻加量的提高而增加。相應無SRX聚合物穩定碎石材料，在經受1d浸水條件后會即刻坍散破壞。國內外多項研究證實，基層材料的無側限抗壓強度、CBR值的變化具有相關性。由于7d無側限抗壓強度測定方法簡單成熟，該指標與常規半剛性基層材料控制指標具有一致性，利于進行比較分析，故仍基于7d無側限抗壓強度作SRX高分子聚合物穩定碎石配合比組成設計，必要時可以CBR值做驗證。參考SRX高分子聚合物國外應用經驗，摻加量在0.5%～ 1.5%間試配分析。

基于無側限抗壓強度的SRX高分子聚合物穩定碎石配合比組成試驗結果表明，隨SRX高分子聚合物摻加量的增加，7d無側限抗壓強度逐漸提高，這比所有粒料基層的整體強度有顯著改善，若對照無機料穩定材料的強度標準，將其作為柔性材料和非水硬性剛性材料考慮，并借鑒國外柔性材料降低剛度的特點，強度標準達到無機料穩定材料低限即可，根據相關規范要求確定SRX高分子聚合物穩定碎石無側限抗壓強度以0.8MPa為度，對應的SRX高分子聚合物摻加量約為0.5%～1%，室內試驗中均以0.5%摻加量為分析對象，該劑量下的CBR值平均為247%。需要說明的是，這里7d無側限抗壓強度養生條件為6d干燥養生（50℃）并1d飽水養生（20±2）℃。

3 新型高分子聚合物穩定基層實體工程總結

結合常州建設高等職業技術學校新校區交通特點和該地區應用無機結合料穩定基層施工經驗，在新校區道路建設項目中采用了石灰土底基層，上鋪20 cm新型聚合物穩定碎石柔性基層，及5 cm瀝青混凝土磨耗層的路面結構方案。路寬10 m，主干路和環路總長2.5 km左右，石灰土處理路基30 cm。

由于工程中應用SRX聚合物穩定碎石基層的作用，可使得穩定粒料承載比強度CBR值提高到160%，并相對于無結合料粒料基層，顯著提高基層材料的整體性、抗水損壞能力和抗疲勞壽命，再加上此聚合物材料對溫度不敏感，抗干、凍縮能力強的特點，能夠有效避免以往道路結構易產生的反射裂縫和車轍病害，提高了道路使用壽命。

考慮柔性結構路面柔韌性和消解動載能力強的原理，聚合物道路可減少瀝青混凝土表面層厚度，易實現類似全厚式瀝青路面強而韌結構特性的效果，優化了路面結構組合。

3.1 工程特點

對國內外高分子聚合物SRX穩定級配碎石基層實體工程施工過程的技術管理經驗表明，該新型材料穩定基層的施工過程及其技術要點體現出與常規半剛性基層比較具有如下突出的特點。endprint

（1）生產設備簡易。

SRX聚合物與級配碎石只需在常溫下混拌，聚合物呈水基液態，便于拌和均勻，故目前工程中常用無機料拌合設備和攤鋪壓實設備即可完成各項施工工藝。但由于SRX聚合物摻加量相對較低，為保證材料用量和均勻性，拌和生產設備的配料計量系統需作適當改進。拌和場拌合設備裝置見圖3。

（2）混合料生產與施工過程的環境保護。

SRX聚合物一般呈中性，無揮發，濕態拌和，不會產生粉塵、有害氣體、滲漏等對空氣、水土的污染；生產與施工過程中，施工人員也無需穿戴特殊防護裝備，對施工人員健康沒有傷害。

（3）施工工藝簡單和快捷。

不同于常規無機料穩定材料，混合料中不需要摻加石灰或水泥，無材料終凝前完成工藝過程的要求，SRX聚合物穩定材料在未壓實前只需保持水分，可允許施工操作時間較長，一般在3～5 d內均可使用，為施工時間的調整提供了充分的余地。

（4）干燥養生條件。

SRX聚合物穩定材料壓實后不需要灑水養生，而是在自然環境中失水養生或風干。它的強度形成是依靠級配材料壓實后的嵌擠力和聚合物水分揮發后的膠黏力來獲得的。所以要求在最佳含水量的基礎上壓實基層獲得最大密實度，以形成理想的嵌鎖能力和結合膜聚合能力，使聚合物（SRX）穩定級配碎石基層強度和穩定性達到最大。

（5）工后限制條件不苛刻。

SRX聚合物穩定材料工后自然疏干無需灑水保濕，若進行封層或表面覆蓋后可允許臨時交通限速通行，除降雨情況外，疏干時間一般較短，尤其日照充分時養生時間顯著節省。如果施工期間遇到降雨，則應停止施工，材料要進行遮蓋，適當增加養生時間。

3.2 施工流程

在SRX聚合物穩定材料施工過程中的集料級配控制、聚合物摻加量（摻配比控制）、含水量控制、拌和均勻性、壓實工藝是施工中的重要工序和主要控制點。拌和法施工工藝如圖4所示。

3.3 實體工程施工中的問題與對策

雖然在施工前進行了較全面的技術研討并制定了嚴格的工藝規程，但在實施中的實際操作環節仍存在疏忽之處，需采取相應措施處治，并作為工程技術指南中加以重視的技術要點起到借鑒作用。施工中存在的主要問題與解決對策如下。

（1）聚合物穩定碎石基層材料含土量較大。

聚合物穩定碎石孔隙率為3%～8%。細集料比例在40%，無水泥等自硬性材料，由于原材料不均勻，部分細集料中粘土比例偏高，造成碾壓時含水量偏高造成局部碾壓不實，基層局部彈軟現象。

采取的措施包括：降低含水量至5%以及減少細集料中石粉的比例，1/2用量以石屑替代，問題解決效果明顯。

（2）混合料壓實過程中壓實遍數與速度控制不嚴謹。

SRX聚合物穩定碎石基層的壓實作業要求仍很嚴格，為保證壓實度，有效的做法是壓實遍數不少于、壓實速度不大于規定。壓實設備上以輪胎式壓路機的壓實功充分，利于達到壓實效果良好。試驗路工程初時未注意到壓實控制特點，在壓實度實時檢測值偏低時進行了重新組織，得到了顯著改善。

（3）養生期遇雨。

失水養生初期遇雨水天氣。在充分壓實后采取苫布遮擋處理，并于雨停2 d內追加碾壓一次，效果很好。

3.4 工程經驗

對試驗路施工過程出現各類問題以及技術指標檢測結果的分析，可以歸納出聚合物穩定基層施工經驗如下。

（1）應確保粒料材料的級配組成與技術品質符合要求，尤其應據此調整聚合物的摻加量，以保證結構層的強度、整體性與穩定性。

（2）聚合物的摻加量應嚴格控制并進行有效的檢測，同時應保證混合料成品的均勻性，這些需要在無機料拌合設備改裝時做好設計，尤其注意在混合料濕拌前將計量準確的聚合物與水進行預先混合，這是保證均勻性的重要條件。

（3）聚合物穩定粒料材料壓實含水量敏感性較高，含水量超過最佳會面臨產生翻漿的風險，給后期處理帶來麻煩，也對結構穩定性造成不良后果，根據現有壓實設備重量可以充分滿足的情況，施工時在最佳或略低含水量條件下上碾是適當的方案。

（4）壓實是形成結構層強度與穩定性的主要環節，壓實設備與壓實方法的選擇影響最終壓實效果，除了嚴格按照常規“四先四后”的壓實原則施工外，應注意靜力、振動、膠輪壓路機配合作業，其中膠輪壓路機的追密作用不可忽略，控制低速碾壓、滿足壓實遍數是保證壓實效果的必要條件。

（5）聚合物穩定材料基層要求風干條件養護，如遇降雨應做好防護及排水，防護覆蓋可采用多種形式。養護期間聚合物與粒料結合強度尚未完全形成，容易在外界的擾動作用下松散，因而要求養護期間尤其初期（2d內）注意控制交通，在后續施工作業（如路緣結構、地下管線等）中進行覆蓋保護是必要的。如條件許可，封閉養護后即刻鋪筑底面層形成保護結構。產生結構層表面擾動破壞后，淺層可清掃或噴灑聚合物水溶液重新壓實，深層需挖補新混合料壓實成型。

（6）聚合物穩定基層上部瀝青面層施工前，應清掃干凈表面浮渣塵土，以利透層油的層間結合作用的形成。

4 結語

在分析研究國外應用SRX穩定基層材料聚合機理與技術特點的基礎上，結合SRX穩定碎石基層原材料、混合料組成、混合料技術性能等方面的室內試驗研究，并經過實體工程驗證，對SRX穩定碎石基層在道路工程中的應用技術總結如下。

（1）以SRX穩定碎石基層構建的柔性路面是目前適用于道路建設實際條件的新型路面結構形式，SRX聚合物以水基狀態常溫環境下建筑穩定碎石基層，施工簡便易控，能源消耗極低，加之以SRX穩定碎石基層構建的柔性路面相對我國常規的半剛性基層瀝青路面可以切實降低收縮開裂缺陷，克服路面結構水損壞與耐久性不足的缺陷，維持瀝青路面良好的使用性能，SRX穩定碎石基層在道路工程中的應用具有廣闊的前景。endprint

（2）SRX穩定碎石基層仍需通過壓實形成整體結構強度，其壓實性能指標與常規基層材料無差別，最佳含水量與最大干容重與粒料基層相近，在壓實過程中聚合物以水基形態存在對混合料壓實狀態無特別影響，可采用常規壓實工藝控制施工。而在養生成型時，鑒于水基聚合物失水后形成聚合作用的原理，干燥養生是SRX穩定碎石基層有別于目前常用半剛性基層材料養生條件的主要不同點。

（3）沿用目前常用半剛性基層材料組成設計原則，提出了SRX穩定碎石基層材料配合比設計方法，驗證了符合強度要求的聚合物常用劑量為0.5%～1%。

（4）通過實體工程的實施表明，SRX穩定碎石基層與常規半剛性基層施工過程比較，具有其特殊性，包括對地材適用范圍廣、路拌廠拌法均可、無需特殊設備與方法，常溫條件施工、工藝操作時間寬裕，施工環境污染少，自然風干養生等。SRX穩定碎石基層的技術性能良好，在經濟性和工藝方法上具有充分的適用性和實際工程推廣應用價值。

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