水機聚合物穩定級配碎石動態模量取值研究

朱洪洲，張新強，胡藍心，歐力，鄧穩

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

半剛性基層整體性好、穩定性高、抵抗變形能力強，是我國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生反射裂縫、車轍和龜裂等早期病害，嚴重影響道路使用的耐久性。國外道路基層結構多采用柔性基層，然而柔性基層由于強度低、易產生塑性變形等特點限制了其在特重交通條件下的應用。

近年來，一種水基高分子聚合物(SRX)廣泛使用在國外道路工程中作為路用穩定劑。SRX材料是由多種特殊壓力敏感性樹脂與高強度抗老化樹脂聚合而成，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]，具有綠色環保、施工簡單、工程造價低等優點，在道路基層使用能夠有效抑制反射裂縫、疲勞開裂等問題[2-4]。趙偉等[5]通過研究SRX穩定碎石的強度增長規律，指出SRX穩定碎石具有優異的高溫性能。張敏江等[6]通過研究SRX柔性基層瀝青路面的結構力學響應特征，為SRX柔性基層瀝青路面結構設計提供理論依據。薛金順等[7]通過室內垂直振動法研究了SRX穩定碎石強度及其影響因素，并建立各強度之間的關系。朱洪洲等[8]研究了SRX聚合物穩定級配碎石強度影響因素，并進行了試驗路鋪設。但SRX水基聚合物材料不同于以往的水泥、瀝青等傳統道路建設材料，故其作為道路結構層的材料性能參數還需進一步進行探究。本文通過室內試驗，采用動三軸儀器，對SRX聚合物穩定級配碎石的動態模量及其影響因素進行探究，為其進一步在道路工程中理論研究及工程應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

SRX聚合物溶液，Romix International Ltd.生產，其技術指標見表1；粗、細集料采用云南省隴川縣生產的花崗巖，技術指標分別見表2、表3；填料，花崗巖礦粉。

表1 SRX聚合物技術指標

表2 粗集料技術指標實驗結果

表3 細集料技術指標實驗結果

UTM-100通用材料試驗機。

1.2 級配

級配設計參考《公路路面基層施工技術細則》(JTG/TF 20—2015)[9]，分別選擇最大粒徑26.5 mm為Ⅰ型級配，最大粒徑31.5 mm為Ⅱ型級配。礦料設計級配見表4。

表4 礦料設計級配

室內標準重型擊實試驗求得Ⅰ型級配最大干密度為2.396 g/cm3，最佳含水量為3.84%；Ⅱ型級配分別為2.399 g/cm3和3.77%。

1.3 試件制備及養護

試件為直徑100 mm、高200 mm的圓柱形。為防止試件成型過程中撓動引起試件內部產生損傷，首先在對開圓形試模內套一較厚乳膠薄膜，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。為避免產生離析，每一層材料倒入試模前，對前層壓實平面進行拉毛處理。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型級配分兩組，每組五個試樣。試件成型后參照Romix International Ltd.公司養護條件指標，室外自然養護(平均氣溫35 ℃)2，6，10 d以及15 d，進行動三軸試驗研究。試驗儀器裝置見圖1。

圖1 UTM-100動三軸試驗系統

該試驗設備由計算機控制的電液伺服加載系統與氣動圍壓控制，荷載波形由計算機精確控制，系統自動采集變形數據。

1.4 動三軸彈性模量試驗

1.4.1 加載波形、脈沖時間及頻率 動三軸模量試驗中加載波形與持續時間應盡可能地與道路實際狀態一致。車輛荷載作用于路面時，輪跡及周邊一定范圍內受到動應力作用。本文的動三軸模量試驗加載波形、脈沖時間與頻率綜合參考何兆益等[10]在級配碎石動三軸的試驗研究選取。豎向應力采用半正弦矢波脈沖動偏應力，偏應力加載持續時間為 0.1 s，間歇時間為0.9 s，加載頻率為60次/min。

1.4.2 應力施加序列 參照規范Base/Subbase material(AASHTO T294)[11]中基層材料動態回彈模量測試方法選擇加載序列，加載頻率為1 Hz，15個周期循環，但是考慮到在較大的循環垂直應力作用下，SRX聚合物穩定級配碎石試件容易發生剪脹破壞。因此，調節試驗加載序列，在相同圍壓下，降低軸偏壓力，以保證試驗過程中試件的完整性。試驗應力施加順序見表5。

表5 動三軸加載順序

2 結果與討論

根據上述的動三軸試驗應力施加順序，分別在98%壓實度，最佳含水率條件下，對不同級配、四種SRX摻量(0，0.25%，0.5%，0.75%)和不同養護齡期(2，6，10，15 d)的成型試件進行試驗。

2.1 養護齡期對動態模量的影響

圖2為不同SRX摻量的最大粒徑26.5 mm穩定級配碎石動態回彈模量與養護齡期關系。

圖2 不同SRX摻量下SRX穩定級配碎石動態回彈模量與養護齡期關系圖

由圖2可知，在SRX摻量相同的條件下，當養護條件相同時，隨著養護時間的增加，SRX聚合物穩定級配碎石的動態回彈模量逐漸增大，但養護時間達到10 d后，增加幅度逐漸減緩，而后趨近于穩定，甚至下降。分析其原因，由于SRX聚合物穩定級配碎石表面水分揮發后，碎石表面形成一層有機黏膜，養護前期大部分水分附著于試件表面，水分揮發后提升級配碎石強度。而在養護后期，試件整體殘余水分較少且均在集料內部，導致強度增長速率減緩。同時，不同SRX聚合物摻量下的SRX穩定級配碎石動態回彈模量的變化趨勢相同，增長趨勢相似。分析動態回彈模量增長趨勢，動態回彈模量可分為三個階段：緩慢增長階段、急劇增長階段、穩定階段，且基本均在養護 10～12 d 時達到回彈模量最大值。

2.2 級配與SRX摻量對動態模量的影響

2.2.1 級配對動態模量的影響 分別制作壓實度為98%，SRX摻量為0，0.25%，0.5%，0.75%的φ100 mm×200 mm試件，在自然養護10 d的條件下，將兩種不同級配的試件分別進行動三軸試驗，結果見圖3。

由圖3可知，加入SRX聚合物，能夠明顯提升級配碎石動態回彈模量。主要是由于SRX聚合物溶于水，并以水為傳導媒介，使其均勻裹附在集料表面，經過振動壓實以及水分的蒸發，在集料表面形成一層有機黏膜，將集料相互膠結，從而增加了其動態回彈模量。SRX聚合物穩定級配碎石動態模量隨著圍壓的增大而逐漸增大。圍壓相同時，Ⅰ型級配碎石的動態回彈模量大于Ⅱ級配碎石。由于Ⅰ型級配中粗、細集料分布比較均勻，其中粗集料形成骨架結構，而又有細集料填充到粗集料形成的骨架之中，形成骨架密實結構，抵抗外界荷載能力更強。這也驗證了我國目前高等級公路基層將Ⅰ型級配作為首選級配。

圖3 SRX聚合物穩定級配碎石回彈模量與圍壓關系

2.2.2 SRX摻量對動態模量的影響 分別選擇級配最大粒徑為31.5 mm和最大粒徑為26.5 mm，在壓實度為98%，分別按照摻量0，0.25%，0.5%和0.75%四種SRX摻量制作試件，采用動三軸試驗系統探究不同SRX摻量對級配碎石動態回彈模量的影響，結果見表6。

由表6可知，SRX聚合物穩定級配碎石動態回彈模量增幅明顯，當SRX聚合物溶液摻量為0.25%時，Ⅰ型穩定級配碎石相對于未摻加SRX聚合物溶液的級配碎石，動態回彈模量平均增幅為78.16%，而Ⅱ型穩定級配碎石平均增幅達到102.44%，表明加入SRX聚合物能夠明顯提高級配碎石動態回彈模量。SRX聚合物溶液摻量從0.5%增加到0.75%時，動態回彈模量增幅減緩，這是由于過多的SRX聚合物溶液并不能與碎石完全結合，在振動成型過程中可能會有質量的損失，并不能將其作用最大化。綜合比較不同摻量對級配碎石動態回彈模量的影響，當SRX聚合物摻量為0.5%時，兩種最大粒徑的SRX聚合物穩定級配碎石動態模量均較大，考慮道路基層的服役壽命與工程建設的經濟性，SRX聚合物穩定級配碎石中SRX最優摻量為0.5%。

表6 不同SRX聚合物摻量穩定級配碎石動態模量變化率

2.3 應力狀態對動態模量的影響

級配碎石具有應力依賴特性，圖4為在自然養護10 d條件下，三種不同SRX摻量的聚合物穩定級配碎石動態回彈模量隨體應力變化趨勢。

圖4 SRX穩定碎石(級配Ⅰ)體應力與動態回彈模量關系

由圖4可知，SRX聚合物級配碎石動態回彈模量隨著體應力的增大而增大，且隨著圍壓的增加，動態回彈模量也增大，說明SRX聚合物穩定級配碎石具有一定的應力依賴性。不同粒徑的級配碎石動態回彈模量的變化趨勢相似。當圍壓較低時，動態模量受體應力的影響更為顯著；同時，當圍壓和體應力相同時，隨著SRX摻量的增加動態回彈模量逐漸增大。因此，SRX聚合物作為半結合層材料，對應力狀態十分敏感，其動態回彈模量受應力狀態不同而顯著變化。

3 結論

(1)SRX聚合物穩定級配碎石動態模量隨著養護齡期的增加而增加，推薦通過自然養護10 d得到的動態模量值作為設計值。

(2)SRX聚合物作為半結合層材料，能夠有效粘附級配碎石，提高力學性能，當SRX聚合物摻量為0.25%時，級配Ⅰ相對于不摻加SRX聚合物溶液的級配碎石，動態回彈模量平均增幅為78.16%，而級配Ⅱ平均增幅達到102.44%。

(3)當圍壓增加時，SRX聚合物穩定級配碎石動態回彈模量均增加，并表現出明顯的非線性特性;但是，隨著SRX聚合物摻量的不同，動態回彈模量隨圍壓增加而增大的幅度又有所不同，考慮工程的經濟性，推薦SRX聚合物最佳摻量為0.5%。

(4)當圍壓不變時，SRX穩定級配碎石動態回彈模量隨著體應力的增大而增大，SRX聚合物穩定級配碎石具有較強的應力依賴性。

(5)綜合0.5%SRX摻量、自然養護10 d、不同應力狀態下的SRX聚合物穩定級配碎石動態回彈模量，作為瀝青路面基層，建議SRX聚合物級配碎石彈性模量取300～750 MPa。