水基聚合物穩定碎石路用性能研究

查睿， 趙延慶*， 付國志， 董冠一

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

水基聚合物材料SRX(Solifix romix 以下簡稱SRX)是以多種壓力敏感性樹脂、高強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材料。SRX材料可溶于水并以水為傳導媒介均勻分散到穩定材料表面，經有效壓實和水分揮發過程，在固體材料顆粒表面形成有機黏膜，利用顆粒間的嵌擠作用形成膠結整體。SRX穩定碎石材料主要用于瀝青面層的下承層，屬于柔性基層。SRX穩定碎石基層對上層傳遞來的荷載分散，保證其結構不受破壞，相比于半剛性基層，避免了頻繁的路基路面維修，大大降低了養護成本。

目前國內外專家對SRX穩定材料進行了一定的研究。蔣應軍等采用垂直振動法成型試件，并研究了SRX穩定碎石含水率的變化規律與含水率對穩定碎石干化抗壓強度的影響；張敏江等在分析SRX穩定基層材料力學性能的基礎上，研究了SRX柔性基層瀝青路面結構力學響應的規律，并驗證SRX穩定材料作為路面基層的可行性；袁素平等結合SRX穩定材料在實際工程中的應用，對SRX穩定材料的施工工藝和造價進行了研究；Iyengar等研究了SRX穩定碎石基層的物理、化學及機械碾壓特性，并通過實際工程狀況對SRX穩定基層進行了可行性分析；Tandon等研究了SRX材料的技術特性并在沙漠地區進行了應用。由于SRX穩定碎石在道路工程中還未得到廣泛應用，其路用性能還未得到研究人員的充分認識。鑒于此，該文對不同摻量的SRX穩定碎石的力學性能以及0.5%SRX摻量下SRX穩定碎石的收縮特性、高溫穩定性和抗水損害性能進行研究，為SRX穩定碎石在道路工程的應用推廣提供參考。

1 試驗材料

試驗用SRX溶液為Soilfix VR4，相關技術指標及檢測結果見表1。集料選用灰巖，粗集料壓碎值為13.4%，粗、細集料及礦粉的相對密度見表2。

表1 SRX溶液檢測結果

表2 各檔集料相對密度

依據JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》確定SRX級配碎石的顆粒組成范圍，SRX穩定碎石的級配曲線如圖1所示。依據JTG E40—2007《公路土工試驗規程》擊實試驗方法，擊實曲線如圖2所示，由圖2可以確定SRX穩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穩定碎石級配

圖2 擊實試驗結果

2 SRX穩定碎石的路用性能

2.1 SRX穩定碎石的力學性能

無側限抗壓強度(UCS)和加州承載比(CBR)是道路材料的基本力學性能指標，其中，CBR是柔性基層瀝青路面設計最重要的設計和驗收指標。為了研究SRX穩定碎石的力學性能，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%(質量比)，分別在齡期為7、28、90和180 d下進行UCS試驗和CBR試驗。

2.1.1 無側限抗壓強度試驗

UCS試驗根據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行，試件尺寸為φ150 mm×150 mm，壓實度為100%，試件制備完成后放入養生室養生，養生溫度為30 ℃。養生結束后，在常溫水中浸泡24 h，然后進行抗壓強度試驗。

不同摻量的SRX穩定碎石的UCS與齡期的相關方程和相關系數如圖3所示。

圖3 UCS與齡期的關系曲線

由圖3可以看出:SRX穩定碎石USC與養生齡期具有較好的相關性，UCS與養生齡期呈對數關系。在同一SRX摻量下，UCS隨齡期的增加而逐漸增長，在0～28 d內強度增長較快，而后隨著試件內水分的蒸發，含水率的降低，強度趨于平穩，增幅變小。在7～28 d養生齡期內，當SRX摻量為0.5%～1.5%(以0.5%步長增長)時，SRX穩定碎石的UCS分別增長了42.74%、20.24%、12.16%，說明在7～28 d養生齡期內，隨SRX摻量的增加，養生齡期對SRX穩定碎石UCS影響逐漸減少。

SRX穩定碎石的UCS與SRX摻量的相關方程和相關系數如圖4所示。

圖4 UCS與SRX摻量的關系曲線

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

2.1.2 CBR試驗

CBR試驗根據JTG E40—2007《公路土工試驗規程》進行。試件尺寸為φ150 mm×120 mm，壓實度為100%，試件制備完成后放入養生室養生，養生溫度為50 ℃，養生結束后，在常溫水中浸泡96 h，然后進行CBR試驗，試驗結果如表3所示。JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》中規定，對于極重、特重交通下的高速公路，級配碎石基層的CBR值大于200%。由表3可知：不同SRX摻量的穩定碎石CBR值均大于250%。由此可見，SRX穩定碎石可以滿足各交通等級下的CBR值要求。

表3 CBR試驗結果

圖5為SRX穩定碎石的CBR值與養生齡期的相關曲線。

圖5 CBR值與齡期的關系曲線

由圖5可見：與UCS相同，CBR值與養生齡期也呈對數關系，在同一SRX摻量下，SRX穩定碎石的CBR值隨養生齡期的增加而逐漸增加。在0～28 d，CBR值增長速率最快，28 d后CBR值逐漸趨于穩定。在7～28 d養生齡期內，當SRX摻量為0.5%～1.5%(以0.5%步長增長)時，SRX穩定碎石的CBR值分別增加了14.39%、17.37%、19.9%，說明在7～28 d養生齡期內，隨著SRX摻量的增加，SRX穩定碎石CBR值越來越受到齡期的影響。

圖6為SRX穩定碎石的CBR值與 SRX摻量的相關曲線。

圖6 CBR值與摻量的關系曲線

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

2.2 SRX穩定碎石收縮特性

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

2.2.1 干縮試驗

干縮試驗依據JTG E51—2009)《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行，試驗結果如圖7和表4所示。

圖7 SRX穩定碎石干縮試驗結果

表4 SRX穩定碎石干縮試驗最大值

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

沙慶林指出，水泥穩定類半剛性材料的干縮系數一般為19.1×10-5～64.9×10-5，而SRX材料的干縮系數為5.05×10-5～11.4×10-5，干縮系數遠小于水泥穩定類半剛性材料，說明SRX穩定碎石的抗失水收縮性能較強。SRX穩定碎石在6 d左右干縮變化逐漸穩定，并且在7～30 d內的干縮應變上升幅度較小，說明SRX基層在養生期之后相當長的時間內收縮變形不大。

2.2.2 溫縮試驗

溫縮試驗依據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行，試驗結果如表5所示。

表5 SRX穩定級配碎石混合料溫縮

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為8×10-6～13×10-6，而SRX穩定碎石材料則為2.99×10-6～4.73×10-6，在相同溫度下，SRX穩定材料的溫縮系數遠低于水泥穩定半剛性穩定材料。由此可見，SRX穩定碎石材料具備良好的抗低溫收縮開裂性能。

2.3 SRX穩定級配碎石高溫穩定性

采用車轍試驗對SRX穩定碎石的高溫穩定性進行評價。車轍試驗依據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行。SRX原液的推薦添加量為0.5%(質量比)，采用輪碾法成型300 mm×300 mm×100 mm的板塊狀試件。試驗結果如表6所示。

表6 SRX穩定碎石車轍試驗動穩定度值

由表6可知：當輪壓為0.7 MPa時，SRX穩定碎石的動穩定度為35 000次/mm以上，當輪壓增加到1.4 MPa時，SRX穩定碎石的動穩定度為14 000次/mm以上，均大于JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》中對各類瀝青混合料動穩定度的要求值。由此可知，采用SRX穩定碎石具有良好的高溫穩定性，可有效減少和控制路面車轍的產生。

2.4 SRX穩定級配碎石抗水損害性能

道路材料的抗水損害性能評價常采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，然而浸水馬歇爾試驗有時會出現強度殘留度達到100%以上的情況，故該文采用凍融劈裂試驗評價SRX穩定碎石的抗水損害性能。凍融劈裂試驗依據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行。采用靜壓法成型φ150 mm×150 mm的圓柱體試件，壓實度為100%，依據相關規范，SRX原液的推薦添加量為0.5%(質量比)，養生28 d，采用5次凍融循環方式。結果顯示:0.5%摻量的SRX穩定碎石的殘留強度比(TSR)達到了88%，對比JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》對各類瀝青混合料TSR要求，SRX穩定碎石具有良好的抗水損害性能。

3 結論

(1) SRX穩定碎石的UCS與養生齡期呈對數關系。在同一SRX摻量下，UCS隨齡期的增加而逐漸增長，在0～28 d齡期內強度增長較快，而后強度趨于平穩，增幅變小；UCS隨SRX摻量的增加近似線性增加。

(2) 不同SRX摻量的穩定碎石的CBR值均大于250%，SRX穩定碎石可以滿足各交通等級下的CBR值要求。CBR值與養生齡期呈對數關系。在同一養生齡期下，CBR值隨SRX摻量的增加出現先增后降的情況，當SRX摻量大于1%時，CBR值隨SRX摻量的增加而降低。SRX穩定碎石的摻量并非越高強度越大，在實際工程中應該結合不同施工路段的情況確定最佳摻入量。

(3) 在養生6 d后，SRX穩定碎石的干縮變化趨于穩定，在30 d后，干縮應變基本不變；SRX穩定碎石的干縮系數和溫縮系數均遠小于水泥穩定類半剛性材料，具有良好的抗收縮性能。

(4) 輪壓為0.7 MPa和1.4 MPa時，SRX穩定碎石的動穩定度均大于規范對各類瀝青混合料動穩定度的要求值，表明其具有良好的抗車轍能力；SRX穩定碎石的殘留強度比(TSR)達到88%，具有良好的抗水損害性能。