SRX聚合物級(jí)配碎石強(qiáng)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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶市設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400010；3. 重慶市智翔鋪道技術(shù)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)道路基層不被破壞。該聚合物材料是由多種壓力敏感性樹(shù)脂和高強(qiáng)抗老化樹(shù)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(qiáng)的耐高溫性能[1-2]。該材料在技術(shù)品質(zhì)、適用條件、施工工藝及綜合經(jīng)濟(jì)造價(jià)等方面均具有突出的優(yōu)勢(shì)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(qiáng)而韌結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(chē)轍病害。疲勞試驗(yàn)顯示：經(jīng)過(guò)700萬(wàn)次循環(huán)負(fù)載，SRX聚合物基層沒(méi)有損害，該指標(biāo)是水泥穩(wěn)定材料的100倍。工程實(shí)踐證明：SRX水基聚合物材料可作為柔性基層材料，還可應(yīng)用于沙漠地區(qū)[6]；朱洪洲等[7]通過(guò)室內(nèi)CBR試驗(yàn)得出，隨著SRX摻量增加，SRX聚合物穩(wěn)定級(jí)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(guò)CBR試驗(yàn)和抗壓回彈模量試驗(yàn)得出，當(dāng)SRX溶液摻量為0.50%時(shí)，天然砂礫CBR值為227.85%，回彈模量為520 MPa；試驗(yàn)路檢測(cè)結(jié)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(guò)垂直振動(dòng)儀成型SRX聚合物級(jí)配碎石試件，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能均隨SRX摻量增加而增大，但隨著摻量增加，增大幅度會(huì)下降。

鑒于此，筆者采用CBR試驗(yàn)研究SRX聚合物級(jí)配碎石強(qiáng)度特性，分析其關(guān)鍵影響因素，為SRX聚合物柔性基層的應(yīng)用提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

SRX聚合物由Romix International Ltd.公司生產(chǎn)，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(diǎn)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(kāi)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 級(jí) 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(jí)配，如表1。集料各項(xiàng)技術(shù)性能均符合JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》要求[10]。

表1 混合料級(jí)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(guò)SRX聚合物級(jí)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(dòng)性，可與集料直接拌和，自然養(yǎng)生即可形成強(qiáng)度。筆者參考土石材料風(fēng)干室內(nèi)試驗(yàn)方法，根據(jù)道路施工實(shí)際環(huán)境條件及Romix International Ltd.公司養(yǎng)生條件指標(biāo)，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(qiáng)度指標(biāo)

SRX聚合物是由煤、石油和天然油類(lèi)等材料提煉出的各類(lèi)單體樹(shù)脂聚合成的棕灰色液體，其級(jí)配碎石類(lèi)似冷拌瀝青混合料，均屬于柔性基層。我國(guó)柔性基層強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)主要是參考加州承載比(CBR)值，故以CBR值作為SRX聚合物的評(píng)價(jià)指標(biāo)[11-12]。筆者根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]要求，依據(jù)高速公路、一級(jí)公路等柔性基層的特性，設(shè)定SRX聚合物級(jí)配碎石浸水4 d室內(nèi)CBR值大于250%。

2 SRX聚合物級(jí)配碎石強(qiáng)度特性

2.1 壓實(shí)特性分析

SRX聚合物級(jí)配碎石壓突特性與混合料的密實(shí)度、強(qiáng)度密切相關(guān)[15]。參考文獻(xiàn)[16]，采用重型擊實(shí)方法獲得SRX聚合物級(jí)配碎石的最佳含水率與最大干密度。當(dāng)SRX摻量為0.50%時(shí)，級(jí)配JG、GM的SRX聚合物級(jí)配碎石的含水率和干密度關(guān)系如圖1。

圖1 SRX聚合物級(jí)配碎石的含水率和干密度的關(guān)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(guān)鍵影響因素

2.2.1 級(jí) 配

兩種級(jí)配(JG、GM)SRX聚合物級(jí)配碎石的CBR值見(jiàn)表2。

表2 SRX聚合物級(jí)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(shí)，JG碎石力學(xué)性能較GM級(jí)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(jí)配，粗、細(xì)集料搭配均勻，形成以粗集料嵌擠骨架、細(xì)集料填充空隙的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，具有較大的內(nèi)摩擦力。

摻入SRX聚合物后，兩種級(jí)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(jí)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(jí)配碎石的強(qiáng)度特性，在工程實(shí)踐中可優(yōu)先選用JG級(jí)配。

2.2.2 SRX摻量

不同養(yǎng)生齡期下，SRX摻量與CBR值關(guān)系曲線如圖2。

圖2 SRX摻量與CBR值關(guān)系Fig. 2 Relationship between SRX content and CBR value

從圖2可看出：兩種級(jí)配的CBR值均隨SRX摻量增加而增大，因?yàn)镾RX聚合物是一種水基聚合物，溶于水后會(huì)以水為載體，在集料間充分流動(dòng)，會(huì)均勻分散到集料表面，經(jīng)過(guò)重型擊實(shí)儀有效擊實(shí)，待水分蒸發(fā)后，集料之間形成有機(jī)黏膜將散粒集料牢固地黏結(jié)成整體，形成承載強(qiáng)度，使得CBR值增大；隨著SRX摻量增加，SRX聚合物級(jí)配碎石的CBR值增長(zhǎng)幅度減緩，由于SRX聚合物具有水性特征，流動(dòng)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(shí)過(guò)程中有少量損失，強(qiáng)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(guān)鍵，通過(guò)測(cè)試SRX聚合物級(jí)配碎石在不同養(yǎng)生齡期下的CBR值，分析其強(qiáng)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(jí)配碎石CBR值與養(yǎng)生齡期關(guān)系曲線如圖3。

圖3 SRX聚合物級(jí)配碎石CBR值與養(yǎng)生齡期關(guān)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(jí)配碎石的CBR值均隨養(yǎng)生齡期增長(zhǎng)而增大。最佳含水率下成型的CBR試件呈潮濕狀態(tài)，經(jīng)有效壓實(shí)后集料形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，同時(shí)隨著水分揮發(fā)，集料之間的有機(jī)黏膜結(jié)合更加牢固，因此具有較高的承載強(qiáng)度。隨著養(yǎng)生齡期增長(zhǎng)，尤其是養(yǎng)生齡期10 d之后，SRX聚合物級(jí)配碎石的CBR值增長(zhǎng)速率逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定。這是由于SRX聚合物級(jí)配碎石強(qiáng)度形成一部分依賴(lài)于水分揮發(fā)，養(yǎng)生前期相對(duì)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(zhǎng)較快；養(yǎng)生后期，試件殘余水分較少且大多水分在試件內(nèi)部，水分揮發(fā)較慢，導(dǎo)致強(qiáng)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(duì)含水率

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

表3 不同養(yǎng)生齡期的SRX聚合物級(jí)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(jí)配碎石CBR試件相對(duì)含水率隨養(yǎng)生齡期增加，前期急劇減少，后期趨勢(shì)減緩。相對(duì)含水率減小過(guò)程中，R泡、R干均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，與此同時(shí)，CBR相對(duì)強(qiáng)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(jī)輕質(zhì)組分揮發(fā)慢，集料間形成的有機(jī)黏膜尚未牢固黏結(jié)，泡水4 d后，強(qiáng)度明顯下降，導(dǎo)致R泡/R干較小；養(yǎng)生后期，試件中水分減少，有機(jī)輕質(zhì)組分幾乎完全揮發(fā)，有機(jī)黏膜有效黏結(jié)散粒集料，加強(qiáng)了混合料整體性能，水分對(duì)SRX聚合物級(jí)配碎石強(qiáng)度影響減小，因此R泡、R干差值相近[13]。

將級(jí)配JG、摻量0.50% SRX聚合物級(jí)配碎石的R泡/R干與Δω進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4，擬合關(guān)系見(jiàn)式(1)，相關(guān)系數(shù)R2=0.989。R干可根據(jù)式(1)求出任意Δω下SRX聚合物級(jí)配碎石的R泡。

R泡/R干=-0.000 9Δω2-0.122 8Δω+89.136 2

(1)

圖4 相對(duì)含水率與CBR值相對(duì)強(qiáng)度擬合關(guān)系Fig. 4 Fitting relationship between relative water content andrelative strength of CBR value

2.3 SRX聚合物級(jí)配碎石間接抗拉強(qiáng)度

選用級(jí)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(jù)文獻(xiàn)[17]測(cè)定間接抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如表4。

表4 SRX聚合物級(jí)配碎石間接抗拉強(qiáng)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(shí)，間接抗拉強(qiáng)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(jī)黏膜，改善了集料間的黏結(jié)力，從而提高了SRX聚合物級(jí)配碎石的間接抗拉強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

1)0.50%的SRX摻量，級(jí)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(jí)配JG的SRX聚合物級(jí)配碎石CBR值比間斷級(jí)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(dá)到10 d后增幅減小，之后保持穩(wěn)定；SRX聚合物級(jí)配碎石在JG、SRX摻量0.5%、自然養(yǎng)護(hù)10 d下浸水4 d的CBR值達(dá)到340%～370%，大于規(guī)范要求的250%。此外，SRX聚合物級(jí)配碎石間接抗強(qiáng)度亦隨著SRX摻量增加而增大。

3)依據(jù)SRX聚合物級(jí)配碎石相對(duì)含水率Δω與CBR相對(duì)強(qiáng)度R泡/R干變化規(guī)律，擬合出R泡/R干與Δω函數(shù)關(guān)系式，從而可由R干確定任意Δω下SRX聚合物級(jí)配碎石的R泡。