SRX聚合物穩定級配碎石動態模量影響因素研究

張新強，唐伯明,2，朱洪洲,2，歐 力

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室，重慶 400074)

0 引 言

目前國內道路基層結構大多選用半剛性基層，半剛性基層具有強度大、承載能力強的特點。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大量的早期病害，包括車轍、龜裂、反射裂縫等，嚴重影響行車舒適性與道路使用耐久性，對國民經濟造成極大損失。國外道路基層結構多采用柔性基層，柔性基層瀝青路面能夠有效避免道路出現反射裂縫等早期病害。針對柔性基層在國內道路工程中的應用，研究者已做了大量研究[1-7]，然而柔性基層較低的強度與高昂的工程造價限制了其在國內道路工程中的應用。此外，瀝青與水泥材料屬于不可再生資源，為實現道路可持續發展，亟需開發新型綠色環保材料用于道路建設。

為解決上述問題，國內外學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瀝青作為基層路用穩定劑。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聚合物作為路用穩定劑應用于道路基層時，無需加熱可直接與基層材料常溫拌合，施工過程具有綠色環保、碳排放低的特點，將其用于道路基層時能夠有效增加基層材料強度，提升基層材料的耐久性能[8]。S.R.LYENGAR等[9]對比研究了SRX聚合物與硅酸鹽水泥用于穩定基層的物理、化學、力學和微觀結構，結果表明，SRX聚合物穩定基層的抗壓強度優于不穩定土與硅酸鹽水泥穩定土，SRX聚合物穩定基層的抗車轍性能優異;JIANG Yingjun等[10]研究了不同壓實方法對SRX穩定級配碎石力學性能的影響，結果表明采用垂直振動法獲得的力學性能更加符合現場測量結果；杜洪新[11]驗證了SRX聚合物用于道路基層建設的可行性；朱洪洲等[8,12]、何磊等[13]通過室內試驗對SRX聚合物穩定級配碎石的力學強度、水穩定性及永久變形等路用性能進行研究；何麗紅等[14]采用綜合熱分析儀、傅里葉紅外光譜及動態流變剪切儀分析了SRX聚合物自身性能，測試結果表明，SRX聚合物具有良好的熱穩定性與彈性恢復力，并通過黏附試驗證明，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SRX碎石強度的影響。

上述國內外研究推動了SRX聚合物在道路工程中的應用，然而當前SRX聚合物在國內道路工程應用中仍處于室內試驗與鋪設試驗路階段。針對SRX聚合物穩定級配碎石動態模量的影響因素及聚合物作用機理研究較少。基于此，筆者采用動三軸試驗系統與掃描電鏡(scanning electron microscopy, SEM)，研究SRX聚合物穩定級配碎石動態模量影響因素并探究聚合物作用機理，研究成果為今后SRX聚合物穩定級配碎石基層設計與施工提供技術支持。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及設備

1.1.1 原材料

試驗所用的SRX聚合物溶液技術指標如表1。

表1 SRX技術指標Table 1 SRX technical indicators

試驗級配設計參考JTG/TF20—2015《公路路面基層施工技術細則》[17]，如表2。試驗所用粗、細集料為云南省生產的花崗巖，技術指標見表3、表4。集料的最大干密度與最佳含水量采用擊實試驗確定，分別為2.396 g/cm3、3.84%。填料為花崗巖加工而成的礦粉，技術指標滿足相關規范要求。

表2 試驗級配Table 2 Test gradation

表3 粗集料技術指標Table 3 The coarse aggregate technical indicators

表4 細集料技術指標Table 4 The fine aggregate technical indicators

1.1.2 試驗設備

動三軸試驗裝置為通用材料試驗機UTM-100，試驗裝置由加載系統與圍壓系統組成，圍壓范圍為0～210 kPa。加載過程中通過計算機控制加載波形，試驗利用動三軸試驗系統對試件施加軸向重復動應力與圍壓，獲取其動態模量取值。

SEM作為一種觀察微區形貌特征的有效手段，被廣泛應用于觀察物體形貌特征。電子束與待測樣品之間的相互作用產生的次級電子等電信號被接收器轉換為光信號并進行收集成像，從而實現對物質微觀形貌的表征。筆者利用日立冷場發射S4800掃描電鏡觀察碎石與SRX聚合物碎石的表面形貌結構與黏結特征。測試時采用導電膠將樣品固定在樣品臺上，由于樣品導電性能差，因此通過噴金處理增強其導電性后再進行測試。

1.2 試件制備與養生

試驗所用試件為標準圓柱形試件，直徑為100 mm、高為200 mm。試件模具內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聚合物級配碎石分多層加入試模并振實，制備過程應避免發生離析破壞。按照SRX摻量不同，試件成型分為3組。試件成型后應對試件進行養生，SRX聚合物穩定級配碎石于常溫條件下進行養生。試驗于室溫條件下將試件養護至不同齡期，養生期間平均氣溫為35 ℃。動三軸試驗前為避免試件漏水漏氣，應在試件外套一層較薄乳膠膜。試件制備及加載準備如圖1。

圖1 試驗試件制備及加載準備Fig. 1 Test specimen preparation and loading preparation

1.3 試驗方案

動三軸試驗相較常規靜三軸試驗，增加了軸向振動加載裝置，通過施加軸向動應力與圍壓模擬路面基層真實場景行車荷載導致的三維受力。動三軸試驗測試時不同技術參數設置如下：豎向應力為半正弦矢波脈沖動偏應力，其中加載時間為0.1 s，間歇時間為0.9 s，加載頻率為1 Hz[18]。根據課題組前期試驗結果，為防止試件發生剪漲破壞并考慮SRX聚合物級配碎石動態回彈模量取值范圍，綜合確定加載過程中軸偏應力不應超過300 kPa。

1.4 正交試驗設計

SRX聚合物穩定級配碎石動態模量影響因素及水平如表5。

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

2 試驗結果及分析

2.1 動態回彈模量分析

圖2為養護時間分別為2、6、10 d，SRX摻量為0、0.25%、0.50%與0.75%，并施加不同圍壓時，聚合物穩定級配碎石動態模量對比。

圖2 不同SRX摻量下級配碎石動態模量Fig. 2 Dynamic modulus of graded crushed stone with different SRX content

分析圖2可知，SRX聚合物穩定級配碎石動態模量隨養護時間增加而變大；級配碎石動態模量隨圍壓的增加而增大，但增加幅度明顯低于SRX聚合物穩定級配碎石。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聚合物的有效黏結作用；養護時間對級配碎石動態模量無顯著影響，而對SRX聚合物穩定級配碎石影響顯著；當SRX摻量相同時，SRX聚合物穩定級配碎石動態模量隨著圍壓的增加而變大，表明SRX聚合物級配碎石動態模量具有較強的應力依賴性。對比分析不同SRX聚合物穩定級配碎石動態模量可知，SRX聚合物能夠明顯提升級配碎石動態模量。當SRX摻量為0.25%、圍壓為103 kPa，相比SRX摻量為0，級配碎石動態回彈模量增加了87.2%；當SRX摻量為0.50%時，SRX聚合物穩定級配碎石動態模量已大于級配碎石動態模量規范中[19]推薦取值高值，滿足設計要求。因此綜合考慮SRX聚合物穩定級配碎石動態模量與工程經濟性，在實際工程應用中，推薦SRX摻量為0.50%。

2.2 正交試驗極差分析

試驗采用三因素三水平正交試驗表，不同因素水平如表5。同一水平試驗條件下進行5次平行試驗，去除試驗數據中最大、最小的一組數據，以剩余3組數據的均值作為該水平下SRX聚合物穩定級配碎石動態模量，并采用極差分析法對試驗結果進行分析。

表6 正交試驗結果Table 6 Results of orthogonal test

由表7得出不同因素在不同水平下SRX聚合物穩定級配碎石模量的K1、K2、K3與極差，SRX聚合物穩定級配碎石動態模量最大為第九組，其SRX摻量為0.75%，養護時間為10 d，圍壓為69 kPa。結合圖3可知，對SRX聚合物穩定級配碎石動態模量影響最為顯著的為養護時間，與養護時間為2 d時動態模量取值相比，SRX聚合物級配碎石動態模量平均增長值為226 MPa，其次為SRX摻量與圍壓。因此在實際工程應用中，應確保SRX聚合物穩定級配碎石基層養護時間不少于10 d，進而保證SRX聚合物穩定級配碎石基層強度形成。

表7 正交試驗極差分析Table 7 Range analysis of orthogonal test

圖3 不同因素水平與SRX穩定級配碎石動態回彈模量的關系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，經室外養護干燥后，用SEM分析SRX聚合物的作用機理，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，拌合過程中集料表面空隙被聚合物均勻填充、裹附，并通過振動壓實成型、后期養護后聚合物溶液中水分蒸發，集料表面形成的有機黏膜有效提升不同集料之間的相互黏結作用，不同集料之間的嵌擠更為密實，從而提升了級配碎石動態模量。

3 結 論

1)摻加SRX聚合物能夠明顯提升級配碎石動態模量。當SRX聚合物摻量為0.25%、圍壓為103 kPa、養護時間為10 d時，與相同條件下未摻加SRX聚合物級配碎石相比，級配碎石動態模量增幅為87.2%。

2)SRX聚合物級配碎石動態模量隨SRX摻量、養護時間、圍壓增加而增大；極差分析結果表明，養護時間對SRX聚合物級配碎石動態回彈模量的影響最為顯著，相比養護時間2 d時，SRX聚合物級配碎石動態回彈模量平均增長了226 MPa，其次是SRX摻量與圍壓；SRX聚合物穩定級配碎石用于道路基層施工時，為確保動態模量滿足設計使用要求，應確保基層的養護時間不少于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作用，進而提升了級配碎石動態模量。