新型聚合物稳定碎石基层的工程应用研究

黄爱清

摘 要：在以往的道路建设过程中，沥青、水泥、石灰、粉煤灰等传统筑路材料在生产、运输和使用过程中都会产生较大的温室气体（二氧化碳为主）排放。新型高分子聚合物材料是一类有别于沥青的特殊结合料，用其修建路面基层，可以克服以往采用无机料稳定基层材料易造成施工污染、工艺复杂、早期开裂现象严重等弊端，实现改善基层材料技术性能、优化路面结构的目的。结合常州城建学校新校区道路建设实体工程，对新型高分子聚合物稳定基层的材料与施工技术进行了分析研究。

关键词：新型聚合物 稳定碎石基层 工程应用

中图分类号：U416.214 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（a）-0038-05

长期以来，我国道路基础设施建设面临着资源占用与能源消耗日趋严重的形势，承受着石油沥青资源紧张、价格提高以及在材料生产与筑路施工中碳排放环境污染、耗能增加的压力，继续沿用传统的筑路材料与方法，已不适应可持续发展的建设理念。考虑到当前道路建设大规模发展的需求，以及筑路技术创新的迫切要求，有必要研究确定道路的合理结构形式、改进优化筑路材料以及修筑技术方法，通过技术进步与科技创新手段，实现社会与经济效益的显著提高。

以往的道路建设过程中，沥青、水泥、石灰、粉煤灰等传统筑路材料在生产、运输和使用过程中都会产生较大的温室气体（二氧化碳为主）排放；同时这些传统筑路材料的大规模利用又消耗了大量不可再生的自然资源，在开采、运输过程中也会对自然环境造成破坏。

另一方面，为满足日益增长的交通负载的需要，决定了我国长期来奉行“强基、薄面”的方针，由此水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料稳定材料成为最普遍的基层结构，且将沥青路面的承重层定位在半刚性基层上，沥青面层只起到表面功能的作用。但是，我国半刚性基层沥青路面结构导致的技术缺陷十分突出。（1）大量横向裂缝是我国公路主要早期病害类型之一，半刚性基层反射裂缝往往造成三层沥青层整体开裂，为结构性损坏。（2）半刚性基层排水性能差，是产生路面水损坏的主要原因。（3）半刚性基层沥青路面在高温条件下混合料模量降低和重载交通作用时产生剪切破坏，也容易形成沥青混合料流动性车辙。（4）半刚性基层施工若经过冬季还会产生冻胀松散损坏。（5）半刚性基层沥青路面使用寿命短，且一旦损坏需从基层开始翻修，这种维修养护方案实施困难，无机料基层的再生利用也较麻烦。

为此，新型聚合物材料稳定基层沥青路面应用技术的提出，旨在通过道路建筑材料与道路结构与设施的改进，采用新材料、新结构、新工艺替代传统材料、结构和工艺的技术方案，有效提高道路建设的环保效能，同时改善道路结构的部分技术品质。

结合常州城建学校新校区道路建设实体工程，通过实施水基高分子聚合物稳定基层等材料与结构新技术成果的应用与检验，对该项路用材料与结构改进技术进行技术经济可行性评估及应用技术研究。工程中所利用的高分子聚合物材料是一类有别于沥青的特殊结合料，以其修建路面基层，可以直接处理使用经济、来源广泛的当地土石材料，大量节省建筑砂石材料的开采运输成本，有效保护自然生态环境。这类柔性路面结构层，还可以克服以往采用无机料稳定基层材料易造成施工污染、工艺复杂、早期开裂现象严重等弊端。通过采用新型高分子聚合物稳定材料与技术，可以实现改善基层材料技术性能、优化路面结构的目的。

1 新型高分子聚合物的特性分析

新型高分子聚合物（SRX）材料是近年来国际筑路工程中开始广泛应用的一种新型高分子树脂聚合物路用稳定剂，目前已经在30多个国家大量应用。SRX聚合物为水基的、以多种压力敏感性树脂、高强抗老化树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，而是有别于沥青的特殊路用聚合物，SRX聚合物一般应用于道路基层，通过多种树脂及多种有机添加剂混合而成的共聚物溶液，它可溶于水并以水为传导介质，均匀分散到土石等稳定材料表面，经有效的压实和水分挥发过程，在道路结构层内部的土石固体颗粒表面形成有机粘膜，将其牢固的粘结成整体，形成强而韧性的柔性路面结构层。该聚合物溶液以水为基质材料，具备了环保、不燃、不爆、低挥发性的优点。

SRX聚合物稳定基层的主要特点表现在以下几方面。

（1）具有环保性。

SRX聚合物材料是一种无毒、无害、不腐蚀、无重金属的环保产品，对水源和土壤无任何污染，国外曾应用SRX的衍生产品作为饮用水水渠的防水材料。

（2）有效抑制路面产生裂缝。

SRX是多种树脂及多种有机添加剂混合而成的共聚物材料。它宜与（路基）土石材料或（路面）碎砾石材料稳固地粘结后，体现出强而韧的柔性稳定结构特性，具有良好的整体性，能有效解决半刚性基层路面难以避免的温缩裂缝、干缩裂缝的反射病害。疲劳性能试验表明经过SRX聚合物稳定的道路基层抗疲劳指标显著高于水泥等无机料稳定材料，尤其是对相对低应力水平的情况表现更加明显。这样就大大减少了道路疲劳反射裂缝的产生。

（3）避免产生车辙。

SRX聚合物材料稳定路面结构层高温稳定性优于常规沥青混凝土面层，其强度和韧性兼备的特性避免了路面高温车辙的产生。SRX半柔性基层模量变异性不大，一般不会有车辙病害产生。

（4）开放交通早，不需要洒水养生。

与半刚性材料不同的是SRX稳定路面结构施工不需要洒水养生，仅需常温条件养生即可。随着水分挥发，SRX聚合物材料胶结强度逐渐提高。结构层压实后可以保证相对短期内开放交通。尤其晴天日照充分时，压实后开放交通早。

（5）混合料存放时间长。

SRX混合料拌和后堆积存放保持水分的情况下可以在短期内继续使用，超过时限只需添加少量SRX和水重新拌和便可重新使用，这为道路施工创造了宽松的条件。

（6）防水能力好，不受雨季影响，水稳性好。endprint

SRX在雨季也可以施工，只是要求具备适于碾压含水量即可，一旦压实成型，其抗水侵蚀能力显著，不会发生翻浆现象。

（7）施工快捷设备简单。

高等级道路采用厂拌法和摊铺机摊铺可以更好的提高效率和铺筑质量，一般道路也可采用路拌法施工。可以快速开放交通不需要洒水养生，SRX稳定层经日照，稳定层表面干燥后即可铺筑沥青面层，完成12 m宽的公路，SRX稳定层拌和铺筑的时间一般只需2～3 d/km。

（8）适用范围广。

SRX聚合物材料耐腐蚀、耐酸碱。可以稳定各种酸、碱性材料、盐渍土以及破碎的混凝土建筑垃圾、旧路铣刨破碎料等。

（9）SRX稳定层属半柔性结构，对重载车的轴载敏感性小，面层不要求很厚。

国外SRX柔性基层应用工程以印度、南非为例，交通条件既有重载也有大交通量，路面结构大多为4 cm厚热沥青混合料面层，其下为15 cm以上SRX聚合物处理基层，SRX聚合物掺加量多为0.5%～1.0%。

综上所述，SRX聚合物材料有别于沥青、水泥、石灰等常规半刚性稳定材料，在技术品质、适用条件、施工工艺以及综合经济造价等方面均具备突出的优势与创新性，经过国内外多项实体工程应用验证，将其作为水泥和沥青以外的另一类重要路用材料进行推广应用，对我国道路建设技术革新与进步、环境保护以及可持续发展具有重要意义。

根据ROMIX公司产品技术标准，水基聚合物SRX原材料应满足的技术要求如表1所示，该工程经检验试验样品符合相应技术要求。

2 新型高分子聚合物稳定碎石基层配合比设计

SRX高分子聚合物稳定碎石材料结构强度与稳定性形成的前提是保证其混合料的密度，从而实现粒料材料嵌锁作用的同时，颗粒界面达到最大接触状态，使SRX高分子聚合物的结合效果最佳，这与常规道路材料通过压实，在最佳含水量下达到最大密实度的特性并无不同，SRX高分子聚合物稳定碎石材料压实特性分析可以借鉴常规道路材料击实试验方法。

该工程中采用的石料为37.5～9.5 mm轧制碎石、9.5～4.75 mm瓜米石以及4.75mm以下的石屑石粉等不同粒径的集料组配而成。其技术性能试验及合成级配分析结果如表2、表3。

SRX高分子聚合物稳定碎石材料成型标准要求的最佳含水量和最大干密度试验按照《公路土工试验规程JTG E40-2007》击实试验的方法进行确定。击实试验过程中，SRX高分子聚合物仍呈水基状态，故将其作为含水量的一部分考虑，根据规范要求，试验采用三层填料、每层击实98次的重型击实方法。对实验结果进行分析得到最佳含水量为5.5%（其中包含SRX高分子聚合物掺加量部分），最大干密度为2.358 g/cm3。

道路基层混合料配合比组成设计一般均为基于某个或某些控制指标的稳定材料最佳掺加量的确定，SRX高分子聚合物稳定碎石配合比组成设计方法仍如此，只是根据SRX高分子聚合物的作用机理，随其掺加量的增加，聚合效果会愈加明显，相应的控制指标也会提高，因而从工程经济性考虑，SRX高分子聚合物的掺加量可以达到控制指标的规范要求为准。

长期以来，我国对常规半刚性基层材料的控制指标是7d无侧限抗压强度，对于粒料类柔性材料的控制指标是CBR值，这与国外基层材料结构强度控制指标一致。就SRX高分子聚合物稳定碎石而言，当聚合作用形成后，碎石的整体强度得到保证，抗水侵蚀能力得到改善，7d无侧限抗压强度随聚合物掺加量的提高而增加。相应无SRX聚合物稳定碎石材料，在经受1d浸水条件后会即刻坍散破坏。国内外多项研究证实，基层材料的无侧限抗压强度、CBR值的变化具有相关性。由于7d无侧限抗压强度测定方法简单成熟，该指标与常规半刚性基层材料控制指标具有一致性，利于进行比较分析，故仍基于7d无侧限抗压强度作SRX高分子聚合物稳定碎石配合比组成设计，必要时可以CBR值做验证。参考SRX高分子聚合物国外应用经验，掺加量在0.5%～ 1.5%间试配分析。

基于无侧限抗压强度的SRX高分子聚合物稳定碎石配合比组成试验结果表明，随SRX高分子聚合物掺加量的增加，7d无侧限抗压强度逐渐提高，这比所有粒料基层的整体强度有显著改善，若对照无机料稳定材料的强度标准，将其作为柔性材料和非水硬性刚性材料考虑，并借鉴国外柔性材料降低刚度的特点，强度标准达到无机料稳定材料低限即可，根据相关规范要求确定SRX高分子聚合物稳定碎石无侧限抗压强度以0.8MPa为度，对应的SRX高分子聚合物掺加量约为0.5%～1%，室内试验中均以0.5%掺加量为分析对象，该剂量下的CBR值平均为247%。需要说明的是，这里7d无侧限抗压强度养生条件为6d干燥养生（50℃）并1d饱水养生（20±2）℃。

3 新型高分子聚合物稳定基层实体工程总结

结合常州建设高等职业技术学校新校区交通特点和该地区应用无机结合料稳定基层施工经验，在新校区道路建设项目中采用了石灰土底基层，上铺20 cm新型聚合物稳定碎石柔性基层，及5 cm沥青混凝土磨耗层的路面结构方案。路宽10 m，主干路和环路总长2.5 km左右，石灰土处理路基30 cm。

由于工程中应用SRX聚合物稳定碎石基层的作用，可使得稳定粒料承载比强度CBR值提高到160%，并相对于无结合料粒料基层，显著提高基层材料的整体性、抗水损坏能力和抗疲劳寿命，再加上此聚合物材料对温度不敏感，抗干、冻缩能力强的特点，能够有效避免以往道路结构易产生的反射裂缝和车辙病害，提高了道路使用寿命。

考虑柔性结构路面柔韧性和消解动载能力强的原理，聚合物道路可减少沥青混凝土表面层厚度，易实现类似全厚式沥青路面强而韧结构特性的效果，优化了路面结构组合。

3.1 工程特点

对国内外高分子聚合物SRX稳定级配碎石基层实体工程施工过程的技术管理经验表明，该新型材料稳定基层的施工过程及其技术要点体现出与常规半刚性基层比较具有如下突出的特点。endprint

（1）生产设备简易。

SRX聚合物与级配碎石只需在常温下混拌，聚合物呈水基液态，便于拌和均匀，故目前工程中常用无机料拌合设备和摊铺压实设备即可完成各项施工工艺。但由于SRX聚合物掺加量相对较低，为保证材料用量和均匀性，拌和生产设备的配料计量系统需作适当改进。拌和场拌合设备装置见图3。

（2）混合料生产与施工过程的环境保护。

SRX聚合物一般呈中性，无挥发，湿态拌和，不会产生粉尘、有害气体、渗漏等对空气、水土的污染；生产与施工过程中，施工人员也无需穿戴特殊防护装备，对施工人员健康没有伤害。

（3）施工工艺简单和快捷。

不同于常规无机料稳定材料，混合料中不需要掺加石灰或水泥，无材料终凝前完成工艺过程的要求，SRX聚合物稳定材料在未压实前只需保持水分，可允许施工操作时间较长，一般在3～5 d内均可使用，为施工时间的调整提供了充分的余地。

（4）干燥养生条件。

SRX聚合物稳定材料压实后不需要洒水养生，而是在自然环境中失水养生或风干。它的强度形成是依靠级配材料压实后的嵌挤力和聚合物水分挥发后的胶黏力来获得的。所以要求在最佳含水量的基础上压实基层获得最大密实度，以形成理想的嵌锁能力和结合膜聚合能力，使聚合物（SRX）稳定级配碎石基层强度和稳定性达到最大。

（5）工后限制条件不苛刻。

SRX聚合物稳定材料工后自然疏干无需洒水保湿，若进行封层或表面覆盖后可允许临时交通限速通行，除降雨情况外，疏干时间一般较短，尤其日照充分时养生时间显著节省。如果施工期间遇到降雨，则应停止施工，材料要进行遮盖，适当增加养生时间。

3.2 施工流程

在SRX聚合物稳定材料施工过程中的集料级配控制、聚合物掺加量（掺配比控制）、含水量控制、拌和均匀性、压实工艺是施工中的重要工序和主要控制点。拌和法施工工艺如图4所示。

3.3 实体工程施工中的问题与对策

虽然在施工前进行了较全面的技术研讨并制定了严格的工艺规程，但在实施中的实际操作环节仍存在疏忽之处，需采取相应措施处治，并作为工程技术指南中加以重视的技术要点起到借鉴作用。施工中存在的主要问题与解决对策如下。

（1）聚合物稳定碎石基层材料含土量较大。

聚合物稳定碎石孔隙率为3%～8%。细集料比例在40%，无水泥等自硬性材料，由于原材料不均匀，部分细集料中粘土比例偏高，造成碾压时含水量偏高造成局部碾压不实，基层局部弹软现象。

采取的措施包括：降低含水量至5%以及减少细集料中石粉的比例，1/2用量以石屑替代，问题解决效果明显。

（2）混合料压实过程中压实遍数与速度控制不严谨。

SRX聚合物稳定碎石基层的压实作业要求仍很严格，为保证压实度，有效的做法是压实遍数不少于、压实速度不大于规定。压实设备上以轮胎式压路机的压实功充分，利于达到压实效果良好。试验路工程初时未注意到压实控制特点，在压实度实时检测值偏低时进行了重新组织，得到了显著改善。

（3）养生期遇雨。

失水养生初期遇雨水天气。在充分压实后采取苫布遮挡处理，并于雨停2 d内追加碾压一次，效果很好。

3.4 工程经验

对试验路施工过程出现各类问题以及技术指标检测结果的分析，可以归纳出聚合物稳定基层施工经验如下。

（1）应确保粒料材料的级配组成与技术品质符合要求，尤其应据此调整聚合物的掺加量，以保证结构层的强度、整体性与稳定性。

（2）聚合物的掺加量应严格控制并进行有效的检测，同时应保证混合料成品的均匀性，这些需要在无机料拌合设备改装时做好设计，尤其注意在混合料湿拌前将计量准确的聚合物与水进行预先混合，这是保证均匀性的重要条件。

（3）聚合物稳定粒料材料压实含水量敏感性较高，含水量超过最佳会面临产生翻浆的风险，给后期处理带来麻烦，也对结构稳定性造成不良后果，根据现有压实设备重量可以充分满足的情况，施工时在最佳或略低含水量条件下上碾是适当的方案。

（4）压实是形成结构层强度与稳定性的主要环节，压实设备与压实方法的选择影响最终压实效果，除了严格按照常规“四先四后”的压实原则施工外，应注意静力、振动、胶轮压路机配合作业，其中胶轮压路机的追密作用不可忽略，控制低速碾压、满足压实遍数是保证压实效果的必要条件。

（5）聚合物稳定材料基层要求风干条件养护，如遇降雨应做好防护及排水，防护覆盖可采用多种形式。养护期间聚合物与粒料结合强度尚未完全形成，容易在外界的扰动作用下松散，因而要求养护期间尤其初期（2d内）注意控制交通，在后续施工作业（如路缘结构、地下管线等）中进行覆盖保护是必要的。如条件许可，封闭养护后即刻铺筑底面层形成保护结构。产生结构层表面扰动破坏后，浅层可清扫或喷洒聚合物水溶液重新压实，深层需挖补新混合料压实成型。

（6）聚合物稳定基层上部沥青面层施工前，应清扫干净表面浮渣尘土，以利透层油的层间结合作用的形成。

4 结语

在分析研究国外应用SRX稳定基层材料聚合机理与技术特点的基础上，结合SRX稳定碎石基层原材料、混合料组成、混合料技术性能等方面的室内试验研究，并经过实体工程验证，对SRX稳定碎石基层在道路工程中的应用技术总结如下。

（1）以SRX稳定碎石基层构建的柔性路面是目前适用于道路建设实际条件的新型路面结构形式，SRX聚合物以水基状态常温环境下建筑稳定碎石基层，施工简便易控，能源消耗极低，加之以SRX稳定碎石基层构建的柔性路面相对我国常规的半刚性基层沥青路面可以切实降低收缩开裂缺陷，克服路面结构水损坏与耐久性不足的缺陷，维持沥青路面良好的使用性能，SRX稳定碎石基层在道路工程中的应用具有广阔的前景。endprint

（2）SRX稳定碎石基层仍需通过压实形成整体结构强度，其压实性能指标与常规基层材料无差别，最佳含水量与最大干容重与粒料基层相近，在压实过程中聚合物以水基形态存在对混合料压实状态无特别影响，可采用常规压实工艺控制施工。而在养生成型时，鉴于水基聚合物失水后形成聚合作用的原理，干燥养生是SRX稳定碎石基层有别于目前常用半刚性基层材料养生条件的主要不同点。

（3）沿用目前常用半刚性基层材料组成设计原则，提出了SRX稳定碎石基层材料配合比设计方法，验证了符合强度要求的聚合物常用剂量为0.5%～1%。

（4）通过实体工程的实施表明，SRX稳定碎石基层与常规半刚性基层施工过程比较，具有其特殊性，包括对地材适用范围广、路拌厂拌法均可、无需特殊设备与方法，常温条件施工、工艺操作时间宽裕，施工环境污染少，自然风干养生等。SRX稳定碎石基层的技术性能良好，在经济性和工艺方法上具有充分的适用性和实际工程推广应用价值。

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