SRX稳定级配碎石试件的养生条件及合理掺量

范同前，董丁明，路光辉，陈峙峰，韩 愈，陈忠达

(1.河南中州路桥建设有限公司，河南 周口 466000；2.陕西省延安公路管理局，陕西 延安 716099；3.周口市公路勘察设计院，河南 周口 466000；4.河南宏盛工程监理有限公司，河南 周口 466000；5.佛山市铁路投资建设集团有限公司，广东 佛山 528000；6.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

目前，我国高等级公路路面结构多采用半刚性基层[1]，虽然优点诸多，如整体强度高、板体性好，但也存在较为严重的早期损坏问题[2]，尤其是引起反射裂缝。SRX(Solution Road-soilfiX)稳定剂是一种水基聚合物，作为一种新型高分子树脂聚合物路用稳定剂，具有固结不可逆的特性[3]，自2008年以来，在北京、广东、辽宁和四川等地得到了先期应用[4]。SRX稳定剂是由多种特殊树脂及多种有机添加剂混合而形成的共聚物溶液，具有很好的胶结特性，且这种共聚物溶液能够在水中溶解并以水为传导媒介均匀分散到土石等稳定材料表面。SRX稳定剂与级配碎石经拌和均匀后，通过一定的压实作用及其内部水分挥发后，在碎石固体颗粒表面形成有机粘膜，将各碎石颗粒牢固地粘结为整体结构，并通过嵌挤作用形成强而韧的柔性结构层。SRX稳定级配碎石属于高韧性材料，收缩性能好，被用来作为设置于沥青面层和半刚性基层之间的SRX稳定级配碎石结构层可有效抑制半刚性基层收缩裂缝引起的沥青面层的反射裂缝，并且经济实惠、施工方便[3,5]。近年来聚合物SRX稳定材料已受到了一定关注，并且目前已有一定的研究和应用。张敏江等[6]对SRX稳定基层材料力学性能及其路面结构力学响应开展了研究；付俊[7]对SRX冷再生基层应用技术开展了研究，得到了SRX冷再生混合料的施工控制规律；杜洪新等[8]针对SRX稳定柔性基层的试验研究，采用在50 ℃烘箱内养生6 d的试件进行试验来确定SRX稳定剂掺量。SRX稳定级配碎石试件的养生条件和SRX稳定剂合理掺量是SRX稳定级配碎石应用的两个基本问题。但目前采用的试件养生方法不尽合理，文献[3]推荐的SRX稳定级配碎石养生方法，养生时间过长(达9 ～10 d)，在试验量稍大时，会影响试验进度，甚至工程进度，尚缺乏更为合理的快捷养生条件(包括养生温度、养生时间)，这将严重影响试件的养生周期，降低试验效率；另外不同的养生条件也会造成SRX稳定级配碎石性能的人为差异，使试验结果缺乏可比性。而SRX稳定剂掺量对SRX稳定级配碎石的强度、承载能力和稳定性有很大的影响，同时也会影响到其经济性。因此，开展SRX稳定级配碎石试件养生条件与SRX稳定剂合理掺量的研究十分必要。

鉴于此，本文通过养生温度对试件强度的影响分析和养生时间与试件含水率、失水率、失水速率的关系分析，研究SRX稳定级配碎石试件的养生条件(包括养生温度和养生时间)；通过重点考察SRX稳定剂掺量对无侧限抗压强度的影响规律，同时考虑稳定性，研究SRX稳定剂合理掺量。

1 原材料及混合料组成

1.1 原材料

原材料主要包括SRX稳定剂、集料。其中，SRX稳定剂是Romix International Ltd 公司生产的，其技术性能见表1；集料选用陕西渭南宫里镇凤西村料场生产的石灰岩集料，其技术性能符合规范要求[9]，具体结果见表2。

表1 SRX稳定剂的技术性能

表2 集料的技术性能

1.2 混合料组成

SRX稳定级配碎石混合料由级配碎石、SRX稳定剂和水配制而成。集料级配采用如表3所示的课题组先前研究确定的强嵌挤骨架密实型集料级配，振动击实法[10]确定的SRX稳定级配碎石最佳含水率为3.40%，最大干密度为2.47 g/cm3。根据初步研究，SRX稳定剂的基本掺量为0.5%。

表3 集料级配

2 养生条件

本文以加快SRX稳定级配碎石试件的失水速率和强度的形成，缩短养生时间为目的，在不影响最终强度的前提下，适当提高养生温度，最终研究确定出合理的养生温度和养生时间作为标准养生条件。

按98%的压实度振动成型规格为Φ150 mm ×150 mm的圆柱体试件；其次，将成型的SRX稳定级配碎石试件分为10组，其中9组分别在30，50，65，80，90，95，100，105，110 ℃的烘箱内进行养生，另1组在自然条件下进行养生，直至其含水率为零，即达到完全失水干燥状态，并分别记录各组试件含水率的变化。研究过程中，以自然条件(本文试验在7月进行开展，气温30 ℃左右)养生45 d的SRX稳定级配碎石试件作为基准，并以此试件强度作为基准强度；然后，将烘箱内加热养生结束后的9组试件进行无侧限抗压强度试验。根据试验结果，分析养生温度和养生时间对SRX稳定级配碎石试件无侧限抗压强度的影响规律以及SRX稳定级配碎石试件的含水率、失水率和失水速率的变化规律，以不影响SRX稳定级配碎石强度和显著加快其养生过程为原则，确定出SRX稳定级配碎石试件合理的养生条件。

2.1 养生温度对试件强度的影响

按上述试验方案，不同养生温度条件下SRX稳定级配碎石试件的无侧限抗压强度试验结果如图1所示。图1中还给出了初步的养生时间随养生温度的变化规律。

图1 不同养生温度下的无侧限抗压强度

由图1可知，养生温度的提高将很大程度上减少SRX稳定级配碎石试件的养生时间，即使试件达到干燥状态所需时间缩短。养生温度从30 ℃提高到110 ℃，试件达到干燥状态时，初步的养生时间从10 d缩短到12 h，大幅度减少了养生时间；养生温度从30 ℃提高到95 ℃，试件达到干燥状态时，养生时间大幅度减少；养生温度从95 ℃提高到110 ℃，试件达到干燥状态时，养生时间减少幅度逐渐降低，但养生温度从95 ℃提高到100 ℃，试件达到干燥状态时，养生时间实际上也减少了4 h，这说明养生温度为100 ℃时，可以进一步加快试件的干燥；另外，不同养生温度下试件的无侧限抗压强度值存在微小差别，但与自然条件(气温30 ℃左右)养生45 d的试件强度(6.6 MPa)相比，强度差值比仅为1.5%～3.0%，这种强度差异可能主要来自于试验误差等，可认为不同养生温度下试件的无侧限抗压强度与自然条件养生45 d的试件强度基本一致。由此表明，在一定温度范围内，养生温度对试件强度的影响不大，但养生温度的提高很大程度上加快了试件的养生进程和强度的形成。考虑到SRX稳定剂为高分子有机聚合物，过高的养生温度会对材料造成一定程度的老化，为了减少这种不利影响，保证试验结果的准确性、可靠性，因此试件的养生温度不宜太高，一般以不超过100 ℃为宜。同时考虑到较低的养生温度会增加养生时间，降低仪器设备的利用率，因此综合平衡试件强度和养生时间之间的要求，本文建议养生温度取为100±2 ℃。

2.2 养生时间与试件含水率的关系

前文已初步确定了养生温度为100 ℃，且在此温度下初步的养生时间为16 h。为了进一步确定养生时间，以SRX稳定级配碎石试件的含水率、失水率和失水速率为指标，分析在100 ℃的养生温度条件下，试件的含水率、失水率和失水速率随养生时间的变化规律，试验结果如图2～4所示。需说明的是，失水率定义为试件初始的含水率与某养生时刻的试件含水率之间的差值与初始含水率之比，失水速率定义为前一个养生时刻对应的试件含水率与后一个养生时刻的试件含水率之间的差值与养生时间间隔的比值。

图2 含水率随养生时间的变化

图3 失水率与养生时间的关系

图4 失水速率随养生时间的变化

由此可知，在100 ℃的养生温度条件下，随着养生时间的增加，试件的含水率逐渐减小，失水率逐渐增大，失水速率逐渐减慢。前2 h，试件失水速率最快，前6 h试件失水率达80%以上；此后试件失水率开始变慢，10 h后试件失水率已达96.8%，含水率降为0.11%，基本接近干燥状态；至16 h试件含水率接近0，失水率达100%，试件已处于干燥状态。

另外，根据图3可知，试件失水率与养生时间具有良好的关系，其回归方程见式(1)。

(1)

式中：ω为试件失水率(%)；t为养生时间(h)。

根据式(1)可确定SRX稳定级配碎石试件在任意养生时刻下的失水率。当失水率为100%时，试件含水率为零，达到干燥状态，对应的养生时间为15.6 h，结合图2～4可得养生时间为16 h。

2.3 养生条件确定

根据前文的分析，SRX稳定级配碎石试件的养生条件为：养生温度100±2 ℃，养生时间不小于16 h。

3 SRX稳定剂合理掺量

SRX稳定剂掺量必然会影响SRX稳定级配碎石的强度和稳定性。掺量过低起不到稳定的效果，掺量过高则会增加费用和成本。因此，确定既能满足路用性能要求又能兼顾经济性能的SRX稳定剂合理掺量是非常必要的。

SRX稳定剂合理掺量主要根据SRX稳定剂掺量与无侧限抗压强度关系来确定。干燥状态和饱水状态(将试件浸水24 h后基本能够完全湿润，所对应的试验状态称为饱水状态)下不同掺量SRX稳定级配碎石的无侧限抗压强度的试验结果如图5，6所示。

图5 同SRX稳定剂掺量下的无侧限抗压强度

图6 不同SRX稳定剂掺量下的无侧限抗压强度增长率

由图5，6可知，随SRX稳定剂掺量的增加，无论干燥状态还是饱和状态，SRX稳定级配碎石的无侧限抗压强度都是增大的，但其增幅逐渐减小。其中，掺量由0.25%增加到0.5%时，干燥、饱和状态下强度分别增加1.40，1.31 MPa，其增长率分别为26.4%，52.0%，增幅比较大；掺量由0.5%增加到0.75%时，干燥、饱和状态下强度分别增加0.40，0.59 MPa，其增长率分别为6.0%，15.4%，增幅明显减小；掺量由0.75%增加到1.0%时，增量更小，干燥、饱和状态下强度仅分别增加0.30，0.29 MPa，其增长率分别为4.2%，6.6%。而且在0.5%～0.75%掺量下SRX稳定级配碎石无侧限抗压强度已达6.7 MPa(干燥状态)和3.8 MPa(饱和状态)以上(见图5)，这都大于课题组提出的强度标准，如表4所示。

表4 SRX稳定级配碎石强度控制标准

因此，SRX稳定剂掺量大于0.75%时，通过增加掺量来提高SRX稳定级配碎石强度的作用已减弱，而且从经济性能考虑，SRX稳定剂掺量也不宜过大，否则成本将大大增加，因此SRX稳定剂掺量宜控制在0.75%以下；同时SRX稳定剂掺量也不宜太小，否则稳定效果会受到影响，当掺量小于0.5%时，SRX稳定级配碎石的强度较低，且0.5%掺量的SRX稳定级配碎石的强度较0.25%掺量有大幅度的提高，因此SRX稳定剂掺量也不宜小于0.5%。

另外还应考虑SRX稳定级配碎石的其他性能，如CBR值、水稳定性能和冻稳定性能等，掺量在0.5%～0.75%之间，CBR值基本能满足表5所示的要求。根据课题组先前的研究结果，SRX稳定级配碎石具有良好的水稳定性能，但冻稳定性能不是特别的理想，适当增加SRX稳定剂掺量，可改善和提高SRX稳定级配碎石的冻稳定性能，如表6所示。

表5 SRX稳定级配碎石CBR值试验结果

表6 不同掺量SRX稳定级配碎石冻稳定性能(5次冻融循环)

综上所述，本文建议SRX稳定剂掺量宜控制在0.5%～0.75%范围内，在一般情况下SRX稳定剂掺量为0.5%，多雨潮湿寒冷冰冻地区SRX稳定剂掺量为0.75%。

4 结 论

(1)养生温度对SRX稳定级配碎石的无侧限抗压强度影响不显著，在110 ℃范围内，养生温度的提高并不会影响SRX稳定级配碎石的最终强度，却显著加快了其强度形成和养生进程，同时为避免温度过高导致SRX稳定剂的老化，SRX稳定级配碎石试件的养生温度宜控制在100 ℃左右。在100 ℃养生温度条件下，试件失水率随养生时间增加而逐渐增大，当试件含水率为零、失水率达100%时，养生时间为16 h。为此，建议SRX稳定级配碎石试件的养生条件为：干燥烘箱内养生，养生温度100±2 ℃，养生时间应不小于16 h。

(2)随SRX稳定剂掺量的增加，SRX稳定级配碎石强度增大，在掺量0.5%～0.75%条件下强度增幅较大，稳定性也有大幅增强，而且SRX稳定级配碎石强度和承载能力满足要求。综合强度和稳定性，并兼顾经济性，建议SRX稳定剂掺量宜控制在0.5%～0.75%范围内，在一般情况下SRX稳定剂掺量为0.5%，多雨潮湿寒冷冰冻地区SRX稳定剂掺量为0.75%。

本研究所得出的结论主要针对所提出的试验材料。在进一步的研究中，采用更多类型的原材料作为试验对象，以此来验证和优化当前得出的结论。