SRX聚合物稳定级配碎石动态模量影响因素研究

张新强，唐伯明,2，朱洪洲,2，欧 力

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2. 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074)

0 引 言

目前国内道路基层结构大多选用半刚性基层，半刚性基层具有强度大、承载能力强的特点。伴随交通量的不断增加，半刚性基层沥青路面服役期间出现大量的早期病害，包括车辙、龟裂、反射裂缝等，严重影响行车舒适性与道路使用耐久性，对国民经济造成极大损失。国外道路基层结构多采用柔性基层，柔性基层沥青路面能够有效避免道路出现反射裂缝等早期病害。针对柔性基层在国内道路工程中的应用，研究者已做了大量研究[1-7]，然而柔性基层较低的强度与高昂的工程造价限制了其在国内道路工程中的应用。此外，沥青与水泥材料属于不可再生资源，为实现道路可持续发展，亟需开发新型绿色环保材料用于道路建设。

为解决上述问题，国内外学者采用水基高分子聚合物(solution road soilfix，SRX)替代道路基层中水泥或沥青作为基层路用稳定剂。SRX聚合物为外观呈棕灰色的溶液，带有轻微的刺激性气味，主要成分为聚甲基丙烯酸乙酯(—[CH2CCH2—COOCH2CH3]n—)。与沥青类热塑性材料不同，SRX聚合物作为路用稳定剂应用于道路基层时，无需加热可直接与基层材料常温拌合，施工过程具有绿色环保、碳排放低的特点，将其用于道路基层时能够有效增加基层材料强度，提升基层材料的耐久性能[8]。S.R.LYENGAR等[9]对比研究了SRX聚合物与硅酸盐水泥用于稳定基层的物理、化学、力学和微观结构，结果表明，SRX聚合物稳定基层的抗压强度优于不稳定土与硅酸盐水泥稳定土，SRX聚合物稳定基层的抗车辙性能优异;JIANG Yingjun等[10]研究了不同压实方法对SRX稳定级配碎石力学性能的影响，结果表明采用垂直振动法获得的力学性能更加符合现场测量结果；杜洪新[11]验证了SRX聚合物用于道路基层建设的可行性；朱洪洲等[8,12]、何磊等[13]通过室内试验对SRX聚合物稳定级配碎石的力学强度、水稳定性及永久变形等路用性能进行研究；何丽红等[14]采用综合热分析仪、傅里叶红外光谱及动态流变剪切仪分析了SRX聚合物自身性能，测试结果表明，SRX聚合物具有良好的热稳定性与弹性恢复力，并通过黏附试验证明，SRX聚合物与集料之间具有较好的黏附性能；赵伟等[15]、薛金顺等[16]研究了含水率对SRX碎石强度的影响。

上述国内外研究推动了SRX聚合物在道路工程中的应用，然而当前SRX聚合物在国内道路工程应用中仍处于室内试验与铺设试验路阶段。针对SRX聚合物稳定级配碎石动态模量的影响因素及聚合物作用机理研究较少。基于此，笔者采用动三轴试验系统与扫描电镜(scanning electron microscopy, SEM)，研究SRX聚合物稳定级配碎石动态模量影响因素并探究聚合物作用机理，研究成果为今后SRX聚合物稳定级配碎石基层设计与施工提供技术支持。

1 试验概况

1.1 试验材料及设备

1.1.1 原材料

试验所用的SRX聚合物溶液技术指标如表1。

表1 SRX技术指标Table 1 SRX technical indicators

试验级配设计参考JTG/TF20—2015《公路路面基层施工技术细则》[17]，如表2。试验所用粗、细集料为云南省生产的花岗岩，技术指标见表3、表4。集料的最大干密度与最佳含水量采用击实试验确定，分别为2.396 g/cm3、3.84%。填料为花岗岩加工而成的矿粉，技术指标满足相关规范要求。

表2 试验级配Table 2 Test gradation

表3 粗集料技术指标Table 3 The coarse aggregate technical indicators

表4 细集料技术指标Table 4 The fine aggregate technical indicators

1.1.2 试验设备

动三轴试验装置为通用材料试验机UTM-100，试验装置由加载系统与围压系统组成，围压范围为0～210 kPa。加载过程中通过计算机控制加载波形，试验利用动三轴试验系统对试件施加轴向重复动应力与围压，获取其动态模量取值。

SEM作为一种观察微区形貌特征的有效手段，被广泛应用于观察物体形貌特征。电子束与待测样品之间的相互作用产生的次级电子等电信号被接收器转换为光信号并进行收集成像，从而实现对物质微观形貌的表征。笔者利用日立冷场发射S4800扫描电镜观察碎石与SRX聚合物碎石的表面形貌结构与黏结特征。测试时采用导电胶将样品固定在样品台上，由于样品导电性能差，因此通过喷金处理增强其导电性后再进行测试。

1.2 试件制备与养生

试验所用试件为标准圆柱形试件，直径为100 mm、高为200 mm。试件模具内壁采用乳胶薄膜包裹，方便试件脱膜。常温条件下将集料与SRX聚合物拌合，将拌合均匀的SRX聚合物级配碎石分多层加入试模并振实，制备过程应避免发生离析破坏。按照SRX掺量不同，试件成型分为3组。试件成型后应对试件进行养生，SRX聚合物稳定级配碎石于常温条件下进行养生。试验于室温条件下将试件养护至不同龄期，养生期间平均气温为35 ℃。动三轴试验前为避免试件漏水漏气，应在试件外套一层较薄乳胶膜。试件制备及加载准备如图1。

图1 试验试件制备及加载准备Fig. 1 Test specimen preparation and loading preparation

1.3 试验方案

动三轴试验相较常规静三轴试验，增加了轴向振动加载装置，通过施加轴向动应力与围压模拟路面基层真实场景行车荷载导致的三维受力。动三轴试验测试时不同技术参数设置如下：竖向应力为半正弦矢波脉冲动偏应力，其中加载时间为0.1 s，间歇时间为0.9 s，加载频率为1 Hz[18]。根据课题组前期试验结果，为防止试件发生剪涨破坏并考虑SRX聚合物级配碎石动态回弹模量取值范围，综合确定加载过程中轴偏应力不应超过300 kPa。

1.4 正交试验设计

SRX聚合物稳定级配碎石动态模量影响因素及水平如表5。

表5 正交试验因素及水平Table 5 Factors and levels in orthogonal test

2 试验结果及分析

2.1 动态回弹模量分析

图2为养护时间分别为2、6、10 d，SRX掺量为0、0.25%、0.50%与0.75%，并施加不同围压时，聚合物稳定级配碎石动态模量对比。

图2 不同SRX掺量下级配碎石动态模量Fig. 2 Dynamic modulus of graded crushed stone with different SRX content

分析图2可知，SRX聚合物稳定级配碎石动态模量随养护时间增加而变大；级配碎石动态模量随围压的增加而增大，但增加幅度明显低于SRX聚合物稳定级配碎石。分析原因可知，围压的增大提升了集料之间的嵌挤作用及SRX聚合物的有效黏结作用；养护时间对级配碎石动态模量无显著影响，而对SRX聚合物稳定级配碎石影响显著；当SRX掺量相同时，SRX聚合物稳定级配碎石动态模量随着围压的增加而变大，表明SRX聚合物级配碎石动态模量具有较强的应力依赖性。对比分析不同SRX聚合物稳定级配碎石动态模量可知，SRX聚合物能够明显提升级配碎石动态模量。当SRX掺量为0.25%、围压为103 kPa，相比SRX掺量为0，级配碎石动态回弹模量增加了87.2%；当SRX掺量为0.50%时，SRX聚合物稳定级配碎石动态模量已大于级配碎石动态模量规范中[19]推荐取值高值，满足设计要求。因此综合考虑SRX聚合物稳定级配碎石动态模量与工程经济性，在实际工程应用中，推荐SRX掺量为0.50%。

2.2 正交试验极差分析

试验采用三因素三水平正交试验表，不同因素水平如表5。同一水平试验条件下进行5次平行试验，去除试验数据中最大、最小的一组数据，以剩余3组数据的均值作为该水平下SRX聚合物稳定级配碎石动态模量，并采用极差分析法对试验结果进行分析。

表6 正交试验结果Table 6 Results of orthogonal test

由表7得出不同因素在不同水平下SRX聚合物稳定级配碎石模量的K1、K2、K3与极差，SRX聚合物稳定级配碎石动态模量最大为第九组，其SRX掺量为0.75%，养护时间为10 d，围压为69 kPa。结合图3可知，对SRX聚合物稳定级配碎石动态模量影响最为显著的为养护时间，与养护时间为2 d时动态模量取值相比，SRX聚合物级配碎石动态模量平均增长值为226 MPa，其次为SRX掺量与围压。因此在实际工程应用中，应确保SRX聚合物稳定级配碎石基层养护时间不少于10 d，进而保证SRX聚合物稳定级配碎石基层强度形成。

表7 正交试验极差分析Table 7 Range analysis of orthogonal test

图3 不同因素水平与SRX稳定级配碎石动态回弹模量的关系Fig. 3 The relationship between the level of various factors and the dynamic resilience modulus of SRX stable graded crushed stone

2.3 微观分析

微观分析所用集料样品与三轴试验所用相同，选用未掺加SRX聚合物溶液与掺加SRX聚合物溶液的5～8 mm粒径集料样品，经室外养护干燥后，用SEM分析SRX聚合物的作用机理，如图4。

观察图4可以得到，未掺加SRX聚合物的集料表面粗糙且存在大量空隙，掺加SRX聚合物后，集料表面光滑致密。SRX聚合物溶液以水为分散介质，拌合过程中集料表面空隙被聚合物均匀填充、裹附，并通过振动压实成型、后期养护后聚合物溶液中水分蒸发，集料表面形成的有机黏膜有效提升不同集料之间的相互黏结作用，不同集料之间的嵌挤更为密实，从而提升了级配碎石动态模量。

3 结 论

1)掺加SRX聚合物能够明显提升级配碎石动态模量。当SRX聚合物掺量为0.25%、围压为103 kPa、养护时间为10 d时，与相同条件下未掺加SRX聚合物级配碎石相比，级配碎石动态模量增幅为87.2%。

2)SRX聚合物级配碎石动态模量随SRX掺量、养护时间、围压增加而增大；极差分析结果表明，养护时间对SRX聚合物级配碎石动态回弹模量的影响最为显著，相比养护时间2 d时，SRX聚合物级配碎石动态回弹模量平均增长了226 MPa，其次是SRX掺量与围压；SRX聚合物稳定级配碎石用于道路基层施工时，为确保动态模量满足设计使用要求，应确保基层的养护时间不少于10 d。

3)SRX聚合物均匀裹附、填充在集料表面，有效提升了集料之间的相互黏结作用，进而提升了级配碎石动态模量。