孫連忠， 郭宏偉， 陳峙峰， 韓 愈， 陳忠達(dá)

(1.河南宏盛工程監(jiān)理有限公司， 河南 周口 466000； 2.周口市公路勘察設(shè)計(jì)院， 河南 周口 466000；3.佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司， 廣東 佛山 528000；4.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710064)

我國(guó)高等級(jí)公路廣泛采用半剛性基層，它具有整體強(qiáng)度高、板體性好等特點(diǎn)，可有效提高瀝青路面的承載能力，但因其極易產(chǎn)生收縮裂縫，導(dǎo)致瀝青面層易開裂，在行車荷載、氣候、水等綜合作用下，易引起瀝青路面唧漿、松散、坑槽等病害[1-2]，致使其早期損壞現(xiàn)象較為突出[3]。

為抑制半剛性基層收縮裂縫引起的瀝青面層的反射裂縫，已有研究者[4-7]在瀝青面層與半剛性基層之間設(shè)置了柔性基層，如普通瀝青、乳化瀝青、橡膠瀝青等，此外具有柔性特性的SRX(Solution Road-soilfiX)穩(wěn)定級(jí)配碎石在抗反射裂縫方面也得到了一定的研究和應(yīng)用[8-9]。張敏江等[10]對(duì)SRX穩(wěn)定基層材料力學(xué)性能及其路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)開展了研究。杜洪新[11]對(duì)比分析了SRX穩(wěn)定材料與無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的性能，發(fā)現(xiàn)SRX穩(wěn)定材料具有強(qiáng)度高、抗疲勞性能好的特點(diǎn)。付俊[12]確定了SRX冷再生混合料的施工控制規(guī)律。SRX是一種由多種高分子樹脂及有機(jī)溶液聚合而成的水基聚合物材料，通過(guò)與級(jí)配碎石等土石材料充分拌和、壓實(shí)后，內(nèi)部水分揮發(fā)，在碎石顆粒表面形成一層具有粘彈性的有機(jī)薄膜，并通過(guò)顆粒間擠壓粘結(jié)成整體從而形成強(qiáng)度，具有強(qiáng)而韌的柔性結(jié)構(gòu)層特性，耐腐蝕、耐酸堿、耐高溫性能及固結(jié)不可逆特性，且養(yǎng)生方法簡(jiǎn)單，施工方便，有良好的環(huán)保性能和經(jīng)濟(jì)效益[13]。

自2008年以來(lái)，SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石在北京、廣東、遼寧和四川等地得到了先期應(yīng)用，但作為一種新型路用材料，在實(shí)體工程應(yīng)用中環(huán)境自然因素(溫度、水、冰凍等)對(duì)材料的穩(wěn)定性能影響尚缺乏系統(tǒng)研究。鑒于此，本文通過(guò)溫縮試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)對(duì)SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石的穩(wěn)定性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1 原材料及混合料組成

1.1 原材料及其性能

原材料主要包括：SRX穩(wěn)定劑、集料。SRX穩(wěn)定劑由某國(guó)際公司生產(chǎn)，聚合物SRX材料的主要成分是聚甲基丙稀酸乙酯，其固體含量為29.33%，pH值為9，粘稠度為78.6 cps，沸點(diǎn)、比重、易燃性、水溶性等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求[13]；集料選用陜西渭南宮里某料場(chǎng)生產(chǎn)的石灰?guī)r集料，各項(xiàng)技術(shù)性能及規(guī)范[14]要求如表1所示。

1.2 混合料組成

SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料由級(jí)配碎石、SRX穩(wěn)定劑和水配制而成，其中集料級(jí)配、SRX穩(wěn)定劑摻量等采用課題組前期研究成果[15]。SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石采用強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，其集料級(jí)配如表2所示。振動(dòng)擊實(shí)法[16]確定的SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石的最佳含水率為3.40%，最大干密度為2.47 g/cm3，SRX穩(wěn)定劑的基本摻量為0.5%。

表1 集料的技術(shù)性能 %

表2 集料級(jí)配

SRX穩(wěn)定劑加入級(jí)配碎石集料的流程為：1) 將SRX提前溶于水，攪拌均勻，得到SRX與水的混合溶液；2) 將級(jí)配碎石集料攪拌均勻；3) 把SRX和水的混合溶液加入到級(jí)配碎石集料中，并繼續(xù)攪拌至混合料均勻混合為止。

2 溫縮性能試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

2.1 試驗(yàn)

溫縮性能采用溫縮試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，用溫縮系數(shù)來(lái)表征。為此，SRX穩(wěn)定劑摻量分別取0.25%、0.5%、0.75%和1%，按98%的壓實(shí)度靜壓成型100 mm × 100 mm × 400 mm的梁式試件，并根據(jù)前期研究推薦在100 ℃± 2 ℃干燥烘箱內(nèi)養(yǎng)生16 h。參考我國(guó)大致氣候分布，確定我國(guó)的溫度區(qū)間大致在-20 ℃～40 ℃之間，由此確定試驗(yàn)測(cè)定的6個(gè)溫度區(qū)間，分別為-20 ℃～-10 ℃、-10 ℃～0 ℃、0 ℃～10 ℃、10 ℃～ 20 ℃、20 ℃～30 ℃和30 ℃～40 ℃，溫度變化速率為10 ℃/h，每個(gè)溫度區(qū)間恒溫6 h，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為5 min。不同SRX穩(wěn)定劑摻量下，級(jí)配碎石的溫縮系數(shù)變化規(guī)律如圖1(a)所示，其溫縮系數(shù)的最大值、平均值和最小值如圖1(b)所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖1(a)可知，溫度對(duì)SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石的溫縮系數(shù)影響很大，在-10 ℃ ～ 0 ℃溫度區(qū)間內(nèi)溫縮系數(shù)最大，0 ℃～ 10 ℃溫度區(qū)間內(nèi)溫縮系數(shù)最小，其主要原因是-10 ℃～ 0 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石中毛細(xì)管張力可能大于其顆粒的粘聚力，導(dǎo)致試件在-10 ℃ ～ 0 ℃溫度區(qū)間內(nèi)的溫縮量最大，則溫縮系數(shù)最大；0 ℃～ 10 ℃溫度區(qū)間內(nèi)SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石吸收部分來(lái)自于自然環(huán)境中的水分，在0 ℃時(shí)由于膨脹效應(yīng)會(huì)抵消部分變形，導(dǎo)致試件在0 ℃ ～ 10 ℃溫度區(qū)間內(nèi)的溫縮量最小，則溫縮系數(shù)最小。

(a) 不同SRX穩(wěn)定劑摻量下溫縮系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律

(b) 溫縮系數(shù)隨SRX穩(wěn)定劑摻量的變化規(guī)律

由圖1(b)可知，SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石的平均溫縮系數(shù)為(4.54 ～ 6.18)×10-6/℃，最大溫縮系數(shù)為(12.34 ～ 15.08)×10-6/℃，總體量值均很小，且隨SRX穩(wěn)定劑摻量的增加，平均溫縮系數(shù)、最大溫縮系數(shù)和最小溫縮系數(shù)增幅也很小，這表明SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石具有穩(wěn)定的溫縮性能。

2.3 溫縮性能評(píng)價(jià)

研究表明水泥混凝土、石灰碎石土、二灰碎石和骨架密實(shí)水泥碎石的溫縮系數(shù)平均值分別約為：9.67×10-6/℃、156×10-6/℃、56.6×10-6/℃和37.5×10-6/℃，相較以上常見(jiàn)路用材料的溫縮性能，SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石的溫縮系數(shù)要遠(yuǎn)小于這些路用材料的溫縮系數(shù)，僅為水泥穩(wěn)定碎石的15%左右，這也表明SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石具有良好的溫縮性能，可有效抑制半剛性基層收縮裂縫引起的瀝青面層的反射裂縫。

3 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

3.1 試驗(yàn)

水穩(wěn)定性能采用干濕循環(huán)試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，用軟化系數(shù)和干濕強(qiáng)度損失率來(lái)表征，其中干濕強(qiáng)度損失率為浸水再養(yǎng)生烘干后的損失強(qiáng)度與未浸水的強(qiáng)度之比，用%表示。本次干濕循環(huán)下的水穩(wěn)定性能試驗(yàn)，SRX穩(wěn)定劑的基本摻量為0.5%，按98%的壓實(shí)度振動(dòng)成型試件尺寸為Φ150 × 150 mm的圓柱體試件，并在100 ℃± 2 ℃干燥烘箱內(nèi)養(yǎng)生16 h。水穩(wěn)試驗(yàn)中對(duì)試件再次養(yǎng)生烘干的主要目的在于保證各SRX級(jí)配碎石試件能夠在相同含水率條件下進(jìn)行水穩(wěn)定性能試驗(yàn)，并以此為參考標(biāo)準(zhǔn)，確保具有同等初始條件的SRX級(jí)配碎石試件進(jìn)行試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)SRX級(jí)配碎石的水穩(wěn)定性。不同干濕循環(huán)次數(shù)下試件的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律、軟化系數(shù)和強(qiáng)度損失率如圖2所示。試驗(yàn)過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生(即干濕循環(huán)前)試件和第4次干濕循環(huán)再養(yǎng)生烘干試件的外觀如圖3所示。

(a) 抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

(b) 軟化系數(shù)和強(qiáng)度損失率

(a) 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生試件

(b) 4次干濕循環(huán)后的試件

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2可知，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，浸水試件和浸水再烘干試件的強(qiáng)度都有所降低，軟化系數(shù)略有減小，干濕強(qiáng)度損失率略有增加，但變化幅度逐漸縮小，到第4次干濕循環(huán)后基本不再變化，水穩(wěn)定性能已趨穩(wěn)定。

第1次干濕循環(huán)，其軟化系數(shù)為57%左右，即強(qiáng)度損失約43%，但再次養(yǎng)生烘干后強(qiáng)度得到較大的恢復(fù)，干濕強(qiáng)度損失率僅約為2%；經(jīng)4次干濕循環(huán)后，軟化系數(shù)降至53%，干濕強(qiáng)度損失率約為4%，這表明SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石通過(guò)再次養(yǎng)生烘干，強(qiáng)度基本可全部恢復(fù)。其原因是水的侵入僅暫時(shí)使SRX材料在集料表面形成的有機(jī)粘膜軟化，降低其與集料之間的粘結(jié)力，但結(jié)構(gòu)并未破壞，當(dāng)重新失去水分干燥后，SRX與集料之間的粘結(jié)力得到了很好恢復(fù)，因而干濕循環(huán)作用基本不會(huì)對(duì)SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石造成損傷。

3.3 水穩(wěn)性能評(píng)價(jià)

綜上所述，SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石經(jīng)4次干濕循環(huán)后強(qiáng)度并未出現(xiàn)大幅度降低。從圖3試件外觀來(lái)看，經(jīng)4次干濕循環(huán)后，試件表面幾乎無(wú)剝落，完整性很好，試件質(zhì)量幾乎無(wú)損失，表明經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)并未造成試件結(jié)構(gòu)組成的破壞。

4 凍穩(wěn)定性能試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

4.1 試驗(yàn)

凍穩(wěn)定性能采用凍融循環(huán)試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，以凍融系數(shù)和凍融強(qiáng)度損失率來(lái)表征，其中凍融強(qiáng)度損失率為凍融再養(yǎng)生烘干后的損失強(qiáng)度與未浸水的強(qiáng)度之比，用%來(lái)表示。試件采用與干濕循環(huán)試驗(yàn)同樣的成型方法制備，基于干濕循環(huán)試驗(yàn)基本相同的原因，凍融循環(huán)試驗(yàn)中對(duì)試件再次進(jìn)行養(yǎng)生烘干。不同凍融循環(huán)次數(shù)下的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生(即凍融循環(huán)前)試件和第5次凍融循環(huán)再養(yǎng)生烘干試件的外觀如圖5所示。

(a) 抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

(b) 凍融系數(shù)和強(qiáng)度損失率

(a) 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生試件

(b) 5次凍融循環(huán)后的試件

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖4可知，1次凍融循環(huán)后SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石的凍融系數(shù)約為86%，主要與浸水后強(qiáng)度降低較大(降幅達(dá)43%左右)有關(guān)，當(dāng)再次養(yǎng)生烘干后凍融強(qiáng)度損失率約為10%，較干濕強(qiáng)度損失率大，但總體上強(qiáng)度也得到較大恢復(fù)，表明1次凍融循環(huán)后，SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石的凍穩(wěn)定性能較好。隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度逐漸降低，凍融系數(shù)不斷減小，凍融強(qiáng)度損失率不斷增加，但變化幅度逐漸減小。經(jīng)5次凍融循環(huán)后，凍融系數(shù)僅約為51%，凍融強(qiáng)度損失率約42%，強(qiáng)度損失非常顯著。原因是在凍融循環(huán)中，SRX與集料之間的粘結(jié)力降低，不僅集料表面形成的有機(jī)粘膜發(fā)生損壞，結(jié)構(gòu)也受到一定破壞，重新失去水分干燥后，凍融強(qiáng)度損失率不斷增加，表明強(qiáng)度不能得到完全恢復(fù)。

由此可知，凍融循環(huán)作用對(duì)SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石產(chǎn)生了永久性損傷，且隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，直至破壞。從圖5試件外觀來(lái)看，經(jīng)5次凍融循環(huán)后，試件破損不明顯，剝落并不嚴(yán)重，僅在試件邊角處有輕微破損，試件質(zhì)量變化不大，約為3%。

4.3 性能評(píng)價(jià)

綜上分析，SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石的凍穩(wěn)定性能不佳，是SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石推廣應(yīng)用的薄弱方面。因此，在多雨潮濕寒冷冰凍地區(qū)使用，一定要做好排水防凍措施，以免SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)層遭受凍融影響。為改善SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石的凍穩(wěn)定性能，研究了不同摻量SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石的凍融循環(huán)性能，其中第5次凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同摻量SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石的凍融系數(shù)和強(qiáng)度損失率

由圖6可知，隨SRX穩(wěn)定劑摻量的增加，凍融系數(shù)和凍融強(qiáng)度損失率分別有不同程度的增大和減小，經(jīng)5次凍融循環(huán)后，SRX穩(wěn)定劑摻量從0.25%增加到1.0%時(shí)，凍融系數(shù)由41.6%增大到68.4%，增幅64.5%，凍融強(qiáng)度損失率由52.3%增大到26.8%，降幅95%左右，凍穩(wěn)定性能得到明顯改善，這表明SRX穩(wěn)定劑摻量的增加，使集料表面形成的SRX有機(jī)粘膜厚度增加，抵抗凍融損傷的能力得到加強(qiáng)。因此，適當(dāng)增加SRX穩(wěn)定劑摻量對(duì)SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石基層抵抗凍融作用有一定幫助。

5 結(jié)論

1) SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石具有良好的溫縮性能，在-10 ℃～ 0 ℃時(shí)，溫縮系數(shù)最大；在0 ℃ ～ 10 ℃時(shí)，溫縮系數(shù)最小，但量值總體上都較?。幌噍^于其他路用材料，SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石的溫縮系數(shù)很小，僅約為水泥穩(wěn)定碎石的15%。若SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石應(yīng)用于瀝青面層與半剛性基層之間，能有效抑制半剛性基層收縮裂縫引起的瀝青面層的反射裂縫。

2) 干濕循環(huán)試驗(yàn)表明，經(jīng)4次干濕循環(huán)后，軟化系數(shù)和干濕強(qiáng)度損失率基本不再變化，且干濕強(qiáng)度損失率僅約為4%，再養(yǎng)生烘干后強(qiáng)度基本得到恢復(fù)，這表明SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石能有效抵抗干濕循環(huán)作用產(chǎn)生的損傷，具有良好的水穩(wěn)定性能。

3) 凍融試驗(yàn)表明，經(jīng)5次凍融循環(huán)后，凍融系數(shù)較小，凍融強(qiáng)度損失率較大，強(qiáng)度損失約42%，凍融再養(yǎng)生烘干后強(qiáng)度也得不到完全恢復(fù)，這表明凍融循環(huán)作用對(duì)SRX穩(wěn)定級(jí)配碎石產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的損傷，可通過(guò)適當(dāng)增加SRX穩(wěn)定劑摻量來(lái)改善其凍穩(wěn)定性能。