SRX穩(wěn)定級配碎石試件的養(yǎng)生條件及合理摻量

范同前，董丁明，路光輝，陳峙峰，韓 愈，陳忠達

(1.河南中州路橋建設有限公司，河南 周口 466000；2.陜西省延安公路管理局，陜西 延安 716099；3.周口市公路勘察設計院，河南 周口 466000；4.河南宏盛工程監(jiān)理有限公司，河南 周口 466000；5.佛山市鐵路投資建設集團有限公司，廣東 佛山 528000；6.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

目前，我國高等級公路路面結構多采用半剛性基層[1]，雖然優(yōu)點諸多，如整體強度高、板體性好，但也存在較為嚴重的早期損壞問題[2]，尤其是引起反射裂縫。SRX(Solution Road-soilfiX)穩(wěn)定劑是一種水基聚合物，作為一種新型高分子樹脂聚合物路用穩(wěn)定劑，具有固結不可逆的特性[3]，自2008年以來，在北京、廣東、遼寧和四川等地得到了先期應用[4]。SRX穩(wěn)定劑是由多種特殊樹脂及多種有機添加劑混合而形成的共聚物溶液，具有很好的膠結特性，且這種共聚物溶液能夠在水中溶解并以水為傳導媒介均勻分散到土石等穩(wěn)定材料表面。SRX穩(wěn)定劑與級配碎石經(jīng)拌和均勻后，通過一定的壓實作用及其內(nèi)部水分揮發(fā)后，在碎石固體顆粒表面形成有機粘膜，將各碎石顆粒牢固地粘結為整體結構，并通過嵌擠作用形成強而韌的柔性結構層。SRX穩(wěn)定級配碎石屬于高韌性材料，收縮性能好，被用來作為設置于瀝青面層和半剛性基層之間的SRX穩(wěn)定級配碎石結構層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，并且經(jīng)濟實惠、施工方便[3,5]。近年來聚合物SRX穩(wěn)定材料已受到了一定關注，并且目前已有一定的研究和應用。張敏江等[6]對SRX穩(wěn)定基層材料力學性能及其路面結構力學響應開展了研究；付俊[7]對SRX冷再生基層應用技術開展了研究，得到了SRX冷再生混合料的施工控制規(guī)律；杜洪新等[8]針對SRX穩(wěn)定柔性基層的試驗研究，采用在50 ℃烘箱內(nèi)養(yǎng)生6 d的試件進行試驗來確定SRX穩(wěn)定劑摻量。SRX穩(wěn)定級配碎石試件的養(yǎng)生條件和SRX穩(wěn)定劑合理摻量是SRX穩(wěn)定級配碎石應用的兩個基本問題。但目前采用的試件養(yǎng)生方法不盡合理，文獻[3]推薦的SRX穩(wěn)定級配碎石養(yǎng)生方法，養(yǎng)生時間過長(達9 ～10 d)，在試驗量稍大時，會影響試驗進度，甚至工程進度，尚缺乏更為合理的快捷養(yǎng)生條件(包括養(yǎng)生溫度、養(yǎng)生時間)，這將嚴重影響試件的養(yǎng)生周期，降低試驗效率；另外不同的養(yǎng)生條件也會造成SRX穩(wěn)定級配碎石性能的人為差異，使試驗結果缺乏可比性。而SRX穩(wěn)定劑摻量對SRX穩(wěn)定級配碎石的強度、承載能力和穩(wěn)定性有很大的影響，同時也會影響到其經(jīng)濟性。因此，開展SRX穩(wěn)定級配碎石試件養(yǎng)生條件與SRX穩(wěn)定劑合理摻量的研究十分必要。

鑒于此，本文通過養(yǎng)生溫度對試件強度的影響分析和養(yǎng)生時間與試件含水率、失水率、失水速率的關系分析，研究SRX穩(wěn)定級配碎石試件的養(yǎng)生條件(包括養(yǎng)生溫度和養(yǎng)生時間)；通過重點考察SRX穩(wěn)定劑摻量對無側限抗壓強度的影響規(guī)律，同時考慮穩(wěn)定性，研究SRX穩(wěn)定劑合理摻量。

1 原材料及混合料組成

1.1 原材料

原材料主要包括SRX穩(wěn)定劑、集料。其中，SRX穩(wěn)定劑是Romix International Ltd 公司生產(chǎn)的，其技術性能見表1；集料選用陜西渭南宮里鎮(zhèn)鳳西村料場生產(chǎn)的石灰?guī)r集料，其技術性能符合規(guī)范要求[9]，具體結果見表2。

表1 SRX穩(wěn)定劑的技術性能

表2 集料的技術性能

1.2 混合料組成

SRX穩(wěn)定級配碎石混合料由級配碎石、SRX穩(wěn)定劑和水配制而成。集料級配采用如表3所示的課題組先前研究確定的強嵌擠骨架密實型集料級配，振動擊實法[10]確定的SRX穩(wěn)定級配碎石最佳含水率為3.40%，最大干密度為2.47 g/cm3。根據(jù)初步研究，SRX穩(wěn)定劑的基本摻量為0.5%。

表3 集料級配

2 養(yǎng)生條件

本文以加快SRX穩(wěn)定級配碎石試件的失水速率和強度的形成，縮短養(yǎng)生時間為目的，在不影響最終強度的前提下，適當提高養(yǎng)生溫度，最終研究確定出合理的養(yǎng)生溫度和養(yǎng)生時間作為標準養(yǎng)生條件。

按98%的壓實度振動成型規(guī)格為Φ150 mm ×150 mm的圓柱體試件；其次，將成型的SRX穩(wěn)定級配碎石試件分為10組，其中9組分別在30，50，65，80，90，95，100，105，110 ℃的烘箱內(nèi)進行養(yǎng)生，另1組在自然條件下進行養(yǎng)生，直至其含水率為零，即達到完全失水干燥狀態(tài)，并分別記錄各組試件含水率的變化。研究過程中，以自然條件(本文試驗在7月進行開展，氣溫30 ℃左右)養(yǎng)生45 d的SRX穩(wěn)定級配碎石試件作為基準，并以此試件強度作為基準強度；然后，將烘箱內(nèi)加熱養(yǎng)生結束后的9組試件進行無側限抗壓強度試驗。根據(jù)試驗結果，分析養(yǎng)生溫度和養(yǎng)生時間對SRX穩(wěn)定級配碎石試件無側限抗壓強度的影響規(guī)律以及SRX穩(wěn)定級配碎石試件的含水率、失水率和失水速率的變化規(guī)律，以不影響SRX穩(wěn)定級配碎石強度和顯著加快其養(yǎng)生過程為原則，確定出SRX穩(wěn)定級配碎石試件合理的養(yǎng)生條件。

2.1 養(yǎng)生溫度對試件強度的影響

按上述試驗方案，不同養(yǎng)生溫度條件下SRX穩(wěn)定級配碎石試件的無側限抗壓強度試驗結果如圖1所示。圖1中還給出了初步的養(yǎng)生時間隨養(yǎng)生溫度的變化規(guī)律。

圖1 不同養(yǎng)生溫度下的無側限抗壓強度

由圖1可知，養(yǎng)生溫度的提高將很大程度上減少SRX穩(wěn)定級配碎石試件的養(yǎng)生時間，即使試件達到干燥狀態(tài)所需時間縮短。養(yǎng)生溫度從30 ℃提高到110 ℃，試件達到干燥狀態(tài)時，初步的養(yǎng)生時間從10 d縮短到12 h，大幅度減少了養(yǎng)生時間；養(yǎng)生溫度從30 ℃提高到95 ℃，試件達到干燥狀態(tài)時，養(yǎng)生時間大幅度減少；養(yǎng)生溫度從95 ℃提高到110 ℃，試件達到干燥狀態(tài)時，養(yǎng)生時間減少幅度逐漸降低，但養(yǎng)生溫度從95 ℃提高到100 ℃，試件達到干燥狀態(tài)時，養(yǎng)生時間實際上也減少了4 h，這說明養(yǎng)生溫度為100 ℃時，可以進一步加快試件的干燥；另外，不同養(yǎng)生溫度下試件的無側限抗壓強度值存在微小差別，但與自然條件(氣溫30 ℃左右)養(yǎng)生45 d的試件強度(6.6 MPa)相比，強度差值比僅為1.5%～3.0%，這種強度差異可能主要來自于試驗誤差等，可認為不同養(yǎng)生溫度下試件的無側限抗壓強度與自然條件養(yǎng)生45 d的試件強度基本一致。由此表明，在一定溫度范圍內(nèi)，養(yǎng)生溫度對試件強度的影響不大，但養(yǎng)生溫度的提高很大程度上加快了試件的養(yǎng)生進程和強度的形成。考慮到SRX穩(wěn)定劑為高分子有機聚合物，過高的養(yǎng)生溫度會對材料造成一定程度的老化，為了減少這種不利影響，保證試驗結果的準確性、可靠性，因此試件的養(yǎng)生溫度不宜太高，一般以不超過100 ℃為宜。同時考慮到較低的養(yǎng)生溫度會增加養(yǎng)生時間，降低儀器設備的利用率，因此綜合平衡試件強度和養(yǎng)生時間之間的要求，本文建議養(yǎng)生溫度取為100±2 ℃。

2.2 養(yǎng)生時間與試件含水率的關系

前文已初步確定了養(yǎng)生溫度為100 ℃，且在此溫度下初步的養(yǎng)生時間為16 h。為了進一步確定養(yǎng)生時間，以SRX穩(wěn)定級配碎石試件的含水率、失水率和失水速率為指標，分析在100 ℃的養(yǎng)生溫度條件下，試件的含水率、失水率和失水速率隨養(yǎng)生時間的變化規(guī)律，試驗結果如圖2～4所示。需說明的是，失水率定義為試件初始的含水率與某養(yǎng)生時刻的試件含水率之間的差值與初始含水率之比，失水速率定義為前一個養(yǎng)生時刻對應的試件含水率與后一個養(yǎng)生時刻的試件含水率之間的差值與養(yǎng)生時間間隔的比值。

圖2 含水率隨養(yǎng)生時間的變化

圖3 失水率與養(yǎng)生時間的關系

圖4 失水速率隨養(yǎng)生時間的變化

由此可知，在100 ℃的養(yǎng)生溫度條件下，隨著養(yǎng)生時間的增加，試件的含水率逐漸減小，失水率逐漸增大，失水速率逐漸減慢。前2 h，試件失水速率最快，前6 h試件失水率達80%以上；此后試件失水率開始變慢，10 h后試件失水率已達96.8%，含水率降為0.11%，基本接近干燥狀態(tài)；至16 h試件含水率接近0，失水率達100%，試件已處于干燥狀態(tài)。

另外，根據(jù)圖3可知，試件失水率與養(yǎng)生時間具有良好的關系，其回歸方程見式(1)。

(1)

式中：ω為試件失水率(%)；t為養(yǎng)生時間(h)。

根據(jù)式(1)可確定SRX穩(wěn)定級配碎石試件在任意養(yǎng)生時刻下的失水率。當失水率為100%時，試件含水率為零，達到干燥狀態(tài)，對應的養(yǎng)生時間為15.6 h，結合圖2～4可得養(yǎng)生時間為16 h。

2.3 養(yǎng)生條件確定

根據(jù)前文的分析，SRX穩(wěn)定級配碎石試件的養(yǎng)生條件為：養(yǎng)生溫度100±2 ℃，養(yǎng)生時間不小于16 h。

3 SRX穩(wěn)定劑合理摻量

SRX穩(wěn)定劑摻量必然會影響SRX穩(wěn)定級配碎石的強度和穩(wěn)定性。摻量過低起不到穩(wěn)定的效果，摻量過高則會增加費用和成本。因此，確定既能滿足路用性能要求又能兼顧經(jīng)濟性能的SRX穩(wěn)定劑合理摻量是非常必要的。

SRX穩(wěn)定劑合理摻量主要根據(jù)SRX穩(wěn)定劑摻量與無側限抗壓強度關系來確定。干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)(將試件浸水24 h后基本能夠完全濕潤，所對應的試驗狀態(tài)稱為飽水狀態(tài))下不同摻量SRX穩(wěn)定級配碎石的無側限抗壓強度的試驗結果如圖5，6所示。

圖5 同SRX穩(wěn)定劑摻量下的無側限抗壓強度

圖6 不同SRX穩(wěn)定劑摻量下的無側限抗壓強度增長率

由圖5，6可知，隨SRX穩(wěn)定劑摻量的增加，無論干燥狀態(tài)還是飽和狀態(tài)，SRX穩(wěn)定級配碎石的無側限抗壓強度都是增大的，但其增幅逐漸減小。其中，摻量由0.25%增加到0.5%時，干燥、飽和狀態(tài)下強度分別增加1.40，1.31 MPa，其增長率分別為26.4%，52.0%，增幅比較大；摻量由0.5%增加到0.75%時，干燥、飽和狀態(tài)下強度分別增加0.40，0.59 MPa，其增長率分別為6.0%，15.4%，增幅明顯減小；摻量由0.75%增加到1.0%時，增量更小，干燥、飽和狀態(tài)下強度僅分別增加0.30，0.29 MPa，其增長率分別為4.2%，6.6%。而且在0.5%～0.75%摻量下SRX穩(wěn)定級配碎石無側限抗壓強度已達6.7 MPa(干燥狀態(tài))和3.8 MPa(飽和狀態(tài))以上(見圖5)，這都大于課題組提出的強度標準，如表4所示。

表4 SRX穩(wěn)定級配碎石強度控制標準

因此，SRX穩(wěn)定劑摻量大于0.75%時，通過增加摻量來提高SRX穩(wěn)定級配碎石強度的作用已減弱，而且從經(jīng)濟性能考慮，SRX穩(wěn)定劑摻量也不宜過大，否則成本將大大增加，因此SRX穩(wěn)定劑摻量宜控制在0.75%以下；同時SRX穩(wěn)定劑摻量也不宜太小，否則穩(wěn)定效果會受到影響，當摻量小于0.5%時，SRX穩(wěn)定級配碎石的強度較低，且0.5%摻量的SRX穩(wěn)定級配碎石的強度較0.25%摻量有大幅度的提高，因此SRX穩(wěn)定劑摻量也不宜小于0.5%。

另外還應考慮SRX穩(wěn)定級配碎石的其他性能，如CBR值、水穩(wěn)定性能和凍穩(wěn)定性能等，摻量在0.5%～0.75%之間，CBR值基本能滿足表5所示的要求。根據(jù)課題組先前的研究結果，SRX穩(wěn)定級配碎石具有良好的水穩(wěn)定性能，但凍穩(wěn)定性能不是特別的理想，適當增加SRX穩(wěn)定劑摻量，可改善和提高SRX穩(wěn)定級配碎石的凍穩(wěn)定性能，如表6所示。

表5 SRX穩(wěn)定級配碎石CBR值試驗結果

表6 不同摻量SRX穩(wěn)定級配碎石凍穩(wěn)定性能(5次凍融循環(huán))

綜上所述，本文建議SRX穩(wěn)定劑摻量宜控制在0.5%～0.75%范圍內(nèi)，在一般情況下SRX穩(wěn)定劑摻量為0.5%，多雨潮濕寒冷冰凍地區(qū)SRX穩(wěn)定劑摻量為0.75%。

4 結 論

(1)養(yǎng)生溫度對SRX穩(wěn)定級配碎石的無側限抗壓強度影響不顯著，在110 ℃范圍內(nèi)，養(yǎng)生溫度的提高并不會影響SRX穩(wěn)定級配碎石的最終強度，卻顯著加快了其強度形成和養(yǎng)生進程，同時為避免溫度過高導致SRX穩(wěn)定劑的老化，SRX穩(wěn)定級配碎石試件的養(yǎng)生溫度宜控制在100 ℃左右。在100 ℃養(yǎng)生溫度條件下，試件失水率隨養(yǎng)生時間增加而逐漸增大，當試件含水率為零、失水率達100%時，養(yǎng)生時間為16 h。為此，建議SRX穩(wěn)定級配碎石試件的養(yǎng)生條件為：干燥烘箱內(nèi)養(yǎng)生，養(yǎng)生溫度100±2 ℃，養(yǎng)生時間應不小于16 h。

(2)隨SRX穩(wěn)定劑摻量的增加，SRX穩(wěn)定級配碎石強度增大，在摻量0.5%～0.75%條件下強度增幅較大，穩(wěn)定性也有大幅增強，而且SRX穩(wěn)定級配碎石強度和承載能力滿足要求。綜合強度和穩(wěn)定性，并兼顧經(jīng)濟性，建議SRX穩(wěn)定劑摻量宜控制在0.5%～0.75%范圍內(nèi)，在一般情況下SRX穩(wěn)定劑摻量為0.5%，多雨潮濕寒冷冰凍地區(qū)SRX穩(wěn)定劑摻量為0.75%。

本研究所得出的結論主要針對所提出的試驗材料。在進一步的研究中，采用更多類型的原材料作為試驗對象，以此來驗證和優(yōu)化當前得出的結論。