水基聚合物SRX 级配碎石的性能评价

张平，张宏江，邓荣升

（1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710000；2.陕西交控产业发展集团有限公司，陕西 西安 710075；3.同济大学 土木工程学院，上海市 200092）

0 引言

半刚性基层是中国高等级道路路面基层采用的主要结构形式，但在路面使用前期，半刚性基层沥青路面在温度、湿度、荷载等因素单独或共同耦合影响下，极易引起反射裂缝、车辙、疲劳开裂等问题。虽然目前中国相关学者针对此类问题进行了深度的研究，但这些病害问题始终没有得到有效解决［1］。近年来，国外采用的全厚式沥青路面和柔性基层沥青路面日益受到重视。然而由于受到环境、政策和建设投资的制约，全厚式沥青路面在中国的应用受到严重的影响。柔性基层中的级配碎石基层由于强度模量小、容易引发塑性变形等缺点，使其很难在中国日益增长的交通条件下得到广泛应用。

SRX 聚合物材料是近年来国外研发的一种新型道路材料，它是经过不同类型压力敏感性树脂和高强抗老化树脂优化组合而成的一种新型聚合物溶液，是有别于沥青、水泥的一种新型道路材料，主要组成物质是—［CH2CCH2—COOCH2CH3］n—，该材料可有效地预防和解决车辙、反射裂缝、疲劳开裂等问题［2］。从2008 年开始，先后在中国部分地区铺筑了水基聚合物SRX 稳定材料基层试验路，如北京市东礼路、云南省德宏自治州腾陇高速清平互通立交C、D 匝道、辽宁省抚顺市木桦线、新疆维吾尔自治区石河子市东七路、重庆市丰都县湛亭路等，经过几年的回访、监测、对比，均取得了明显优于同等条件下水泥稳定碎石基层的使用效果。目前中国学者对SRX 聚合物材料进行了一定的研究，但研究成果较少。蒋应军等［3］基于垂直振动成型方法，以最大抗压强度作为强度设计指标，提出了SRX 聚合物稳定碎石的骨架密实级配；何丽红等［4］从材料自身方面对SRX 聚合物溶液进行研究；范同前等［5］对SRX 聚合物稳定材料进行研究，确定SRX 聚合物稳定材料的养生条件；朱洪洲等［6］分析了不同因素对SRX 聚合物稳定材料基层的强度影响规律。中国研究成果对SRX 聚合物材料在中国沥青路面基层中的运用具有一定的推动作用，但水基聚合物SRX 基层材料在中国目前还处于验证与研究的前期阶段。此外，中国相关学术成果大都是基于半刚性基层材料的设计指标对其进行性能评价，部分试验结果相差较大。目前对于水基聚合物SRX 稳定材料是属于柔性基层材料还是半刚性基层材料尚无定论。基于此，本文分别从柔性基层和半刚性基层两种设计理念出发，通过一系列室内试验对水基聚合物SRX 级配碎石的性能进行评价，对水基聚合物SRX 基层材料是否适用于路面基层进行验证，并为路面结构设计验算提供动态模量参考值。

1 试验材料

1.1 SRX 聚合物溶液

SRX 聚合物溶液由Romix International Ltd 公司生产提供，其具体物理技术指标见表1。

表1 SRX 溶液的物理技术指标

1.2 集料

粗细集料均选用广西壮族自治区东兴市生产的石灰岩，相关性能指标均可以满足规范要求。本文级配选取水基聚合物SRX 公司推荐的最大粒径37.5 mmA 级配［7］以及《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）中推荐的最大粒径31.5 mm 的B 级配（骨架密实）［8］。两种级配设计的结果见表2。

表2 混合料设计级配

2 配合比

2.1 最佳含水率

参考《土工试验规程》（JTG E40—2007）［9］中重型击实试验确定水基聚合物SRX 级配碎石的最佳含水率、最大干密度。根据表2 所示的设计级配，分别采用2%、3%、4%、5%、6%5 种不同的含水率。水基聚合物SRX 用量暂取0.5%，采用重型击实方法制备φ152 mm×120 mm 试件进行重型击实试验。试验结果如表3 所示。

表3 水基聚合物SRX 级配碎石的最大干密度和最佳含水率

2.2 最佳SRX 用量

RCBR、抗压强度分别是衡量常见的粒料类非整体性基层材料、无机结合料稳定类基层材料力学强度的主要指标。通过搜集查阅水基聚合物SRX 材料资料及试验发现，水基聚合物SRX 稳定材料具有一定整体性，且整体性效果强于级配碎石，但弱于传统的水泥稳定类材料，所以本文对水基聚合物SRX 级配碎石分别进行CBR、抗压强度试验。

采用表2 所示级配和表3 所示的最佳含水率，分别采用干集料质量的0、0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%6 种不同水基聚合物SRX 用量，采用重型击实、静压成型两种方法分别制备φ152 mm×120 mm、φ150 mm×150 mm 试件。φ152 mm×120 mm 试件50 ℃烘 箱 养 护6 d 后 浸 水4 d 进 行CBR 试 验，φ150 mm×150 mm 试件50 ℃烘箱养护6 d 后浸水1 d 进行抗压强度试验。试验结果如图1、2 所示。

图1 SRX 用量对RCBR值的影响

图2 SRX 用量对抗压强度的影响

从图1、2 可以看出：两种级配型水基聚合物SRX碎石的RCBR、抗压强度均随SRX 用量的逐渐增加而增大，且强度增幅均越来越小。同等条件下，B 级配型的RCBR、抗压强度均大于A 级配。抗压强度和RCBR随SRX 用量的变化曲线在0～0.5%掺量范围内增幅最大，当SRX 用量超过0.5%后增幅越来越缓。此外当SRX 用量达到0.5%时，A、B 两种级配的RCBR较大，分别为415%、428%，但抗压强度值一般。同时考虑到道路安全性、经济性等条件，继续提高SRX 用量，对RCBR和抗压强度的提高作用已不太显著，且工程经济性较低。因此本文建议水基聚合物SRX 级配碎石的最佳SRX 用量取0.5%。

3 水基聚合物SRX级配碎石的路用性能

在道路使用过程中，温度、荷载、雨水等因素的长期相互作用会对道路的使用寿命产生至关重要的影响。所以对水基聚合物SRX 级配碎石的路用性能评价必不可少。基于此，采用表2 所示两种级配和表3 所示的最佳含水率，SRX 用量取0.5%、0.75%，主要从力学特性、水稳性、温缩性能、高温稳定性4 个方面进行评价。

3.1 力学特性

3.1.1 力学强度

从图1、2 可以看出：水基聚合物SRX 级配碎石的RCBR、抗压强度均随SRX 用量的逐渐增加而增大，且强度增幅均越来越小。SRX 用量每提高0.25%，其RCBR、抗压强度分别至少提高6.6%、9.8%。当SRX 用量达到0.5%时，A、B 两种级配的RCBR较大，分别为415%、428%，远大于一般级配碎石的RCBR值。而相对于传统的水泥稳定级配碎石，其抗压强度值较小，仅为1.52 MPa、1.64 MPa，且抗压强度试件在养护过程中有部分剥落现象，说明级配碎石和SRX 聚合物充分拌和、压实成型后具有一定的整体强度，但整体性不如传统的水泥稳定级配碎石，也从侧面显示水基聚合物SRX 级配碎石既有级配碎石粒料类材料的特性又有无机结合料稳定材料的整体性能。

3.1.2 回弹模量

回弹模量是衡量基层材料抗变形能力大小的重要指标，也是路面结构设计验算的主要参数。基于此，本文对水基聚合物SRX 级配碎石分别进行动态三轴压缩试验、单轴压缩模量试验。

（1）静态模量

参考《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）［10］中测定无机结合料稳定类材料模量的试验方法，采用静压成型方法制备150 mm×150 mm 试件，50 ℃烘箱养护6 d 后在压力机上进行单轴压缩模量试验。试验结果见表4。

表4 不同SRX 用量下静态模量试验结果

由表4 可以看出：随着SRX 用量增大，水基聚合物SRX 级配碎石的静态模量逐渐提高。同等条件下，B 级配型静态模量值大于A 级配型。当SRX 用量从0.5%增加至0.75%，静态模量至少可提高11.4%。当SRX 用量为0.5%时，静态模量大于310 MPa。

（2）动态模量

参考《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）［10］中测定粒料类材料模量的试验方法，采用振动压实成型方法制备150 mm×300 mm 试件，50 ℃烘箱养护6 d 后在三轴试验仪上进行试验。试验结果见表5。

表5 不同SRX 用量下动态模量试验结果

由表5 可以看出：随着SRX 用量的增大，水基聚合物SRX 级配碎石的动态模量逐渐提高。同等条件下，B 级配型动态模量值大于A 级配。当SRX 用量从0.5% 增加至0.75%，其动态模量至少可提高6.3%。当SRX 用量为0.5%时，其动态模量大于600 MPa。在工程实际中，动态模量能较好反映基层材料在实际使用过程中的受力状态，所以本文建议SRX 聚合物基层在路面结构设计验算时，0.5%SRX用量的动态模量值取600～650 MPa。

3.2 温缩性能

半刚性基层沥青路面在使用早期，由于半刚性基层的收缩问题导致其过早地产生反射裂缝。水基聚合物SRX 级配碎石在低温条件下会产生一定的体积收缩，拉应力在低温体积收缩过程中逐渐增大，在一定的时间周期后会导致基层发生温缩裂缝。因此对水基聚合物SRX 级配碎石进行温缩特性评价必不可少。基于此，本文参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）［11］中测定温缩系数的试验方法，制备150 mm×150 mm×550 mm 大梁试件，50 ℃烘箱养护6 d 后在收缩仪上进行试验。同时水泥用量采用0.5%，制备A、B 两种级配的相同尺寸试件，养生7 d 后进行试验。试验结果分别如图3、表6 所示。

图3 不同温度范围内温缩系数的变化

表6 -20～-10 ℃范围内温缩系数对比

由图3 可以看出：在-20～20 ℃范围内，随着温度的升高，水基聚合物SRX 级配碎石的温缩系数呈先减小后增大的趋势。在-10～0 ℃范围内温缩系数达到最小，在-20～-10 ℃范围内温缩系数达到最大，最大值仅为2.9×10-6/℃。结合表6 可知：在-20～-10 ℃范围内，水基聚合物SRX 级配碎石的温缩系数远小于传统的水泥稳定级配碎石。结果表明水基聚合物SRX 级配碎石在低温条件下可抵抗收缩开裂问题。

3.3 水稳定性

水损害是影响道路使用寿命的关键因素之一，雨水通过路面空隙、层间接触等薄弱部位向面层、基层内部等继续渗透，基层材料在雨水浸泡和车辆荷载的单独或共同作用下，导致基层脱空，引发行车问题。基于此，本文主要采用冻融循环试验、浸水试验测定其RCBR，通过RCBR值的变化评价其水稳定性。

3.3.1 冻融循环

制备φ152 mm×120 mm 试件在50 ℃烘箱养护6 d 后，冻融循环次数分别取0、10 次、20 次、30 次、40次、50 次，测定其RCBR。其中记RCBR后/RCBR前为残留强度比，RCBR前为冻融循环次数为0 时的RCBR，RCBR后为冻融循环次数分别为10 次、20 次、30 次、40 次、50 次时的RCBR。试验结果如表7 所示。

表7 冻融循环试验结果

从表7 可以看出：随着冻融循环次数的增加，水基聚合物SRX 级配碎石的RCBR逐渐减小。冻融循环次数30 次时，RCBR最大降幅为2.8%；冻融循环次数50 次时，RCBR最大降幅为4.8%。

3.3.2 浸水试验

制备的φ152 mm×120 mm 试件在50 ℃烘箱养护6 d 后，浸水时间分别为0、4 d、8 d、12 d，测定其RCBR。其中记RCBRd/RCBR0为残留强度比，RCBR0为浸水时间为0 时的RCBR，RCBRd为浸水时间分别为4 d、8 d、12 d 的RCBR。试验结果见表8。

表8 浸水条件下试验结果

由表8 可以看出：随着浸水时间的增加，水基聚合物SRX 级配碎石的RCBR逐渐降低。浸水时间4 d时，RCBR最 大 降 幅 为1.5%；浸 水 时 间12 d 时，RCBR最大降幅为3.1%。

综上所述，随着冻融循环次数、浸水时间的逐渐增加，水基聚合物SRX 级配碎石的RCBR降低幅度均较小，最大降低幅度不超过4.8%，其整体强度变化较小。结果显示水基聚合物SRX 级配碎石具有较好的水稳定性。分析原因是级配碎石与SRX 聚合物拌和、成型压实后，在级配碎石的表面形成具有一定厚度的有机膜，在浸水或冻融循环条件下使其在一定时间范围内保持良好的整体性，从而可以抵抗水损害问题。

3.4 高温稳定性

车辙是半刚性基层沥青路面面临的主要病害之一，也是影响道路使用寿命的关键因素之一。在夏季，气温较高，当基层材料高温稳定性较差时，易引发拥包、车辙、坑槽、推移等病害。所以评价水基聚合物SRX 级配碎石的高温稳定性必不可少［12-16］。基于此，本文参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG D50—2011）［17］中车辙试验方法，试验压力采用0.7 MPa，制备的300 mm×300 mm×100 mm 试件在50 ℃烘箱养护6 d 后在车辙仪上进行试验。试验结果见表9。

表9 不同SRX 用量下的动稳定度试验结果

从表9 可以看出：随着SRX 用量增大，水基聚合物SRX 级配碎石的动稳定度逐渐提高。同等条件下，B 级配动稳定度值大于A 级配。当SRX 用量从0.5% 增加至0.75%，动稳定度至少可提高11.4%。当SRX 用量不小于0.5%时，其动稳定度较大，不小于36 000 次/mm，几乎不发生车辙病害。分析水基聚合物SRX 级配碎石能产生如此好高温稳定性的主要原因为：—［CH2CCH2—COOCH2CH3］n—是SRX聚合物的主要组成物质，该物质抵抗高温性能较好。结果说明水基聚合物SRX 级配碎石具有较强的高温稳定性。

综上研究，水基聚合物SRX 级配碎石试件成型效果比传统水泥稳定类材料差，试件养护过程中伴有部分剥落现象，且现场试验路钻芯取样整体性差，结合本文试验研究结果，笔者认为水基聚合物SRX级配碎石更倾向于柔性基层材料范畴。加入水基聚合物SRX 溶液是对传统柔性基层材料性能的提升，但没有改变其属于柔性基层材料的性质。

4 结论

（1）水基聚合物SRX 级配碎石的强度随SRX 用量的增加而增大，SRX 用量在0～0.5%范围内，抗压强度和RCBR增幅最大；考虑到工程经济性与安全性等因素，建议最佳SRX 用量采用0.5%。

（2）SRX 用量每提高0.25%，水基聚合物SRX级配碎石的RCBR、抗压强度分别至少提高6.6%、9.8%。

（3）水基聚合物SRX 级配碎石的回弹模量随SRX 用量的增加而增大；SRX 聚合物基层在路面结构设计验算时，建议0.5%SRX 用量的动态模量值取600～650 MPa。

（4）在-20～20 ℃范围内，水基聚合物SRX 级配碎石的温缩系数随着温度的升高呈先减小后增大的趋势；在-10～0 ℃范围内温缩系数达到最小，在-20～-10 ℃范围内温缩系数达到最大；水基聚合物SRX 级配碎石在低温条件下可抵抗收缩开裂问题。

（5）随着冻融循环次数、浸水时间的逐渐增加，水基聚合物SRX 级配碎石的RCBR降低幅度均较小，RCBR最大降低幅度不超过4.8%，其整体强度变化较小；水基聚合物SRX 级配碎石具有较好的水稳定性。

（6）水基聚合物SRX 级配碎石的动稳定度随着SRX用量增加而增大；动稳定度不小于36 000 次/mm，几乎不发生车辙病害；水基聚合物SRX 级配碎石具有较强的高温稳定性。

（7）水基聚合物SRX 级配碎石属于柔性基层材料。