任瑞波董鳴亮趙品暉周浩李志剛

(山東建筑大學 交通工程學院，山東 濟南250101)

0 引言

在我國公路建設過程中，“強基薄面”的設計思路一直貫穿其中。半剛性基層具有剛度大、強度高、穩(wěn)定性好，以及成本較低等優(yōu)點，因此半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)是我國目前主要采用的路面結(jié)構(gòu)形式[1-3]。但以水泥穩(wěn)定碎石為主的半剛性基層在干濕、凍融循環(huán)以及車輛荷載的反復作用下易產(chǎn)生裂縫，基層裂縫向上延伸，導致瀝青面層出現(xiàn)反射裂縫，其成為半剛性基層路面結(jié)構(gòu)最主要的病害[1，4]。為了從根本上解決半剛性基層的反射裂縫問題，柔性基層瀝青路面開始應用于道路建設中[5-7]。相較于半剛性基層路面結(jié)構(gòu)，柔性基層具有良好的應力分散能力，能夠有效地減緩反射裂縫的產(chǎn)生，因此柔性基層瀝青路面的使用壽命一般可達到35年以上[8]。由于柔性基層瀝青路面在使用年限內(nèi)能夠保持路面整體結(jié)構(gòu)完整，在后期的養(yǎng)護維修中只需要更新或更換功能性面層，避免了瀝青路面整體結(jié)構(gòu)層在短期內(nèi)進行大修，是目前較為理想的路面結(jié)構(gòu)形式[9-11]。

現(xiàn)階段主要采用級配碎石或瀝青穩(wěn)定碎石作為柔性基層。其中，級配碎石的彈性模量較低且易產(chǎn)生塑性變形，容易導致瀝青路面的疲勞開裂[12]；而以瀝青作膠結(jié)料的柔性基層造價較高，限制了其在國內(nèi)大范圍的推廣使用。為解決以上問題，國外開發(fā)了由高強度抗老化樹脂和多種特殊壓力敏感性樹脂聚合而成的路用水基聚合物(Solution Road Soilfix，SRX)，其能代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠結(jié)材料應用于柔性基層[13]。國內(nèi)也引進SRX鋪筑了試驗路，并開展了關于SRX穩(wěn)定碎石強度性能、水穩(wěn)定性、收縮性能、抗疲勞性能等方面的研究，能滿足應用于道路基層的要求[14-16]。雖然現(xiàn)有的研究表明SRX具有較好的性能，并展現(xiàn)出良好的應用前景，但是因其價格較高，長期使用性能尚不明確，在國內(nèi)大規(guī)模推廣應用的報道較少。

為加快水性聚合物穩(wěn)定碎石技術應用的本土化，課題組自主研發(fā)了一種新型水性聚合物(代號XTP-01)。該聚合物具有較好的粘結(jié)性能，能夠作為膠結(jié)料穩(wěn)定級配碎石用于柔性基層，且成本不足SRX的一半，具有很好的經(jīng)濟性。通常情況下，XTP聚合物以大分子顆粒形式分散于水相中，形成具有流動性的聚合物乳液。乳液狀態(tài)下的XTP聚合物不具有粘結(jié)性能，為恢復其粘結(jié)性能，需要將乳液中的水分蒸發(fā)掉，使XTP聚合物形成聚合物膜并裹附在級配碎石的表面[17-20]。由此可知，與無機結(jié)合料穩(wěn)定碎石強度形成機理不同，在XTP聚合物乳液與級配碎石拌合后，必須經(jīng)過失水養(yǎng)護，XTP聚合物穩(wěn)定碎石才能形成強度。研究其失水養(yǎng)護規(guī)律及強度變化規(guī)律對XTP聚合物穩(wěn)定碎石技術的應用有重要的意義。因此，文章采用旋轉(zhuǎn)壓實成型XTP聚合物穩(wěn)定碎石試件，通過失水干燥試驗，研究了XTP聚合物穩(wěn)定碎石的失水養(yǎng)護規(guī)律，并根據(jù)乳化干燥理論，揭示了XTP聚合物穩(wěn)定碎石各個失水階段的物理意義，量化了溫度對失水時間的影響，同時還研究了XTP聚合物穩(wěn)定碎石強度變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 原材料

1.1.1 水性高分子聚合物乳液

試驗選用課題組自主研發(fā)的XTP水性高分子聚合物乳液(如圖1所示)。該乳液具有粘結(jié)力強、耐水、耐熱及耐老化的特點，其技術指標見表1。

圖1 XTP水性聚合物圖

表1 水性聚合物乳液技術指標表

1.1.2 集料

集料為山東地區(qū)的石灰?guī)r，來自濟南市歷城區(qū)港溝拌合站。設計級配的組成選用0～5、5～10、10～20和20～30 mm共4檔集料。集料的各項技術性能指標見表2，均能滿足相關規(guī)范要求。

表2 石灰?guī)r集料的技術指標表

1.2 配合比設計

1.2.1 混合料級配設計

對所選的4檔集料進行篩分，參照JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》[21]中規(guī)定的級配碎石或級配礫石的顆粒組成范圍，設計3種混合料級配，合成的級配曲線如圖2所示。

圖2 水性聚合物穩(wěn)定碎石級配曲線圖

1.2.2 擊實試驗

在混合料級配設計后，需通過擊實試驗，確定3種級配的XTP聚合物穩(wěn)定碎石的最佳含水量及最大干密度。依據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[22]中擊實試驗(T 0804—1994)的方法進行，試驗中加水量不包括XTP聚合物乳液中的水分。通過試驗，級配1的聚合物穩(wěn)定碎石脫模后無法成型，故排除級配1。級配2和3的聚合物穩(wěn)定碎石的最佳含水量分別為4.4%和4.5%，最大干密度分別為2.37和2.32 g/cm3。

1.2.3 CBR試驗

加州承載比(California Bearing Ratio，CBR)值能夠表征材料抗局部剪切力的能力，是柔性路面設計中基層材料選擇的一個重要指標。材料的CBR值越大，表明其局部承載能力越強。參照土的CBR擊實試驗，每種級配類型的聚合物穩(wěn)定碎石制備3個試樣，均在50℃的溫度下養(yǎng)護6 d。養(yǎng)護完成后泡水4 d，再進行CBR試驗，得到級配2和級配3的聚合物穩(wěn)定碎石的CBR值分別為212.2%和174.6%，故確定級配2為最佳級配。

1.2.4 確定XTP聚合物乳液摻量

根據(jù)最佳級配，在級配碎石中添加不同摻量的XTP聚合物乳液，并測定XTP聚合物穩(wěn)定碎石的劈裂強度，得到XTP聚合物乳液摻量為0.5%、1%和2%的水性聚合物穩(wěn)定碎石的劈裂強度分別為0.447、0.521和0.529 MPa?；诮?jīng)濟性和試驗效果的考慮，最終確定XTP聚合物乳液按級配碎石質(zhì)量的1%摻加。

1.3 XTP聚合物穩(wěn)定碎石的制備

目前我國沒有聚合物穩(wěn)定碎石制備的相關規(guī)范，XTP聚合物穩(wěn)定碎石的制備參照無機結(jié)合料穩(wěn)定碎石的制備方法進行，分為拌合和壓實成型兩個過程。傳統(tǒng)的靜壓成型法及重型擊實法在成型過程中無法控制試件高度，不能保證試件的均勻性，而旋轉(zhuǎn)壓實法可以通過選擇壓實次數(shù)或者壓實高度模式，準確控制成型試件的尺寸，并且旋轉(zhuǎn)壓實的過程更接近材料的實際壓實狀態(tài)[23-24]，故采用旋轉(zhuǎn)壓實法成型150 mm×150 mm的圓柱形XTP水性聚合物穩(wěn)定碎石試件，其總體制備流程圖如圖3所示。

圖3 XTP聚合物穩(wěn)定碎石的制備過程圖

1.3.1 拌合方式

制作一個XTP聚合物穩(wěn)定碎石試件所需XTP聚合物乳液、水和級配碎石材料的質(zhì)量分別為66、263和6 600 g。

(1)準確量取制備一個聚合物穩(wěn)定碎石試件所需的水和XTP聚合物乳液，將兩者混合后充分攪拌均勻。(2)將級配碎石加入拌合機中，干拌90 s。(3)將XTP聚合物乳液加入級配碎石中，再拌合180 s。整個拌合過程均在常溫下進行，無需加熱。

1.3.2 成型方式

采用美國Superpave設計方法中旋轉(zhuǎn)壓實成型方法制作壓實度為98%的圓柱形XTP聚合物穩(wěn)定碎石試件。旋轉(zhuǎn)壓實機為美國松木儀器公司(PINE Instrument Company)生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)壓實儀，將拌合得到的穩(wěn)定碎石平均分為5份依次裝入試模中，每裝一層用搗棒搗實。前期對試件進行試壓成型，根據(jù)壓實曲線確定壓實參數(shù)。旋轉(zhuǎn)壓實參數(shù)設定為:壓實模式選擇高度模式控制，壓實高度為150 mm，旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)為150次。

1.4 試件養(yǎng)護方式

壓實完成后儀器自動脫模，由于剛成型的XTP聚合物穩(wěn)定碎石試件強度很低，需將試件與底模一同取出，并稱量試件和底模的質(zhì)量。將試件與底模一起放入干燥箱中進行失水養(yǎng)護，根據(jù)需要設定干燥箱溫度，當試件完全失水時，即完成失水養(yǎng)護。

1.5 失水干燥試驗

通過重量法測定XTP聚合物穩(wěn)定碎石試件中水分的蒸發(fā)量，考察不同養(yǎng)護溫度對XTP聚合物穩(wěn)定碎石失水規(guī)律的影響，分別在15、25、50、60、70、80、90℃的養(yǎng)護條件下進行了7組試驗。從開始失水至完全失水的過程中，每隔規(guī)定的時間，用精度為0.1 g的天平稱量試件的質(zhì)量，每組失水試驗重復3次，制作7組試件，共21個樣品，最終結(jié)果取3次試驗結(jié)果的平均值。

為直觀地描述試件的失水過程，定義累計失水率及失水速率的概念，統(tǒng)計試件的失水變化情況。

將失水開始時至某時刻的失水量與失水開始時至試件完全失水時的總失水量之比定義為試件在某時刻的累計失水率，由式(1)表示為

式中ωi為第i時刻的累計失水率，%；m0為失水開始時試件質(zhì)量，g；mi為失水過程中第i時刻試件質(zhì)量，g；mz為完全失水時試件質(zhì)量，g。

將某時間段內(nèi)開始時刻與結(jié)束時刻累計失水率的差值與該時間段之比定義為該時間段的失水速率，由式(2)表示為

式中v為某時間段的失水速率，%/h；ωi-1為第i-1時刻的累計失水率，%；ti-1、ti分別為第i-1時刻和第i時刻的失水養(yǎng)護時間，h。

1.6 強度試驗

為更好地評價XTP聚合物穩(wěn)定碎石抵抗開裂的能力，選用劈裂強度作為強度指標。根據(jù)目前國內(nèi)評價水性聚合物穩(wěn)定碎石性能的相關試驗規(guī)范，強度試驗參照JTGE51—2009[22]中無機結(jié)合料穩(wěn)定材料間接抗拉強度實驗方法(T 0806—1994)進行。采用LD127S型路面材料強度試驗儀，加載速率為1 mm/min，每組進行3次平行試驗，試驗結(jié)果取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 失水規(guī)律分析

2.1.1 累計失水率和失水速率與養(yǎng)護時間的關系

XTP聚合物穩(wěn)定碎石在不同養(yǎng)護溫度下累計失水率和失水速率與養(yǎng)護時間的關系如圖4所示。在90℃的養(yǎng)護條件下，從失水開始到失水8 h后，XTP聚合物穩(wěn)定碎石累計失水率約達到80%。隨著XTP聚合物穩(wěn)定碎石繼續(xù)失水，累計失水率隨養(yǎng)護時間的增長速率變緩，當累計失水16 h后，累計失水率約達到95%。此后累計失水率隨養(yǎng)護時間的增長更加緩慢，并逐漸趨于漸近值。同時發(fā)現(xiàn)，XTP聚合物穩(wěn)定碎石在50和15℃養(yǎng)護條件下累計失水率隨時間的增長規(guī)律與90℃養(yǎng)護條件下的類似，都是在前期增長較快，隨著失水過程進行，后期逐漸減慢并趨于定值。

為進一步研究XTP聚合物穩(wěn)定碎石失水過程中失水的規(guī)律，觀察了失水速率的變化。由圖4可知，以90℃養(yǎng)護條件為例，XTP聚合物穩(wěn)定碎石的初始失水速率最快，在0～8 h內(nèi)，失水速率迅速降低，隨著養(yǎng)護時間的增長，失水速率也逐漸降低，但降低的幅度小于0～8 h內(nèi)的降低幅度，最后的失水過程中，失水速率也趨于漸近值。XTP聚合物穩(wěn)定碎石在50和15℃養(yǎng)護條件下的失水速率也具有類似的變化規(guī)律。

圖4 不同溫度累計失水率和失水速率與養(yǎng)護時間的關系曲線圖

綜上所述，不同養(yǎng)護溫度下XTP聚合物穩(wěn)定碎石具有類似的失水行為，累計失水率隨養(yǎng)護時間的增長而增長，而失水速率隨著養(yǎng)護時間的增長而降低，初始失水率最快，隨著養(yǎng)護過程的進行失水速率的降低幅度逐漸減小，失水過程呈現(xiàn)“先快后慢”的趨勢。

2.1.2 XTP聚合物穩(wěn)定碎石失水特性表征

在失水養(yǎng)護過程中，XTP聚合物穩(wěn)定碎石中的水分散失取決于XTP聚合物乳液中的水分散失，因此XTP聚合物穩(wěn)定碎石的失水過程對應XTP聚合物乳液在碎石表面的蒸發(fā)成膜過程。假設XTP聚合物在乳液中分布均勻，且乳液在干燥過程中保持均勻，分析XTP聚合物穩(wěn)定碎石的失水過程后發(fā)現(xiàn)，其失水過程在如圖5所示的3個階段連續(xù)轉(zhuǎn)變。

圖5 XTP聚合物穩(wěn)定碎石3階段失水過程示意圖

快速失水階段:XTP聚合物乳液呈現(xiàn)為半稀釋狀態(tài)的乳液，庫侖力和變形力提供的排斥力使聚合物顆粒間有足夠大的空隙，水分在空隙中快速揮發(fā)，XTP聚合物穩(wěn)定碎石具有較高的失水速率，同時其失水過程是一個“由表及里”的過程，失水速率的降幅較快。此階段失水完成后，XTP聚合物穩(wěn)定碎石的累積失水率約能達到80%。

緩慢失水階段:XTP聚合物穩(wěn)定碎石經(jīng)過第一階段的失水后，XTP聚合物顆粒間的空隙逐漸變小，同時聚合物顆粒變形，從而擴大了顆粒間相互作用的接觸區(qū)，顆粒間形成毛細管。毛細管作用促使XTP聚合物顆粒趨向于規(guī)整排列，聚合物乳液中的水/空氣之間的接觸面積逐漸變小，導致失水速率逐漸減小，此階段完成后，XTP聚合物穩(wěn)定碎石的累積失水率達到約95%。

穩(wěn)定失水階段:此階段對應XTP聚合物顆粒滲出時的致密區(qū)域，從而使碎石表面基本形成一層聚合物薄膜。聚合物薄膜中存在極少量的水，可揮發(fā)的水通過聚合物分子間的毛細管散失，或通過聚合物分子間的擠壓變形散發(fā)出去。此階段XTP聚合物穩(wěn)定碎石中水分散失困難，失水速率也逐漸趨于穩(wěn)定，直至完成水分散失。

2.2 養(yǎng)護溫度與養(yǎng)護時間的關系

在其他養(yǎng)護條件相同的情況下，討論了養(yǎng)護溫度對XTP聚合物穩(wěn)定碎石養(yǎng)護時間的影響，圖6列出了不同養(yǎng)護溫度下XTP聚合物穩(wěn)定碎石完全失水時所用的養(yǎng)護時間。由圖6可知，養(yǎng)護溫度從15℃提高到90℃，試件中水分完全散失所需的養(yǎng)護時間逐漸縮短，對比養(yǎng)護溫度從15℃提高到25℃和從80℃提高到90℃，XTP聚合物穩(wěn)定碎石的養(yǎng)護時間分別縮短了5和0.75 d，說明養(yǎng)護溫度對XTP聚合物穩(wěn)定碎石的失水過程有很大影響，因此在較高的養(yǎng)護溫度下縮短XTP聚合物穩(wěn)定碎石的養(yǎng)護時間是合理的，在較低溫度下提高養(yǎng)護溫度對縮短XTP聚合物穩(wěn)定碎石的養(yǎng)護時間更有效。同時，為定量地表征養(yǎng)護時間隨養(yǎng)護溫度的變化關系，采用指數(shù)型函數(shù)對其進行擬合，養(yǎng)護時間與養(yǎng)護溫度之間的擬合曲線如圖6所示，其中R2＝0.9979，擬合精度較高。

圖6 養(yǎng)護時間與養(yǎng)護溫度關系曲線圖

2.3 強度形成規(guī)律

2.3.1 溫度對劈裂強度的影響

不同養(yǎng)護溫度下的XTP聚合物穩(wěn)定碎石完全失水后的劈裂強度如圖7所示。

圖7 不同養(yǎng)護溫度下試件劈裂強度柱狀圖

XTP聚合物穩(wěn)定碎石試件在不同養(yǎng)護溫度下完全失水后能達到的劈裂強度幾乎相同，誤差可能來源于試驗誤差，說明在不同溫度下養(yǎng)護XTP聚合物穩(wěn)定碎石不影響其完全失水后的劈裂強度。

2.3.2 強度隨養(yǎng)護時間的變化

圖8為50℃養(yǎng)護溫度下的XTP聚合物穩(wěn)定碎石試件劈裂強度與養(yǎng)護時間的關系曲線。XTP聚合物穩(wěn)定碎石的劈裂強度隨養(yǎng)護時間的增加而增長。試件失水1 d后，劈裂強度達到0.207 MPa，約為完全失水后劈裂強度的40%，此階段XTP聚合物穩(wěn)定碎石試件主要發(fā)生一個“由表及里”的失水過程，雖然總體失水量較大，但主要集中在試件外部，內(nèi)部含水率仍然較高，試件的強度主要來自于級配碎石間的嵌鎖力，強度較低。隨著養(yǎng)護時間的增加，試件內(nèi)部也繼續(xù)失水，XTP聚合物逐漸成膜并裹附在碎石表面，強度也逐漸增加，在養(yǎng)護4 d結(jié)束后，試件的劈裂強度能夠達到最終完全失水時劈裂強度的95%。養(yǎng)護后期，XTP聚合物穩(wěn)定碎石試件內(nèi)的含水量已經(jīng)很少，失水變得困難，強度也增長困難，最終，試件中的水分全部散失后，強度也不再增長。

圖8 50℃下劈裂強度與養(yǎng)護時間關系曲線圖

3 結(jié)論

文章研究了水性聚合物穩(wěn)定碎石的失水規(guī)律及失水過程中的強度變化規(guī)律，考察了養(yǎng)護溫度、養(yǎng)護時間對失水過程的影響，綜合分析后主要得到以下結(jié)論:

(1)不同養(yǎng)護溫度下的XTP聚合物穩(wěn)定碎石具有相似的失水規(guī)律，累計失水率隨養(yǎng)護時間延長而增長，而失水速率隨著養(yǎng)護時間增長而降低，且降幅逐漸減小。XTP聚合物穩(wěn)定碎石的失水過程都經(jīng)歷快速失水、緩慢失水及穩(wěn)定失水階段，并基于乳液干燥成膜理論解釋了3個失水階段的物理意義。

(2)養(yǎng)護溫度影響XTP聚合物穩(wěn)定碎石的失水過程，通過提高養(yǎng)護溫度能夠縮短XTP聚合物穩(wěn)定碎石達到完全失水狀態(tài)所需的養(yǎng)護時間，同時定量表征了養(yǎng)護時間與養(yǎng)護溫度之間的關系。

(3)改變養(yǎng)護溫度不影響XTP聚合物穩(wěn)定碎石在完全失水時的劈裂強度，但XTP聚合物穩(wěn)定碎石的劈裂強度隨養(yǎng)護時間增加而增強。在50℃養(yǎng)護條件下養(yǎng)護4 d后，聚合物穩(wěn)定碎石的劈裂強度能夠達到完全失水后劈裂強度的95%，養(yǎng)護后期失水困難，強度也增長緩慢并逐漸趨于漸近值，當達到完全失水狀態(tài)時，強度也不再增長。