水性聚合物穩定碎石失水及強度變化規律研究

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、穩定性好，以及成本較低等優點，因此半剛性基層瀝青路面結構是我國目前主要采用的路面結構形式[1-3]。但以水泥穩定碎石為主的半剛性基層在干濕、凍融循環以及車輛荷載的反復作用下易產生裂縫，基層裂縫向上延伸，導致瀝青面層出現反射裂縫，其成為半剛性基層路面結構最主要的病害[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構，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能夠保持路面整體結構完整，在后期的養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構層在短期內進行大修，是目前較為理想的路面結構形式[9-11]。

現階段主要采用級配碎石或瀝青穩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]；而以瀝青作膠結料的柔性基層造價較高，限制了其在國內大范圍的推廣使用。為解決以上問題，國外開發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)，其能代替傳統膠結材料應用于柔性基層[13]。國內也引進SRX鋪筑了試驗路，并開展了關于SRX穩定碎石強度性能、水穩定性、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]。雖然現有的研究表明SRX具有較好的性能，并展現出良好的應用前景，但是因其價格較高，長期使用性能尚不明確，在國內大規模推廣應用的報道較少。

為加快水性聚合物穩定碎石技術應用的本土化，課題組自主研發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性能，能夠作為膠結料穩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。乳液狀態下的XTP聚合物不具有粘結性能，為恢復其粘結性能，需要將乳液中的水分蒸發掉，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，與無機結合料穩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，必須經過失水養護，XTP聚合物穩定碎石才能形成強度。研究其失水養護規律及強度變化規律對XTP聚合物穩定碎石技術的應用有重要的意義。因此，文章采用旋轉壓實成型XTP聚合物穩定碎石試件，通過失水干燥試驗，研究了XTP聚合物穩定碎石的失水養護規律，并根據乳化干燥理論，揭示了XTP聚合物穩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聚合物穩定碎石強度變化規律。

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的XTP水性高分子聚合物乳液(如圖1所示)。該乳液具有粘結力強、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

集料為山東地區的石灰巖，來自濟南市歷城區港溝拌合站。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，均能滿足相關規范要求。

表2 石灰巖集料的技術指標表

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聚合物穩定碎石的最佳含水量及最大干密度。依據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[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定碎石制備3個試樣，均在50℃的溫度下養護6 d。養護完成后泡水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%的水性聚合物穩定碎石的劈裂強度分別為0.447、0.521和0.529 MPa。基于經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量的1%摻加。

1.3 XTP聚合物穩定碎石的制備

目前我國沒有聚合物穩定碎石制備的相關規范，XTP聚合物穩定碎石的制備參照無機結合料穩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，而旋轉壓實法可以通過選擇壓實次數或者壓實高度模式，準確控制成型試件的尺寸，并且旋轉壓實的過程更接近材料的實際壓實狀態[23-24]，故采用旋轉壓實法成型150 mm×150 mm的圓柱形XTP水性聚合物穩定碎石試件，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聚合物穩定碎石試件所需XTP聚合物乳液、水和級配碎石材料的質量分別為66、263和6 600 g。

(1)準確量取制備一個聚合物穩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設計方法中旋轉壓實成型方法制作壓實度為98%的圓柱形XTP聚合物穩定碎石試件。旋轉壓實機為美國松木儀器公司(PINE Instrument Company)生產的旋轉壓實儀，將拌合得到的穩定碎石平均分為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，根據壓實曲線確定壓實參數。旋轉壓實參數設定為:壓實模式選擇高度模式控制，壓實高度為150 mm，旋轉壓實次數為150次。

1.4 試件養護方式

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量。將試件與底模一起放入干燥箱中進行失水養護，根據需要設定干燥箱溫度，當試件完全失水時，即完成失水養護。

1.5 失水干燥試驗

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

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量，g；mi為失水過程中第i時刻試件質量，g；mz為完全失水時試件質量，g。

將某時間段內開始時刻與結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時刻的失水養護時間，h。

1.6 強度試驗

為更好地評價XTP聚合物穩定碎石抵抗開裂的能力，選用劈裂強度作為強度指標。根據目前國內評價水性聚合物穩定碎石性能的相關試驗規范，強度試驗參照JTGE51—2009[22]中無機結合料穩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，試驗結果取其平均值。

2 結果與分析

2.1 失水規律分析

2.1.1 累計失水率和失水速率與養護時間的關系

XTP聚合物穩定碎石在不同養護溫度下累計失水率和失水速率與養護時間的關系如圖4所示。在90℃的養護條件下，從失水開始到失水8 h后，XTP聚合物穩定碎石累計失水率約達到80%。隨著XTP聚合物穩定碎石繼續失水，累計失水率隨養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護時間的增長更加緩慢，并逐漸趨于漸近值。同時發現，XTP聚合物穩定碎石在50和15℃養護條件下累計失水率隨時間的增長規律與90℃養護條件下的類似，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聚合物穩定碎石失水過程中失水的規律，觀察了失水速率的變化。由圖4可知，以90℃養護條件為例，XTP聚合物穩定碎石的初始失水速率最快，在0～8 h內，失水速率迅速降低，隨著養護時間的增長，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聚合物穩定碎石在50和15℃養護條件下的失水速率也具有類似的變化規律。

圖4 不同溫度累計失水率和失水速率與養護時間的關系曲線圖

綜上所述，不同養護溫度下XTP聚合物穩定碎石具有類似的失水行為，累計失水率隨養護時間的增長而增長，而失水速率隨著養護時間的增長而降低，初始失水率最快，隨著養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“先快后慢”的趨勢。

2.1.2 XTP聚合物穩定碎石失水特性表征

在失水養護過程中，XTP聚合物穩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聚合物穩定碎石的失水過程對應XTP聚合物乳液在碎石表面的蒸發成膜過程。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聚合物穩定碎石的失水過程后發現，其失水過程在如圖5所示的3個階段連續轉變。

圖5 XTP聚合物穩定碎石3階段失水過程示意圖

快速失水階段:XTP聚合物乳液呈現為半稀釋狀態的乳液，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，XTP聚合物穩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聚合物穩定碎石經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，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聚合物穩定碎石的累積失水率達到約95%。

穩定失水階段:此階段對應XTP聚合物顆粒滲出時的致密區域，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出去。此階段XTP聚合物穩定碎石中水分散失困難，失水速率也逐漸趨于穩定，直至完成水分散失。

2.2 養護溫度與養護時間的關系

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

2.3 強度形成規律

2.3.1 溫度對劈裂強度的影響

不同養護溫度下的XTP聚合物穩定碎石完全失水后的劈裂強度如圖7所示。

圖7 不同養護溫度下試件劈裂強度柱狀圖

XTP聚合物穩定碎石試件在不同養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護XTP聚合物穩定碎石不影響其完全失水后的劈裂強度。

2.3.2 強度隨養護時間的變化

圖8為50℃養護溫度下的XTP聚合物穩定碎石試件劈裂強度與養護時間的關系曲線。XTP聚合物穩定碎石的劈裂強度隨養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聚合物穩定碎石試件主要發生一個“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。隨著養護時間的增加，試件內部也繼續失水，XTP聚合物逐漸成膜并裹附在碎石表面，強度也逐漸增加，在養護4 d結束后，試件的劈裂強度能夠達到最終完全失水時劈裂強度的95%。養護后期，XTP聚合物穩定碎石試件內的含水量已經很少，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℃下劈裂強度與養護時間關系曲線圖

3 結論

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

(1)不同養護溫度下的XTP聚合物穩定碎石具有相似的失水規律，累計失水率隨養護時間延長而增長，而失水速率隨著養護時間增長而降低，且降幅逐漸減小。XTP聚合物穩定碎石的失水過程都經歷快速失水、緩慢失水及穩定失水階段，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)養護溫度影響XTP聚合物穩定碎石的失水過程，通過提高養護溫度能夠縮短XTP聚合物穩定碎石達到完全失水狀態所需的養護時間，同時定量表征了養護時間與養護溫度之間的關系。

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