楊　松，季　節(jié)，孫鵬飛，趙永尚，文　博

（北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044）

橡膠粉改性水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能研究

楊松，季節(jié)，孫鵬飛，趙永尚，文博

（北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044）

為了分析橡膠粉的摻入對水泥穩(wěn)定碎石混合料力學(xué)性能的影響，對摻加1%、1.5%添加量的80目橡膠粉和未摻加橡膠粉的水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能進(jìn)行對比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入橡膠粉后，水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓回彈模量有所降低，但其抗凍性能增強(qiáng)，干縮應(yīng)變明顯減小，有利于延緩基層開裂。

橡膠粉；水泥穩(wěn)定碎石；力學(xué)性能；抗凍性能；干縮應(yīng)變

水泥穩(wěn)定碎石因具有強(qiáng)度高、剛度大、整體性能優(yōu)良、水穩(wěn)性和抗凍性較好等優(yōu)點(diǎn)，是我國高等級公路的首選基層材料。但是，該類基層易產(chǎn)生裂縫，從而引發(fā)路面其它病害的產(chǎn)生。裂縫的產(chǎn)生主要是由于水泥穩(wěn)定碎石材料在施工、養(yǎng)護(hù)及使用過程中干燥收縮和溫度收縮引起的［1］。橡膠粉是一種高彈性材料，對收縮變形具有一定的抑制作用，在此基礎(chǔ)上通過對其力學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證，探討其成型工藝，使其能滿足現(xiàn)行的規(guī)范要求，從而應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層中。同時(shí)，橡膠粉中含有一定量的纖維，這些纖維也能有效地抑制和減少收縮變形的產(chǎn)生［2］。

國內(nèi)對于橡膠粉加入到水泥穩(wěn)定碎石基層中的研究剛剛起步，目前研究最多的是將其加入到水泥混凝土中。天津大學(xué)［3］進(jìn)行了一組橡膠水泥混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析出橡膠水泥混凝土在某種程度上具有瀝青混凝土的性能。朱涵［4］等指出抗拉強(qiáng)度不小于5.5 MPa、抗壓強(qiáng)度不小于35 MPa的橡膠水泥混凝土路面板在標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用下，可達(dá)到50~100萬次彎曲疲勞循環(huán)，在任何溫度下均不會出現(xiàn)車轍。何勇［5］對橡膠粉應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了其力學(xué)性能變化規(guī)律，指出橡膠粉改性水泥穩(wěn)定碎石的溫縮和干縮性能可得到大幅度的提升。

國外在20世紀(jì)80年代末期開始了橡膠水泥混凝土的研究。橡膠是有機(jī)物，水泥混凝土是無機(jī)的，兩者結(jié)合曾使人對其相容性及耐用性產(chǎn)生顧慮。Eldin［6］和Khatib［7］等研究表明：采用橡膠粉、橡膠塊分別替代砂和石子制備的水泥基材料可以顯著地提高其韌性，不但可以承受部分彎曲應(yīng)力，還能阻止微裂縫的擴(kuò)展，延緩新裂縫的出現(xiàn)，表現(xiàn)出顯著的延性破壞特征。F. Hernandez-Olivares［8］對基于不同體積含量橡膠粉的棱柱形試件進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)，認(rèn)為橡膠水泥混凝土具有良好的抗疲勞性能，作為路面材料是經(jīng)濟(jì)可行的。

為了確定橡膠粉的摻加對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響規(guī)律，通過對摻加不同摻量（1%、1.5%，與水泥穩(wěn)定碎石的質(zhì)量比）的80目橡膠粉和未摻加橡膠粉的水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)（無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度等），對比分析找出橡膠粉的摻加對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1　原材料

1.1水泥

水泥是礦渣硅酸鹽水泥（32.5），按照（JTGE30-2005）《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》［9］進(jìn)行試驗(yàn)，其性能指標(biāo)如表1所示：

表1　水泥的性能

1.2集料

集料粒徑分別為26.5、19、16、13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm。按照（JTGE42—2005）《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》［10］進(jìn)行試驗(yàn)，其性能指標(biāo)如表2、表3所示。

表2　粗集料性能

集料均采用單檔料篩分，水泥穩(wěn)定碎石混合料的級配為中值合成級配，如表4所示。

表3　細(xì)集料性能

表4　水泥穩(wěn)定碎石的級配

1.3橡膠粉

橡膠粉采用20、30、80目橡膠粒徑，其物理性能如表5所示。

表5　橡膠粉性能

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于橡膠粉粒徑較小，故將橡膠粉按照一定的比例摻加到合成集料中。橡膠粉的摻量按公式（1）計(jì)算：

橡膠粉的摻量取1%和1.5%。水泥用量取5%。在相同配合比的條件下，試驗(yàn)分3組，其中1組、2組為摻加橡膠粉，摻量分別取1%、1.5%，第3組為未摻加橡膠粉。按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）［11］進(jìn)行下列試驗(yàn)：（1）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；（2）劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)；（3）抗壓回彈模量試驗(yàn)；（4）凍融試驗(yàn)；（5）干縮試驗(yàn)。

3　力學(xué)性能試驗(yàn)與分析

3.1無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

采用靜壓成型的方法制作試件，在恒溫養(yǎng)護(hù)室（標(biāo)準(zhǔn)溫度下）分別養(yǎng)護(hù)7 d、28 d、90 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)［11］。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6　無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果

摻加橡膠粉的水泥穩(wěn)定碎石其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯減小，說明在試件受壓的過程中，試件內(nèi)部的橡膠粉容易受壓變形，導(dǎo)致實(shí)際受力面積變小，承受壓力變?nèi)?，所以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率也越大。

3.2劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

采用靜壓成型的方法制作圓柱體試件（150 mm× 150 mm），在恒溫養(yǎng)護(hù)室（標(biāo)準(zhǔn)溫度下）養(yǎng)護(hù)90 d后進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。用圓柱體試件并沿其直徑方向用接近于線壓力進(jìn)行試驗(yàn)，直到破壞，得到的強(qiáng)度為劈裂抗拉強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7　劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果

摻加橡膠粉后，水泥穩(wěn)定碎石的90 d劈裂抗拉強(qiáng)度損失率比90 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率小。這主要是由于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)受力方式不同，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要影響因素為集料，而劈裂抗拉強(qiáng)度的主要影響因素為水泥和集料之間的粘結(jié)力。摻加橡膠粉后，試件的整體性和粘結(jié)力受到影響，但兩者的影響程度不同。

3.3抗壓回彈模量試驗(yàn)

采用靜壓成型的方法制作圓柱體試件（150 mm× 150 mm），在恒溫養(yǎng)護(hù)室（標(biāo)準(zhǔn)溫度下）分別養(yǎng)護(hù)7 d、28 d、90 d后進(jìn)行抗壓回彈模量試驗(yàn)。采用頂面法測試抗壓回彈模量。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8　抗壓回彈模量的試驗(yàn)結(jié)果

無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的重要特點(diǎn)之一是強(qiáng)度和模量隨齡期的增長而不斷增長，逐漸有一定的剛性。一般規(guī)定水泥穩(wěn)定類材料設(shè)計(jì)齡期為 3 個(gè)月，所以主要研究橡膠粉摻量與 90 d抗壓回彈模量的關(guān)系。通過表8可以看出，摻加橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量有所降低，且橡膠粉摻量越小，其下降幅度越小。

3.4凍融試驗(yàn)

半剛性基層材料的凍融循環(huán)試驗(yàn)?zāi)壳吧袩o統(tǒng)一的試驗(yàn)規(guī)程，材料的抗凍性能可通過一定次數(shù)的凍融循環(huán)作用后的強(qiáng)度下降情況來表征，但這些指標(biāo)也與凍融方法有關(guān)。凍融試驗(yàn)按試件在-20 ℃冰箱中凍 6 h，然后在 20 ℃水浴中融 18 h為一循環(huán)，采用90 d齡期試件經(jīng)5次凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度R凍與飽水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度R飽水之比（即凍穩(wěn)系數(shù) K）來表征材料的抗凍性，如表9所示。

表9　抗凍性能的試驗(yàn)結(jié)果

摻加橡膠粉的水泥穩(wěn)定碎石凍穩(wěn)系數(shù)比未摻加橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石稍大。其主要原因是：一方面橡膠粉密度比細(xì)集料小，橡膠粉能更多地填充于水泥穩(wěn)定碎石集料之間的空隙，減緩或減少了水分的進(jìn)入，從而提高了其抗凍性能；另一方面橡膠粉占據(jù)了集料之間的空隙，空隙中的水分結(jié)冰膨脹，首先擠壓的是橡膠粉，由于橡膠粉可以產(chǎn)生較大變形，降低了結(jié)冰膨脹應(yīng)力，這樣大大減輕了水結(jié)冰膨脹對水泥穩(wěn)定碎石的空隙壁造成的擠壓破壞。

3.5干縮試驗(yàn)

將摻加1%摻量、1.5%摻量的80目橡膠粉和未摻加橡膠粉的水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能進(jìn)行對比，如表10所示。

表10　干縮應(yīng)變隨時(shí)間變化趨勢

從表10可以看出：

（1）隨著時(shí)間的增長，未摻加橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石的干縮應(yīng)變有較大幅度的增長，第7天的累計(jì)干縮應(yīng)變達(dá)到158.33。

（2）隨著時(shí)間的增長，摻加1%和1.5%摻量的橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石的干縮應(yīng)變并沒有較大幅度的增長，7 d的累計(jì)干縮應(yīng)變沒有超過40，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未摻加橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石的干縮應(yīng)變。

表11　干縮系數(shù)隨時(shí)間變化趨勢

從表11可以明顯看出：

（1）隨著時(shí)間的增長，未摻加橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)在前期有較大幅度的增長，隨后逐漸趨于平緩，第7天干縮系數(shù)達(dá)到77.83。

（2）隨著時(shí)間的增長，摻加1%摻量、1.5%摻量的80目橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)并沒有較大幅度的增長，7 d的累計(jì)干縮應(yīng)變沒有超40，相對于未摻加橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)有明顯降低。這主要是橡膠粉具有較大的吸水能力，水泥首先從周圍吸收水發(fā)生水化反應(yīng)，然后奪取橡膠粉早先吸收的水分而恢復(fù)一部分自身干縮；另一方面，橡膠具有較大的彈性，在一定程度上消減了由于水蒸發(fā)引起的毛細(xì)管張力、吸附水和分子間力的作用，從而減小了水泥穩(wěn)定碎石材料的干縮。

4　結(jié)論

通過對摻加橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）摻加橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著橡膠粉摻量的增加而減小，其中1%的摻量比1.5%的摻量下降幅度小。

（2）摻入1%和1.5%橡膠粉的水泥穩(wěn)定碎石，其凍穩(wěn)系數(shù)比未摻加橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石大，表明摻橡膠粉的水泥穩(wěn)定碎石具有良好的抗凍性。

（3）摻加橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)小于未摻加橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石，說明橡膠粉的摻加有利于延緩基層開裂。

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［3］薛凱.橡膠膨脹混凝土的力學(xué)性能研究［J］.低溫建筑技術(shù)，［1］ 2013（12）：4-6.

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［5］何勇.摻廢橡膠顆粒的水泥穩(wěn)定碎石路用性能的研究［D］.［1］ 南京：南京林業(yè)大學(xué)，2007.

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［9］JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［10］JTGE42—2005公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［11］JTG E51—2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

Mechanical Properties of Rubber Powder Modified Cement Stabilized Macadam

Yang Song, Ji Jie, Sun Pengfei, Zhao Yongshang, Wen Bo
（School of Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China）

In order to analyze the mechanics properties of cement-stabilized macadam affected by rubber powder, the cementstabilized macadam were prepared with 80 mesh rubber powder 1%, 1.5% content and without rubber powder. The test results showed that the unconfined compressive strength, splitting tensile strength and compressive modulus of cement-stabilized macadam decreased by adding rubber powder, but the frost resistance of cement-stabilized macadam improved. The dry shrinkage strain of cement-stabilized macadam declined and it was helpful to delay the cracking of cement-stabilized macadam.

rubber powder; cement-stabilized macadam; mechanical properties; frost resistance; dry shrinkage strain

U414

A

1672-9889（2015）04-0001-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：51308031）；北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：No.PXM2013-014210-000165）

楊松（1990-），男，山東濰坊人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈缆饭こ膛c道路材料。

（2014-11-17）