張翔飛，錢(qián)振東，楊若沖

（東南大學(xué) 智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心，江蘇 南京 210096）

橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石收縮性能研究

張翔飛，錢(qián)振東，楊若沖

（東南大學(xué) 智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心，江蘇 南京 210096）

為了探究橡膠粉對(duì)水泥穩(wěn)定碎石收縮性能的改善效果，文章在固定級(jí)配的基礎(chǔ)上，用橡膠粉代替部分細(xì)集料進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)，對(duì)摻加橡膠粉的水泥穩(wěn)定碎石小梁試件的溫縮和干縮性能進(jìn)行測(cè)試，研究橡膠粉對(duì)水穩(wěn)碎石收縮性能的改進(jìn)作用，進(jìn)而對(duì)摻加橡膠粉及聚合物的水泥凈漿試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，研究聚合物對(duì)橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石抗斷裂能力的改進(jìn)作用。結(jié)果表明，橡膠集料的摻入改善了收縮的性能，干燥收縮系數(shù)變小約30%；橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石的應(yīng)變能力隨聚合物的摻入量增加而增強(qiáng)。

橡膠粉；水泥穩(wěn)定碎石；干燥收縮；溫度收縮；斷裂能

1 概述

水泥穩(wěn)定碎石廣泛用于我國(guó)高等級(jí)公路基層或底基層。由于水泥穩(wěn)定碎石呈脆性，且對(duì)溫度、濕度的變化比較敏感，在施工及使用過(guò)程中，易于產(chǎn)生收縮開(kāi)裂［1］。將廢舊橡膠輪胎加工成橡膠顆粒摻入水泥穩(wěn)定碎石材料中，結(jié)合水泥穩(wěn)定碎石和橡膠粉2種材料的優(yōu)點(diǎn)，可較好地改善水泥穩(wěn)定碎石的開(kāi)裂問(wèn)題，又可利用廢舊輪胎，保護(hù)環(huán)境。

水泥的水化作用使混合料水分減少而產(chǎn)生收縮，約占總收縮的17%，混合料的收縮由細(xì)粒土占主導(dǎo)作用，混合料的含水量越大，其干縮應(yīng)變也越大。目前，國(guó)內(nèi)外在橡膠混凝土方面研究以及水泥穩(wěn)定碎石材料本身研究做出了大量的工作，但對(duì)于在水泥穩(wěn)定碎石材料中摻加橡膠粉的研究則相對(duì)較少。在早期橡膠顆粒水泥穩(wěn)定碎石收縮特性研究中，較多采用靜壓成型法和重型擊實(shí)法成型試件。覃峰等人對(duì)重型擊實(shí)成型下的橡膠水泥穩(wěn)定碎石收縮性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，使用40目纖維橡膠粉代替水泥的質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒水泥穩(wěn)定碎石的7 d、28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度略有降低，橡膠粉的摻加能有效減小水泥穩(wěn)定碎石基層的收縮［2］。何勇采用靜壓成型法將橡膠粉等質(zhì)量代替0～2.36 mm粒徑的細(xì)集料，研究表明加入橡膠顆粒后，水泥穩(wěn)定基層碎石混合料抗壓強(qiáng)度、回彈模量、劈裂抗拉強(qiáng)度都有所下降［3］。

目前對(duì)振動(dòng)成型的試件研究較少，并且存在橡膠粉代替細(xì)集料的方式不統(tǒng)一等問(wèn)題。由于水泥漿與橡膠粉分別屬于親水性和憎水性材料，2種材料界面結(jié)合性差，橡膠粉對(duì)水泥基材料的力學(xué)性能影響較大［4］。隨著施工的改進(jìn)，施工機(jī)械功率增大，而室內(nèi)成型壓實(shí)功較現(xiàn)場(chǎng)碾壓成型壓實(shí)功明顯偏低，導(dǎo)致設(shè)計(jì)級(jí)配細(xì)料偏多；因此，采用振動(dòng)成型法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)成為研究水泥穩(wěn)定碎石收縮性能新的研究方向。本文采用振動(dòng)成型法，并且用橡膠粉等體積代換細(xì)集料，研究橡膠粉對(duì)水泥穩(wěn)定碎石開(kāi)裂性能的改進(jìn)作用，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)加入橡膠粉后水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能下降的現(xiàn)象，加入聚合物改性，探究聚合物對(duì)橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石抗斷裂能力的改進(jìn)作用。

2 橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)水泥選用南京某廠生產(chǎn)的P.O42.5R硅酸鹽水泥，其性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。橡膠粉主要采用40目、60目、80目橡膠粉，其性能試驗(yàn)均滿(mǎn)足規(guī)范［5］要求。試驗(yàn)中所用集料的規(guī)格及表觀密度見(jiàn)表2。

表1 水泥技術(shù)性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

表2 集料的規(guī)格及表觀密度

2.2 橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配設(shè)計(jì)

常用的水泥穩(wěn)定碎石基層按其混合料結(jié)構(gòu)狀態(tài)分為2類(lèi)，即懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)和骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)采用連續(xù)型密級(jí)配，骨料的顆粒尺寸由大到小連續(xù)存在。這種結(jié)構(gòu)形態(tài)的水泥穩(wěn)定碎石混合料中，細(xì)集料較多，粗集料相互之間沒(méi)有接觸，不能形成骨架。該種結(jié)構(gòu)雖然具有較高的黏聚力，但內(nèi)摩擦角較低，在外部荷載作用下，易產(chǎn)生剪切破壞。按這種結(jié)構(gòu)修筑的水泥穩(wěn)定碎石基層抗收縮性能較差，基層容易產(chǎn)生收縮裂縫［6］。骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)采用間斷級(jí)配，去掉了不能嵌入粗集料骨架空隙中的中間尺寸粒徑集料，加入了適量細(xì)集料，這樣既能讓粗集料形成骨架，又讓細(xì)集料填充了殘余空隙，從而使混合料形成較高的密實(shí)度。這種結(jié)構(gòu)的混合料不僅具有較高的內(nèi)摩擦角，而且具有較高的黏聚力。理論上講，屬于該種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的水泥穩(wěn)定碎石混合料具有最優(yōu)的力學(xué)性能、抗收縮性能和抗沖刷性能等。根據(jù)規(guī)范《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50—2006）規(guī)定，高速公路、一級(jí)公路宜采用骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定類(lèi)材料基層或上基層，本試驗(yàn)采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)級(jí)配。集料的級(jí)配見(jiàn)表3，亦符合規(guī)范中級(jí)配范圍的要求。

表3 集料級(jí)配設(shè)計(jì)

2.3 確定水泥劑量

用水泥穩(wěn)定碎石作基層時(shí)，過(guò)高的水泥劑量會(huì)對(duì)混合料試件的抗收縮性能起到消極作用；當(dāng)水泥劑量為4.0%及以上時(shí)，可以有效滿(mǎn)足高等級(jí)路面基層強(qiáng)度的規(guī)范要求［7-8］。本文采用水泥劑量為4.0%。

3 橡膠粉穩(wěn)定碎石收縮變形特性

由于混合料中小于0.425 mm的顆粒含量越高，其塑性指數(shù)越大，其粒料土用水泥處治之后的干縮應(yīng)變也越大［9］。試驗(yàn)從細(xì)集料入手，采用等粒徑替換的方法，用40目（380 μm）、60目（250 μm）和80目（180 μm）橡膠粉別替代一部分0.3～0.6 mm、 0.15～0.3 mm和0.075～0.15 mm的細(xì)集料。

3.1 橡膠粒徑的影響

使用80目、60目、40目的橡膠粉以等體積替換的方式摻入混合料中，總體積代替百分比均為1.0%，并以純水穩(wěn)混合料做參照，水泥劑量采用常用計(jì)量4.0%。以此觀察不同粒徑橡膠粉摻入混合料后，試件所表現(xiàn)出來(lái)的干縮系數(shù)變化。振動(dòng)成型的小梁試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，平均干縮系數(shù)變化如圖1所示。

從干縮系數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)來(lái)看，摻入橡膠以后，試件干縮系數(shù)的增長(zhǎng)速度基本不變，在0～7 d時(shí)間內(nèi)增長(zhǎng)速度小于純水穩(wěn)碎石，7 d后，增長(zhǎng)速度基本持平。從干縮系數(shù)的增長(zhǎng)幅度來(lái)看，摻入40目、60目、80目橡膠粉的水穩(wěn)碎石試件相差不大，13 d時(shí)的干縮系數(shù)比純水穩(wěn)碎石的干縮系數(shù)減少約30%，干縮系數(shù)明顯減小，說(shuō)明橡膠粒徑不是影響干縮的主要因素。

圖1 不同橡膠粒徑小梁試件干縮系數(shù)

3.2 干燥收縮特性

由于細(xì)集料對(duì)干縮特性的影響較大，試驗(yàn)采用80目橡膠，橡膠粉總體積代替量選擇為0.5%，1.0% 和1.5%，并以純水穩(wěn)混合料做參照，水泥劑量為4.0%。進(jìn)行干縮試驗(yàn)得出干縮系數(shù)變化如圖2所示。

圖2 不同橡膠摻量小梁試件干縮系數(shù)

開(kāi)始干縮系數(shù)增長(zhǎng)較快，7 d后逐漸趨于平緩；摻入一定量橡膠粉后干縮系數(shù)明顯減小，3種橡膠摻量試件的干縮系數(shù)一開(kāi)始相差不大，5 d以后橡膠體積摻量為1.5%的試件的干縮系數(shù)小于其他試件；從增長(zhǎng)趨勢(shì)看，摻入橡膠粉試件的干縮應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)緩慢。以橡膠粉為主的細(xì)集料有較強(qiáng)的保水能力，水泥首先從周?chē)剿l(fā)生水化反應(yīng)，然后奪取橡膠粉集團(tuán)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分蒸發(fā)而引起的毛細(xì)管張力、吸附水和分子間力的作用，從而減小了干縮。摻入橡膠粉的試件干縮系數(shù)增長(zhǎng)緩慢，有利于延緩基層開(kāi)裂，隨著橡膠所占體積變大，其對(duì)干縮特性的改善效果越明顯。

3.3 溫度收縮特性

試驗(yàn)以80目橡膠為例，橡膠粉總體積代替量選擇為0.5%，1.0%和1.5%，并以純水穩(wěn)混合料做參照，水泥劑量為4.0%。進(jìn)行溫縮試驗(yàn)，采用人工游標(biāo)卡尺測(cè)量試件在溫度保持一定時(shí)間后的長(zhǎng)度，故結(jié)果偏差嚴(yán)重，進(jìn)行了2次試驗(yàn)，結(jié)果如圖3、圖4所示。

從溫縮試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻橡膠粉后的試件的溫縮系數(shù)有所降低，低溫時(shí)溫縮系數(shù)降低效果較明顯。但是人工測(cè)量長(zhǎng)度變化存在較大誤差，所以數(shù)據(jù)的降低多少很難判定。骨架密實(shí)級(jí)配的混合料中，以適量橡膠粉替代部分溫縮系數(shù)較大的細(xì)集料，是膠粉改善混合料的溫縮性質(zhì)的根本原因。

圖3 第1次溫縮試驗(yàn)結(jié)果

圖4 第2次溫縮試驗(yàn)結(jié)果

4 聚合物改性橡膠粉水泥凈漿斷裂能研究

為了改善加入橡膠后強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，在橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石中摻加聚合物改性劑。為探究聚合物對(duì)材料的改性作用，進(jìn)行斷裂能有關(guān)試驗(yàn)的探究［10］。目前，材料的斷裂能研究試驗(yàn)方法很多，常用的測(cè)試方法主要有：直接拉伸法、鍥劈拉伸法、三點(diǎn)彎曲法和緊湊拉伸法。由于三點(diǎn)彎曲法簡(jiǎn)便易行，且為常規(guī)設(shè)備，適用于一般條件的實(shí)驗(yàn)室。本文采用三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)來(lái)獲取斷裂能。

斷裂能Gf是指形成斷裂區(qū)單位面積所耗能量的大小［11］，可由反映材料力學(xué)特征的荷載變形曲線下的面積確定，該曲線為材料的軟化曲線，其圍成的面積不受試件尺寸及應(yīng)力狀態(tài)的影響，可視為材料常數(shù)［12］。

在實(shí)際工程中，水泥穩(wěn)定碎石基層難免產(chǎn)生微裂縫，為研究聚合物對(duì)裂縫失效問(wèn)題的改進(jìn)作用，將試件單邊切口［12］。由于水泥穩(wěn)定碎石與水泥砂漿離散性較大，本試驗(yàn)采用水泥凈漿，重新設(shè)計(jì)材料配比，對(duì)橡膠體積摻量在20%、40%和60%，聚合物摻量在5%、10%和15%時(shí)，小梁試件的斷裂能和最大位移大小進(jìn)行研究。

采用的三連模成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的梁式試件。養(yǎng)生5 d后，在梁的底端中央裂縫采用手動(dòng)切割機(jī)切縫，切縫深度為20 mm［8］。養(yǎng)生7 d后進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測(cè)定斷裂能。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示，每個(gè)數(shù)據(jù)是一個(gè)三連模成形的3個(gè)試件的平均值。

圖6 不同橡膠摻量試件斷裂能隨聚合物摻量變化

圖7 不同橡膠摻量試件最大應(yīng)變隨聚合物摻量變化

從圖中可以看出，相同橡膠摻量的條件下，斷裂能隨聚合物的增加略有提高，而聚合物對(duì)60%橡膠摻量的小梁改善效果較為明顯。分析其原因是60%橡膠摻量小梁試件中，橡膠顆粒較多，聚合物改善更多的是橡膠顆粒與顆粒間通過(guò)水泥粘結(jié)的強(qiáng)度，而20%與40%橡膠摻量小梁試件中，聚合物更多地是改善橡膠顆粒與水泥凈漿之間粘結(jié)的強(qiáng)度。試件可承受的最大位移形變也隨橡膠和聚合物的摻入略有提高，增強(qiáng)了應(yīng)變能力。水泥凈漿斷裂能試驗(yàn)結(jié)果表明，小梁試件的斷裂能、可承受最大位移形變隨聚合物的摻加有所提高。該結(jié)果對(duì)探究聚合物對(duì)水泥穩(wěn)定碎石收縮性能的改善作用具有指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

為了對(duì)橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行收縮性能研究，進(jìn)行了干縮試驗(yàn)、溫縮試驗(yàn)、斷裂能試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)，研究了橡膠顆粒、聚合物對(duì)水穩(wěn)混合料性能的影響，主要結(jié)論如下：

（1）橡膠摻量水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能有所改善，其平均干縮系數(shù)的增長(zhǎng)率小于純水穩(wěn)碎石，干縮系數(shù)減少約為30%，橡膠顆粒對(duì)水泥穩(wěn)定材料收縮性能的改性作用與橡膠顆粒的大小關(guān)系不大，與橡膠顆粒的摻量大多關(guān)系密切，摻入量越大，收縮性能改善越明顯。

（2）溫縮性能試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加膠粉后水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮量有所降低，然而由于受試驗(yàn)條件所限，試驗(yàn)結(jié)論有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

（3）聚合物的摻入可提高材料的斷裂能，即材料的韌性；橡膠與聚合物的摻入增加了材料可承受的最大位移形變。

由于橡膠顆粒與聚合物的摻加會(huì)導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度降低，本試驗(yàn)未對(duì)橡膠分水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度進(jìn)行研究，不同環(huán)境下橡膠與聚合物的最佳摻入量有待進(jìn)一步探究。橡膠顆粒是彈性體的高分子有機(jī)物，而集料中的粗骨料則表現(xiàn)出剛性性質(zhì)。雖然在試驗(yàn)中采用相同粒徑的代替方式，但在本質(zhì)上仍然是改變了集料的級(jí)配類(lèi)型。因此，在進(jìn)一步研究中可以將橡膠粉作為添加劑，在不減少細(xì)集料含量的基礎(chǔ)上研究膠粉對(duì)路用性能的影響情況。

［1］沙慶林.高等級(jí)公路半剛性基層瀝青路面［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［2］覃峰.橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石基層收縮性能試驗(yàn)研究［J］.新型建筑材料，2009（12）：38-41

［3］何勇.摻廢橡膠顆粒的水泥穩(wěn)定碎石路用性能的研究［D］.南京：南京林業(yè)大學(xué)，2007：4-5.

［4］ 張亮亮，姜華.橡膠粉水泥穩(wěn)定砂礫強(qiáng)度與收縮性能研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2013，35（9）：117-119.

［5］GB/T 19208—2003硫化橡膠粉［S］.

［6］周新鋒.水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2005.

［7］蔣應(yīng)軍.水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)試驗(yàn)方法及應(yīng)用研究［D］.南京：東南大學(xué)，2009：17-20.

［8］JTG D50—2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［9］黃煜鑌.水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫防治研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2004.

［10］ 張東.基于內(nèi)聚力模型的瀝青路面斷裂研究［D］.南京：東南大學(xué)，2009.

［11］Prof S P Shah. Size-effect method for determining fracture energy and process zone size of concrete［D］. The Technological Institute，Northwestern Universit，1991-2005（6）：80-84.

［12］Song， S.H. Fracture of Asphalt Concrete: A Cohesive Zone Modeling Approach Considering Viscoelastic Effects［D］. Urbana：University of Illinois，2006.

Study on the Shrinkage Properties of Cement Stabilized Macadam with Rubber Powder

Zhang Xiangfei， Qian Zhendong， Yang Ruochong
（Intelligent Transportation System Research Center， Southeast University， Nanjing 210096， China）

In order to study the improvement of the shrinkage of cement stabilized macadam which rubber powder contributes. This article replaced part of the fine aggregate with rubber powder based on fixed gradation. The temperature shrinkage and drying shrinkage performance of cement stabilized macadam beam specimens with rubber powder was researched. And then the three point bending experiment was designed to study the improvement of the fracture resistance of beam speciments with rubber powder and polymer. The results showed that the shrinkage resistance of the beam speciments was improved after the rubber powder was added and the drying shrinkage coefficient reduced about 30%. The strain capacity of the beam speciments improved with the addition of polymer.

rubber powder； cement stabilized macadam； drying shrinkage； temperature shrinkage； fracture energy

U414

A

1672-9889（2016）01-0013-04

張翔飛（1991-），男，山東泰安人，碩士研究生，研究方向?yàn)槁坊访妗?/p>

2015-05-19）