張立強(qiáng)

（天津市啟瑞市政園林工程有限公司，天津 300110）

1 引言

截至2021年年末，我國公路總里程528.07萬公里，其中高速公路總里程16.91 萬公里，位居世界第一位。由于半剛性基層具有“強(qiáng)基薄面”的特性[1]，可以有效降低路面厚度，減少道路建設(shè)成本，因此被我國大部分道路所采用。同時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石基層具有初期強(qiáng)度較高且可以快速結(jié)成板體、整體強(qiáng)度較高、抗?jié)B性和水穩(wěn)性好、原材料來源廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為我國等級(jí)公路建設(shè)中最廣泛的半剛性基層形式[2]。但水泥穩(wěn)定碎石基層對(duì)溫度和濕度變化較為敏感，在溫度和濕度變化后，極易形成溫縮裂縫和干縮裂縫，裂縫在基層干縮和溫縮應(yīng)力的進(jìn)一步作用下，誘導(dǎo)裂縫反射致使面層開裂，產(chǎn)生道路的早期破壞，使得大多數(shù)道路無法達(dá)到設(shè)計(jì)的使用壽命。因此，改善基層開裂是亟待解決的問題。為了解決基層裂縫問題，國內(nèi)外學(xué)者主要從優(yōu)化級(jí)配、摻入外加劑、預(yù)裂縫等方面進(jìn)行研究。在級(jí)配優(yōu)化方面，圍繞水泥劑量的添加，潘兆平等[3-6]圍繞水泥劑量對(duì)水穩(wěn)基層抗裂性能的影響進(jìn)行分析，得出水泥劑量的多少直接影響水穩(wěn)基層的干縮性能，水泥劑量越高，干縮和溫縮越大，水泥含量低于3%時(shí)，干縮系數(shù)對(duì)水泥劑量的變化較為敏感，干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)均隨水泥劑量的增加而增大。在摻入外加劑方面，Siripun K 等[7]通過室內(nèi)試驗(yàn)證明在水泥穩(wěn)定碎石中摻入纖維可以減少裂縫的產(chǎn)生。付春梅等[8]通過試驗(yàn)證明了水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，纖維的摻量存在一個(gè)最佳摻量；國內(nèi)外的學(xué)者還圍繞減水劑、膨脹劑、抗裂劑和乳化瀝青等外加劑的使用進(jìn)行了大量的研究。在預(yù)裂縫方面，國外有研究人員最早發(fā)現(xiàn)人造微細(xì)裂縫網(wǎng)可以較好地釋放收縮應(yīng)力，避免寬裂縫的產(chǎn)生。圍繞橡膠粉在道路中的應(yīng)用，薛剛等[9]的研究表明，橡膠混凝土的疲勞壽命高于素混凝土，隨著橡膠粉摻量的增加，混凝土的疲勞壽命越高。王海鵬等[10-12]將橡膠粉摻入到水泥穩(wěn)定粒料中，對(duì)混合料的力學(xué)性能和收縮性能進(jìn)行了研究。

目前關(guān)于橡膠添加劑對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能的研究較少。故本文主要開展橡膠不同摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能的影響，以為相關(guān)研究和應(yīng)用提供參考借鑒。

2 原材料及配合比

2.1 原材料

橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石是由橡膠粉、集料及水泥組成，原材料的質(zhì)量是保障工程質(zhì)量的關(guān)鍵，需要按照《公路路面基礎(chǔ)施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）要求對(duì)使用的原材料性能進(jìn)行檢測(cè)。

2.1.1 橡膠粉

試驗(yàn)所用橡膠粉是由廢舊輪胎經(jīng)破碎制得，按照橡膠粉目數(shù)分為四種：橡膠顆粒（10 目～30 目）、橡膠粉（30 目～60 目）、細(xì)膠粉（60 目～120 目）和精細(xì)膠粉（120目以上）。本次試驗(yàn)采用40目的橡膠粉，主要性能指標(biāo)見表1。

表1 橡膠粉檢測(cè)指標(biāo)

2.1.2 水泥

試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5 的普通硅酸鹽水泥，主要檢測(cè)指標(biāo)見表2。

表2 水泥檢測(cè)指標(biāo)

2.1.3 集料

試驗(yàn)所用集料分為0～5mm、5mm～10mm、10mm～20mm、20mm～30mm 四檔，其中石屑產(chǎn)于山東濟(jì)南，粗骨料產(chǎn)于山東泰安，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）對(duì)原材料主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表3和表4。

表3 集料的級(jí)配

表4 檢測(cè)結(jié)果

2.2 配合比設(shè)計(jì)

依照現(xiàn)行的《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）中規(guī)定的級(jí)配范圍，水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配范圍符合C-A-3的要求，具體級(jí)配見表5。

表5 水泥穩(wěn)定碎石基層混合料的合成級(jí)配

3 橡膠粉摻量對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響分析

根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）》（GB/T 17671—2021）的要求，由水泥450g、標(biāo)準(zhǔn)砂1350g、水225g，按照C:S:W=1:3:0.5 拌制40mm×40mm×160mm水泥棱柱體試件，按照規(guī)范規(guī)定的養(yǎng)生條件進(jìn)行養(yǎng)生，在達(dá)到規(guī)定要求的養(yǎng)護(hù)齡期后，進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

為研究橡膠粉對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期下水泥膠砂試件強(qiáng)度的影響，按照橡膠粉摻量為0、1%、2%、3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），摻入方式采用干混法，即在攪拌鍋中加入水泥之后添加橡膠粉，連同膠砂一起用攪拌機(jī)攪拌，在振實(shí)臺(tái)上成型，分別進(jìn)行水泥膠砂試件3d、7d、14d的抗折及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 橡膠粉不同摻量下抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化圖

圖2 橡膠粉不同摻量下抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化圖

由圖1、圖2可知，在摻加1%的橡膠粉后，水泥膠砂試件的抗壓及抗折強(qiáng)度都有輕微增加，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥膠砂試件的抗壓及抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度增大。但隨著橡膠粉摻量增加為2%、3%時(shí)，其對(duì)水泥膠砂試件的抗壓及抗折強(qiáng)度均有削弱。試驗(yàn)表明，低摻量的橡膠粉添加到水泥膠砂試件中會(huì)增加其抗壓及抗折強(qiáng)度，但橡膠粉摻量過多時(shí)，會(huì)對(duì)其抗壓和抗折強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響。

4 橡膠粉對(duì)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響分析

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）規(guī)定的試驗(yàn)方法，確定水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度及最佳含水率；設(shè)定5 種水泥劑量（3%、4%、5%、6%、7%），測(cè)定其7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表6；按照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）的規(guī)定，確定其最佳水泥用量為5%。

表6 不同水泥劑量的水泥穩(wěn)定碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

4.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化分析

采用5%的最佳水泥劑量，分別外摻0、1%、2%、3%、4%的橡膠粉。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)的規(guī)定，進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石試件的成型和養(yǎng)生，試件達(dá)到齡期后，開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7和圖3。

表7 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同橡膠粉摻量下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化圖

由表7 和圖3 分析可知，在7d、28d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，隨著橡膠粉摻量增加，水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低，即摻加橡膠粉后將會(huì)降低水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度。這主要是由于橡膠粉與水泥穩(wěn)定碎石混合料的材料組成屬性均不同，橡膠粉不與水泥水化發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，膠粉顆粒獨(dú)立存在于材料內(nèi)部，在外部荷載作用下，應(yīng)力從水穩(wěn)材料向橡膠粉傳遞時(shí)，由于橡膠粉的變形能力比較大，再生混合料變形較小，兩者的變形協(xié)調(diào)能力不同，因此容易發(fā)生因應(yīng)變過大導(dǎo)致的材料發(fā)生破壞，產(chǎn)生微裂縫，橡膠粉摻量越大，水泥石-橡膠粉之間的界面缺陷越顯著，材料內(nèi)部疏松，密度減小，強(qiáng)度衰減越明顯。

4.2 干縮性能

采用5%的最佳水泥用量，分別外摻0、1%、2%和3%的橡膠粉，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)的規(guī)定進(jìn)行試件的成型和養(yǎng)生，分別檢測(cè)養(yǎng)生7d、14d、28d、35d 和42d 的干縮系數(shù)，分析橡膠粉對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮性能的影響，檢測(cè)結(jié)果見表8和圖4。

表8 水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

圖4 不同橡膠粉摻量下不同養(yǎng)生時(shí)間變化圖

由表8和圖4可知，水泥穩(wěn)定碎石混合料中加入橡膠粉后，隨著橡膠粉摻量的增多，水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)不斷降低。這是由于橡膠粉具有較大的彈性，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，以及吸附水和分子間力的作用，從而減小了水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)。研究結(jié)果表明，橡膠粉的摻加能夠有效減緩水泥穩(wěn)定碎石基層干縮裂縫的產(chǎn)生。

5 結(jié)語

通過在水泥膠砂和水泥穩(wěn)定碎石混合料中摻加橡膠粉，分別進(jìn)行不同齡期的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和干縮試驗(yàn)，可以得到如下結(jié)論：

①摻加橡膠粉后，水泥膠砂強(qiáng)度在橡膠粉摻量為1%時(shí)最大，隨后其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著橡膠粉摻量的增加均會(huì)降低。

②摻加橡膠粉后，水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度會(huì)隨著橡膠粉摻量的增加而降低，即橡膠粉會(huì)降低水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度。

③摻加橡膠粉后，水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)會(huì)隨著橡膠粉摻量的增加而減小，即橡膠粉會(huì)有效減緩水泥穩(wěn)定碎石基層干縮裂縫的發(fā)生。

④綜合考慮橡膠粉對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度和干縮性能的影響，橡膠粉在水泥穩(wěn)定碎石混合料中的摻量不宜過高，一般應(yīng)為1%左右，具體摻量還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。