吳秋霖，張穎超，李素梅 （青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427）

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石混合料是一類(lèi)具有強(qiáng)度大、硬度高、水穩(wěn)特性好和抗凍性能優(yōu)異的建筑材料，它被普遍運(yùn)用于中國(guó)高等級(jí)公路工程中，不過(guò)水泥穩(wěn)定碎石的弊端也非常突出，常常因?yàn)樗喾€(wěn)定碎石基層形成的裂隙而導(dǎo)致路面形成反射裂縫，從而大大縮短了路面的使用期限，也嚴(yán)重影響了路面的使用性能和服務(wù)能力[1]。面對(duì)路面出現(xiàn)的反射裂縫問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，也采取了各種措施，例如設(shè)置應(yīng)力吸收層、增加面層的厚度、改善材料的配合比等，但是對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石基層的反射裂縫問(wèn)題，仍未得到妥善解決。

通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)表明，在世界各地的廢棄輪胎量正隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而快速增長(zhǎng)，廢棄輪胎也被人們稱(chēng)為“黑色污染”，說(shuō)明了對(duì)廢棄輪胎的有效利用與管理已變成了世界性的難點(diǎn)[2-3]。在20 世紀(jì)90 年代，國(guó)內(nèi)外研究者也曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究，如把廢舊的橡膠或輪胎粒子運(yùn)用到水泥基礎(chǔ)材料上，通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，當(dāng)添加了舊橡膠顆粒的水泥材料在發(fā)生破壞時(shí)，雖然強(qiáng)度較之前有所下降，但是破壞類(lèi)型由原來(lái)的脆性破壞變成了延性破壞[4]。橡膠顆粒作為一種具有優(yōu)良彈性性能的高分子聚合物，可以在很大程度上改善水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗裂性能，從而降低水泥穩(wěn)定碎石基層產(chǎn)生裂縫的可能性。為了環(huán)境可持續(xù)發(fā)展以及改良水泥穩(wěn)定碎石混合料的性能，本文指出了把廢舊橡膠輪胎加工成可利用的橡膠顆粒，添加到水泥穩(wěn)定碎石混合料中，通過(guò)結(jié)合橡膠顆粒和水泥穩(wěn)定碎石混合料的優(yōu)點(diǎn)，目的是為了提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的收縮特性，有望減少水泥穩(wěn)定碎石基層產(chǎn)生裂縫的可能性，改善路面的使用性能和提高社會(huì)服務(wù)功能，同時(shí)對(duì)廢舊輪胎的回收和處理提供了一個(gè)新途徑。

1 原材料的技術(shù)性質(zhì)及材料配合比

本文選用的水泥為P.O.42.5R 硅酸鹽水泥，該水泥在0.080mm 方孔篩的篩余量為2.3%，我國(guó)規(guī)范規(guī)定應(yīng)小于10%，該水泥的指標(biāo)符合規(guī)定。該水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28.3%，初凝時(shí)間為197 分鐘，終凝時(shí)間為283 分鐘，規(guī)范規(guī)定初凝時(shí)間應(yīng)大于45 分鐘，終凝時(shí)間應(yīng)小于600 分鐘，該水泥的指標(biāo)符合規(guī)定。該水泥3d 抗折強(qiáng)度為4.5MPa，水泥28d 抗折強(qiáng)度為8.3MPa，水泥3d 抗壓強(qiáng)度為19.7MPa，水泥28d 抗壓強(qiáng)度為45.5MPa。本文選用的集料規(guī)格以及表觀密度經(jīng)檢測(cè)為粒徑20～30mm，表觀密度為2.72g/cm3，粒徑10～20mm，表觀密度為2.82g/cm3，粒徑5～10mm，表觀密度為2.93g/cm3，粒徑3～5mm，表觀密度為2.57g/cm3，粒徑0.5～3mm，表觀密度為2.68g/cm3，粒徑0～0.5mm，表觀密度為2.59g/cm3，國(guó)家規(guī)范規(guī)定表觀密度不小于2.35g/cm3，符合規(guī)定。本文所選用的橡膠顆粒為30 目、50 目、70目。

本文選用的水泥穩(wěn)定碎石混合料為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的混合料有優(yōu)良的力學(xué)性能[5-6]。集料良好的級(jí)配對(duì)水泥穩(wěn)定基層的質(zhì)量有著直接關(guān)系，本試驗(yàn)采用的級(jí)配是篩孔尺寸為31.5mm，通過(guò)質(zhì)量百分率為100%；篩孔尺寸為19.0mm，通過(guò)質(zhì)量百分率為75%；篩孔尺寸為9.50mm，通過(guò)質(zhì)量百分率為42%；篩孔尺寸為4.75mm，通過(guò)質(zhì)量百分率為28%；篩孔尺寸為2.36mm，通過(guò)質(zhì)量百分率為22%；篩孔尺寸為0.6mm，通過(guò)質(zhì)量百分率為10%；篩孔尺寸為0.075mm，通過(guò)質(zhì)量百分率為2.3%。本試驗(yàn)采用的水泥劑量為4%。

2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果

為了分析不同摻量以及不同粒徑的橡膠顆粒對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的影響，分別對(duì)30 目、50 目、70 目的橡膠顆粒摻量(占集料總體積)為0%、0.5%、1.0%、1.5%的水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行試驗(yàn)。在確定了每組試件的原材料以及級(jí)配后，首先通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得出了不同配比水泥穩(wěn)定碎石混合料的最干密度以及每組混合料的最大含水量。根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)，在所測(cè)得的最大干密度和最大含水量的要求下制作成型水泥穩(wěn)定碎石混合料試件，試件在25±2℃的溫度和相對(duì)濕度超過(guò)95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7d，劈裂試驗(yàn)的試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間為90d，溫縮試驗(yàn)的試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間為9d。

2.1 橡膠顆粒粒徑以及不同摻量對(duì)混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

水泥穩(wěn)定碎石基層是路面結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)承重的部分，道路提供良好的工作性能，那么作為基層材料就必須有足夠的抗壓強(qiáng)度。我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)范對(duì)作為基層材料的抗壓強(qiáng)度有著明確規(guī)定，A、B 級(jí)交通要求基層集料抗壓強(qiáng)度為2～3MPa，C、D 級(jí)交通要求基層集料抗壓強(qiáng)度為3～4MPa，E 級(jí)交通要求基層集料抗壓強(qiáng)度為4～5MPa。水泥穩(wěn)定碎石基層的抗壓強(qiáng)度由以下兩個(gè)方面決定，一是水泥穩(wěn)定碎石混合料粗集料之間的作用，通過(guò)它們之間的相互擠壓嵌結(jié)，形成骨架用來(lái)提供抗壓強(qiáng)度。二是是細(xì)集料、水與水泥之間發(fā)生反應(yīng)，它們之間的膠結(jié)作用會(huì)形成基質(zhì)充分填充在粗集料形成的骨架中，再次為混合料提供一部分抗壓強(qiáng)度。除此之外，水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度受多方面因素的影響，比如水膠比、水泥性質(zhì)、集料性質(zhì)和施工溫度等。

本試驗(yàn)采用振動(dòng)成型法，將混合料通過(guò)壓實(shí)試驗(yàn)機(jī)振動(dòng)95s，隨著混合料的密實(shí)性逐漸增加而成型。將試件置于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，采用速率為1mm/min，記錄試件在破壞時(shí)的最大荷載與試件截面面積的比值。本試驗(yàn)分析了不同粒徑的橡膠顆粒在不同摻量的情況下對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料7d 的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。

7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。粒徑為30 目的橡膠顆粒在摻量分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%時(shí)，7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為9.4MPa、6.2MPa、5.5MPa、5.1MPa。粒徑為50 目的橡膠顆粒在摻量分別為0%、0.5%、1.0%、1.5% 時(shí)，7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為9.4MPa、6.8MPa、5.8MPa、5.4MPa。粒徑為70 目的橡膠顆粒在摻量分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%時(shí)，7d 無(wú)側(cè)限抗壓 強(qiáng) 度 分 別 為9.4MPa、7.5MPa、6.2MPa、5.8MPa。

圖1 7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在普通水泥穩(wěn)定碎石混合料中加入橡膠顆粒會(huì)導(dǎo)致混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所減小，但隨著混合料中加入的橡膠顆粒粒徑的減小，混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減少的幅度也越來(lái)越小，并且當(dāng)加入的橡膠顆粒越多時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減少的幅度也就越大?；旌喜牧蠠o(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，本文認(rèn)為由于橡膠顆粒具有良好的彈性性能，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)不如水泥基質(zhì)及周?chē)募?，且橡膠顆粒的彈性大，在受到壓力時(shí)，其位移大于周?chē)|(zhì)的變形位移，使得試件開(kāi)裂。

2.2 橡膠顆粒粒徑以及不同摻量對(duì)回彈模量影響

水泥穩(wěn)定碎石混合料作為性能優(yōu)良的半剛性材料，它被廣泛地應(yīng)用在我國(guó)高等級(jí)公路的基層和底基層中。基層位于瀝青面層與土基之間，在路面結(jié)構(gòu)中，基層是主要的承重層，它保證著面層的穩(wěn)定性?？箟夯貜椖Ａ渴腔鶎硬牧系囊粋€(gè)重要性能參數(shù)，它代表著材料抵抗變形的能力，在一定程度上影響著水泥穩(wěn)定碎石混合料的收縮開(kāi)裂[7]。當(dāng)抗壓回彈模量增大時(shí)，材料在受到荷載時(shí)抵抗變形的能力會(huì)變小，也就是說(shuō)，在相同的環(huán)境下受到相同的荷載，抗壓回彈模量越大，越容易產(chǎn)生裂縫。

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）規(guī)定，本文采用頂面法來(lái)測(cè)量各組水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量，抗壓回彈模量數(shù)值為試件受到的單位壓力和高度的乘積與試件回彈變形的比值。本試驗(yàn)分析了粒徑為70 目的橡膠顆粒在不同摻量的情況下對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料90d 的抗壓回彈模量的影響。

抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，粒徑為70 目的橡膠顆粒在摻量分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%時(shí)，抗壓回彈模量分別為803MPa、705MPa、695MPa、643MPa。由以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)普通水泥穩(wěn)定碎石混合料摻入橡膠顆粒時(shí)，材料的抗壓回彈模量有明顯降低。粒徑為70 目的橡膠顆粒在摻量分別為0.5%、1.0%、1.5% 時(shí)，抗壓回彈模量分別降低了12.2%、13.4%、20.0%?？梢钥闯?，橡膠顆粒對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量有著明顯影響，可以有效降低混合料的抗壓回彈模量，增加材料的韌性，增強(qiáng)材料抵抗收縮開(kāi)裂的能力。所以，在水泥穩(wěn)定碎石混合料中摻入橡膠顆粒有積極的影響。

圖2 抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

2.3 橡膠顆粒粒徑以及不同摻量對(duì)溫縮性能影響

水泥穩(wěn)定碎石混合料由于其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生溫差和溫度變化導(dǎo)致混合料產(chǎn)生體積變化，水泥穩(wěn)定碎石混合料作為基層材料時(shí)的收縮分為溫度收縮和干燥收縮，當(dāng)因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生收縮時(shí)，這稱(chēng)為溫縮。水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮性能對(duì)路面的性能有著重要影響。根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）[8]要求，本試驗(yàn)分析了粒徑為70 目的橡膠顆粒在不同摻量的情況下對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料7d的溫縮性能的影響。將水泥穩(wěn)定碎石混合料按不同配比劃分為三個(gè)小組，同一配比的小組含有三個(gè)平行試件，記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算溫縮應(yīng)變來(lái)分析混合料的溫縮性能。

溫縮應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，粒徑為70 目的橡膠顆粒在摻量分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%時(shí)，平均溫縮應(yīng)變分別為0.0001785、0.0001635、0.0001532、0.0001186。由以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)普通水泥穩(wěn)定碎石混合料中摻入橡膠顆粒時(shí)，材料的平均溫縮應(yīng)變?cè)谝欢ǔ潭壬蠒?huì)有所降低，雖然數(shù)值變化不大，但可以看出橡膠顆粒對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮性能還是有一定的積極影響。

圖3 溫縮應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文把廢舊橡膠輪胎加工成可利用的橡膠顆粒，添加到水泥穩(wěn)定碎石混合料中，目的就是為了提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的收縮特性，有望減少水泥穩(wěn)定碎石基層產(chǎn)生裂縫的可能性，改善路面的使用性能和社會(huì)服務(wù)功能。為了分析不同摻量和不同粒徑的橡膠顆粒對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的影響，本文對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量和溫縮性能等方面進(jìn)行了若干試驗(yàn)研究。

①在普通水泥穩(wěn)定碎石混合料中加入橡膠顆粒會(huì)導(dǎo)致混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所減小，但隨著混合料中加入的橡膠顆粒粒徑的減小，混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減少的幅度也越來(lái)越小，并且當(dāng)加入的橡膠顆粒越多時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減少的幅度也就越大?；旌喜牧蠠o(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，本文認(rèn)為由于橡膠顆粒具有良好的彈性性能，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)不如水泥基質(zhì)及周?chē)募希蚁鹉z顆粒的彈性大，在受到壓力時(shí)，其位移大于周?chē)|(zhì)的變形位移，使得試件開(kāi)裂。

②橡膠顆粒對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓回彈模量有著明顯影響，可以有效降低混合料的抗壓回彈模量，增加材料的韌性，增強(qiáng)材料抵抗收縮開(kāi)裂的能力。所以，在水泥穩(wěn)定碎石混合料中摻入橡膠顆粒有積極的影響。

③當(dāng)普通水泥穩(wěn)定碎石混合料中摻入橡膠顆粒時(shí)，材料的平均溫縮應(yīng)變和平均溫縮系數(shù)在一定程度上會(huì)有所降低，雖然數(shù)值變化不大，但可以看出橡膠顆粒對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮性能還是有一定的積極影響。