橡胶粉改性水泥稳定碎石性能研究

路 鑫，梁武星

(西安公路研究院)

橡胶粉改性水泥稳定碎石性能研究

路 鑫，梁武星

(西安公路研究院)

针对水泥稳定碎石基层抗变形能力不足和水稳定性较差的的缺点，对橡胶粉改性水泥稳定碎石的原理和力学性能进行了研究。分析结果表明，橡胶粉的加入可以大大提高半刚性材料的抗变形能力和水稳定性，同时并不会对水泥稳定碎石的强度造成较大的影响，其具有广泛的应用前景，应该进行大力推广。

道路工程;橡胶粉;水泥稳定碎石

1 前言

在我国近几十年的公路建设中，半刚性基层沥青路面成为了我国高等级公路修筑的主要路面结构形式，其中半刚性基层的板体性、高强度和施工便易性得到了业界的认可;但是多年的使用经验表明，半刚性基层也存在抗变形能力差、材料收缩严重、耐久性不足、抗水损害能力较差等问题。同时，在对半刚性基层沥青路面的病害调查中发现，有半刚性基层引起的病害达到36%左右。这说明半刚性基层虽然隐藏于面层之下，但是作为路面结构的重要组成部分，它却是引起路面病害的主要因素之一，因此从减少路面病害，提高路面性能角度出发，半刚性基层性能的优化刻不容缓，而橡胶粉的出现为我们解决半刚性基层病害提供了新的思路。橡胶粉是橡胶粉末的简称，由废旧轮胎加工而成，来源广泛且环保，它具有高粘弹性，变形能力强，耐久性较好，同时含有一定量的纤维，能够有限抑制材料的收缩变形。因此，拟从具有广阔应用前景的橡胶粉改性剂入手，来研究橡胶粉和半刚性基层材料的作用原理和力学性能，以为其在工程应用上的应用提供技术支撑。

2 橡胶粉改性原理分析

橡胶粉可根据粒径大小分为粗胶粉(颗粒粒径大于0.425 mm(40目)以上)、细胶粉(颗粒粒径在 0.425～0.180 mm(40～80目)之间的)和微细胶粉(颗粒粒径在0.180～0.075 mm(80～200目))之间的，这三种粒径的橡胶粉刚好与矿物集料中0.6～1.18 mm档、0.15～0.6 mm档和0.075～0.15 mm档相近，因此就可以通过橡胶粉的掺入来改善水泥稳定碎石的内部微观结构。

2.1 抗变形能力的改善分析

由于橡胶粉的粒径较小，所以它的加入对水泥稳定碎石基层的宏观结构不会产生很大影响。由于橡胶粉颗粒比较细小，所以可以均匀地分布在混合料当中。在荷载作用下，橡胶粉可以部分地吸收基层材料压应力或者拉应力(如图1所示)，从而可以起到降低材料脆性，延缓结构裂缝产生的目的。这一部分应力会相应的由粗集料来承担，不会对基层的整体强度产生太大的影响。

图1 荷载作用下的水泥稳定碎石应力分布示意图

同时，由于橡胶粉本身的密度较小(约0.6 g/m3)，在拌和均匀之后基本不会发生离析，所以它就可以起到比细集料更好的填充效果，最大程度减小基层材料的变异性，同时也就可以更好地改善材料的抗变形能力。

2.2 水稳定性的改善分析

由于橡胶粉来源于废旧轮胎，所以它也具有较好的化学稳定性和良好的耐久性，这就说明它可以抵抗各种酸碱的侵蚀，具有优良的水稳定性。所以橡胶粉的加入减少混合料的浸水面积，大大减少基层整体的吸水率。同时由于橡胶粉良好的填充空隙作用和低吸水率，不仅可以阻挡水分进入混合料的细微空隙，还能够降低混合料的最佳含水率。使基层水稳定性得到提高的同时，降低基层的收缩。

3 橡胶粉改性室内试验研究

3.1 材料准备

原材料主要包括水泥、矿物石料和橡胶粉。为了使本次试验具有一定的代表性，试验对材料的要求均以规范为标准，具体如下:

水泥:采用陕西秦岭公司生产的耀县牌P·O32.5水泥，其他指标均满足要求;

石料:来自陕西泾阳县某石料厂，石料最大粒径为31.5 mm，压碎值为18.2%，密度为2730 kg/m3，液塑限指数和针片状含量等均可以满足要求;

橡胶粉:采用陕西省岐山县西岐胶粉厂生产的纤维橡胶粉，粒径为40目，化学成分见表1。

表1 橡胶粉化学成分组成

从之前关于橡胶粉的研究可知，虽然橡胶粉的掺入可以有效地改善水泥稳定砂砾的性能，但是加多了的橡胶粉也将会导致其强度和刚度的大幅度下降。实验数据表明，橡胶粉的掺量应该严格控制在0.5%～1.5%之间，因此为了减少试验量，取橡胶粉的掺量为1.0%。

3.2 试验结果分析

为了进行试验效果对比，本研究采用两组实验，A组为不加橡胶粉，B组为掺加1.0%的橡胶粉。石料级配采用规范推荐的骨架密实型级配中值，水泥剂量为4.5%，采用规范规定的重型击实法得到的击实结果如表2所示。

表2 重型击实试验结果

从击实结果可以看出，橡胶粉的掺加对混合料的击实参数并没有明显的影响，这说明它更多地起到了填充混合料空隙的作用。随着进行的7 d无侧限抗压强度试验结果(参照组:3.95 MPa;试验组:3.79 MPa)也表明，橡胶粉的掺入对基层强度并没有明显的影响，这也进一步说明了，其作用主要是填充材料中的空隙，并不会对材料的结构产生影响。

(1)抗弯拉弹性模量

对不同养生龄期的梁试件进行抗弯拉弹性模量试验，得到的结果如图2所示。

图2 水泥稳定碎石抗弯拉模量随养生龄期增长的变化曲线

从图2可以看出，橡胶粉的加入可以明显地降低材料的抗弯拉模量，从而改善其抗变形能力。当养生龄期小于28 d时，抗弯拉模量降低幅度有限，这主要是因为基层的强度还没有完全形成，橡胶粉的“增韧”作用就没法体现出来;随着养生龄期的增加，模量有了明显的降幅，90 d时降低了9.4%，这说明水泥稳定碎石基层的抗变形性能已经得到了较大的改善。

(2)吸水试验

水稳定性一直是基层设计的一个重要指标，水分的浸入会侵蚀材料的内部结构，影响其耐久性。所以为了避免基层发生水损害，应该尽量避免水分浸入基层内部或者尽快排出基层内部的水分。本研究通过饱水试验来验证橡胶粉降低基层吸水性的效果。

首先称取养生7 d的试件质量，然后饱水2 min，然后取出后称取3 s内不再滴水的试件质量;然后再饱水2 min，取出后称取3 s内不再滴水的试件质量;以此类推，直至质量没有明显增加时结束。最终得到的试验结果如图3所示。

图3 水泥稳定试件吸水量随浸水时间增长的曲线

从试验结果可以看出，因为试件在养生过程中比较干燥的，所以前期吸水较多，两组试件并没有明显的差别;但是随着浸水时间的增加，没有掺加橡胶粉的A组试件的吸水量呈线性增长，当浸水8 min之后才逐渐趋于平稳，而B组的吸水量并没有明显的增加，最终B组的吸水量要比A组的含水量少1%左右，其对基层材料的抗水损害和抗冻融性能的提高将具有很大的影响。这主要是因为橡胶粉的掺入有效地堵塞了材料的空隙，同时其本身吸水量有很小，所以可以明显地减少水分进入基层内部，使基层材料的耐久性得到大大提高，这就包括材料的水稳定性。

4 小结

(1)通过原理分析，橡胶粉不仅可以改善水泥稳定碎石的收缩性能，还可以提高材料的抗变形能力，降低材料的吸水性，具有广阔的应用前景。

(2)抗弯拉模量的试验结果表明，随着养生龄期的增长，橡胶粉的“增韧”作用具有明显的增长，90 d龄期的模量比不掺加橡胶粉的可以降低9.4%作用，这将使基层的抗变形能力得到有效的提高，延长其使用寿命。

(3)橡胶粉的加入还可以减少基层材料的吸水性，使进入基层的水分快速排出，从降低基层材料发生水损害的几率，大大提高基层的耐久性。

综上所述，橡胶粉的掺加可以明显地改善基层的路用性能，具有很好的应用前景，应该进行积极推广。

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Modified Performance Research of cement－stabilized Macadam by Rubber Powder

LU Xin，LIANG Wu－Xing
(Xian highway research institute)

This paper studied the modified principle and mechanical properties of cement－stabilized macadam by rubber powder for its anti－deformation ability insufficiency and weak moisture susceptibility.The analysis results shows that the addition of rubber powder can greatly improve the semi－rigid material deformation resistance and water stability，and not to harm the strength of cement stabilized macadam.So it has great application and should be vigorously promoted.

road engineering;rubber powder;cement－stabilized Macadam

U416.1

C

1008－3383(2015)10－0003－02

2015－02－03

路鑫(1985－)，男，陕西咸阳人，工程师，研究方向:道路桥梁与渡河工程(公路工程)，道路与铁道工程(路面工程)。