橡胶粉水泥稳定碎石收缩性能研究

张翔飞，钱振东，杨若冲

（东南大学 智能运输系统研究中心，江苏 南京 210096）

橡胶粉水泥稳定碎石收缩性能研究

张翔飞，钱振东，杨若冲

（东南大学 智能运输系统研究中心，江苏 南京 210096）

为了探究橡胶粉对水泥稳定碎石收缩性能的改善效果，文章在固定级配的基础上，用橡胶粉代替部分细集料进行水泥稳定碎石配合比设计，对掺加橡胶粉的水泥稳定碎石小梁试件的温缩和干缩性能进行测试，研究橡胶粉对水稳碎石收缩性能的改进作用，进而对掺加橡胶粉及聚合物的水泥净浆试件进行三点弯曲实验，研究聚合物对橡胶粉水泥稳定碎石抗断裂能力的改进作用。结果表明，橡胶集料的掺入改善了收缩的性能，干燥收缩系数变小约30%；橡胶粉水泥稳定碎石的应变能力随聚合物的掺入量增加而增强。

橡胶粉；水泥稳定碎石；干燥收缩；温度收缩；断裂能

1 概述

水泥稳定碎石广泛用于我国高等级公路基层或底基层。由于水泥稳定碎石呈脆性，且对温度、湿度的变化比较敏感，在施工及使用过程中，易于产生收缩开裂［1］。将废旧橡胶轮胎加工成橡胶颗粒掺入水泥稳定碎石材料中，结合水泥稳定碎石和橡胶粉2种材料的优点，可较好地改善水泥稳定碎石的开裂问题，又可利用废旧轮胎，保护环境。

水泥的水化作用使混合料水分减少而产生收缩，约占总收缩的17%，混合料的收缩由细粒土占主导作用，混合料的含水量越大，其干缩应变也越大。目前，国内外在橡胶混凝土方面研究以及水泥稳定碎石材料本身研究做出了大量的工作，但对于在水泥稳定碎石材料中掺加橡胶粉的研究则相对较少。在早期橡胶颗粒水泥稳定碎石收缩特性研究中，较多采用静压成型法和重型击实法成型试件。覃峰等人对重型击实成型下的橡胶水泥稳定碎石收缩性能进行试验研究，使用40目纤维橡胶粉代替水泥的质量进行试验，发现橡胶颗粒水泥稳定碎石的7 d、28 d无侧限抗压强度略有降低，橡胶粉的掺加能有效减小水泥稳定碎石基层的收缩［2］。何勇采用静压成型法将橡胶粉等质量代替0～2.36 mm粒径的细集料，研究表明加入橡胶颗粒后，水泥稳定基层碎石混合料抗压强度、回弹模量、劈裂抗拉强度都有所下降［3］。

目前对振动成型的试件研究较少，并且存在橡胶粉代替细集料的方式不统一等问题。由于水泥浆与橡胶粉分别属于亲水性和憎水性材料，2种材料界面结合性差，橡胶粉对水泥基材料的力学性能影响较大［4］。随着施工的改进，施工机械功率增大，而室内成型压实功较现场碾压成型压实功明显偏低，导致设计级配细料偏多；因此，采用振动成型法进行配合比设计成为研究水泥稳定碎石收缩性能新的研究方向。本文采用振动成型法，并且用橡胶粉等体积代换细集料，研究橡胶粉对水泥稳定碎石开裂性能的改进作用，并在此基础上针对加入橡胶粉后水泥稳定碎石力学性能下降的现象，加入聚合物改性，探究聚合物对橡胶粉水泥稳定碎石抗断裂能力的改进作用。

2 橡胶粉水泥稳定碎石配合比设计

2.1 试验原材料

本试验水泥选用南京某厂生产的P.O42.5R硅酸盐水泥，其性质检测结果见表1。橡胶粉主要采用40目、60目、80目橡胶粉，其性能试验均满足规范［5］要求。试验中所用集料的规格及表观密度见表2。

表1 水泥技术性质检测结果

表2 集料的规格及表观密度

2.2 橡胶粉水泥稳定碎石级配设计

常用的水泥稳定碎石基层按其混合料结构状态分为2类，即悬浮密实结构和骨架密实结构。悬浮密实结构采用连续型密级配，骨料的颗粒尺寸由大到小连续存在。这种结构形态的水泥稳定碎石混合料中，细集料较多，粗集料相互之间没有接触，不能形成骨架。该种结构虽然具有较高的黏聚力，但内摩擦角较低，在外部荷载作用下，易产生剪切破坏。按这种结构修筑的水泥稳定碎石基层抗收缩性能较差，基层容易产生收缩裂缝［6］。骨架密实结构采用间断级配，去掉了不能嵌入粗集料骨架空隙中的中间尺寸粒径集料，加入了适量细集料，这样既能让粗集料形成骨架，又让细集料填充了残余空隙，从而使混合料形成较高的密实度。这种结构的混合料不仅具有较高的内摩擦角，而且具有较高的黏聚力。理论上讲，属于该种结构类型的水泥稳定碎石混合料具有最优的力学性能、抗收缩性能和抗冲刷性能等。根据规范《公路沥青路面设计规范》（JTGD50—2006）规定，高速公路、一级公路宜采用骨架密实型水泥稳定类材料基层或上基层，本试验采用骨架密实结构级配。集料的级配见表3，亦符合规范中级配范围的要求。

表3 集料级配设计

2.3 确定水泥剂量

用水泥稳定碎石作基层时，过高的水泥剂量会对混合料试件的抗收缩性能起到消极作用；当水泥剂量为4.0%及以上时，可以有效满足高等级路面基层强度的规范要求［7-8］。本文采用水泥剂量为4.0%。

3 橡胶粉稳定碎石收缩变形特性

由于混合料中小于0.425 mm的颗粒含量越高，其塑性指数越大，其粒料土用水泥处治之后的干缩应变也越大［9］。试验从细集料入手，采用等粒径替换的方法，用40目（380 μm）、60目（250 μm）和80目（180 μm）橡胶粉别替代一部分0.3～0.6 mm、 0.15～0.3 mm和0.075～0.15 mm的细集料。

3.1 橡胶粒径的影响

使用80目、60目、40目的橡胶粉以等体积替换的方式掺入混合料中，总体积代替百分比均为1.0%，并以纯水稳混合料做参照，水泥剂量采用常用计量4.0%。以此观察不同粒径橡胶粉掺入混合料后，试件所表现出来的干缩系数变化。振动成型的小梁试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，平均干缩系数变化如图1所示。

从干缩系数的增长趋势来看，掺入橡胶以后，试件干缩系数的增长速度基本不变，在0～7 d时间内增长速度小于纯水稳碎石，7 d后，增长速度基本持平。从干缩系数的增长幅度来看，掺入40目、60目、80目橡胶粉的水稳碎石试件相差不大，13 d时的干缩系数比纯水稳碎石的干缩系数减少约30%，干缩系数明显减小，说明橡胶粒径不是影响干缩的主要因素。

图1 不同橡胶粒径小梁试件干缩系数

3.2 干燥收缩特性

由于细集料对干缩特性的影响较大，试验采用80目橡胶，橡胶粉总体积代替量选择为0.5%，1.0% 和1.5%，并以纯水稳混合料做参照，水泥剂量为4.0%。进行干缩试验得出干缩系数变化如图2所示。

图2 不同橡胶掺量小梁试件干缩系数

开始干缩系数增长较快，7 d后逐渐趋于平缓；掺入一定量橡胶粉后干缩系数明显减小，3种橡胶掺量试件的干缩系数一开始相差不大，5 d以后橡胶体积掺量为1.5%的试件的干缩系数小于其他试件；从增长趋势看，掺入橡胶粉试件的干缩应变增长缓慢。以橡胶粉为主的细集料有较强的保水能力，水泥首先从周围吸附水发生水化反应，然后夺取橡胶粉集团早先吸收的水分而恢复一部分自身干缩；另一方面，橡胶具有较大的弹性，在一定程度上消减了由于水分蒸发而引起的毛细管张力、吸附水和分子间力的作用，从而减小了干缩。掺入橡胶粉的试件干缩系数增长缓慢，有利于延缓基层开裂，随着橡胶所占体积变大，其对干缩特性的改善效果越明显。

3.3 温度收缩特性

试验以80目橡胶为例，橡胶粉总体积代替量选择为0.5%，1.0%和1.5%，并以纯水稳混合料做参照，水泥剂量为4.0%。进行温缩试验，采用人工游标卡尺测量试件在温度保持一定时间后的长度，故结果偏差严重，进行了2次试验，结果如图3、图4所示。

从温缩试验结果可以看出，掺橡胶粉后的试件的温缩系数有所降低，低温时温缩系数降低效果较明显。但是人工测量长度变化存在较大误差，所以数据的降低多少很难判定。骨架密实级配的混合料中，以适量橡胶粉替代部分温缩系数较大的细集料，是胶粉改善混合料的温缩性质的根本原因。

图3 第1次温缩试验结果

图4 第2次温缩试验结果

4 聚合物改性橡胶粉水泥净浆断裂能研究

为了改善加入橡胶后强度下降的现象，在橡胶粉水泥稳定碎石中掺加聚合物改性剂。为探究聚合物对材料的改性作用，进行断裂能有关试验的探究［10］。目前，材料的断裂能研究试验方法很多，常用的测试方法主要有：直接拉伸法、锲劈拉伸法、三点弯曲法和紧凑拉伸法。由于三点弯曲法简便易行，且为常规设备，适用于一般条件的实验室。本文采用三点弯曲梁试验来获取断裂能。

断裂能Gf是指形成断裂区单位面积所耗能量的大小［11］，可由反映材料力学特征的荷载变形曲线下的面积确定，该曲线为材料的软化曲线，其围成的面积不受试件尺寸及应力状态的影响，可视为材料常数［12］。

在实际工程中，水泥稳定碎石基层难免产生微裂缝，为研究聚合物对裂缝失效问题的改进作用，将试件单边切口［12］。由于水泥稳定碎石与水泥砂浆离散性较大，本试验采用水泥净浆，重新设计材料配比，对橡胶体积掺量在20%、40%和60%，聚合物掺量在5%、10%和15%时，小梁试件的断裂能和最大位移大小进行研究。

采用的三连模成型尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的梁式试件。养生5 d后，在梁的底端中央裂缝采用手动切割机切缝，切缝深度为20 mm［8］。养生7 d后进行三点弯曲试验，测定断裂能。试验模型如图5所示。

图5 试验模型

试验结果如图6、图7所示，每个数据是一个三连模成形的3个试件的平均值。

图6 不同橡胶掺量试件断裂能随聚合物掺量变化

图7 不同橡胶掺量试件最大应变随聚合物掺量变化

从图中可以看出，相同橡胶掺量的条件下，断裂能随聚合物的增加略有提高，而聚合物对60%橡胶掺量的小梁改善效果较为明显。分析其原因是60%橡胶掺量小梁试件中，橡胶颗粒较多，聚合物改善更多的是橡胶颗粒与颗粒间通过水泥粘结的强度，而20%与40%橡胶掺量小梁试件中，聚合物更多地是改善橡胶颗粒与水泥净浆之间粘结的强度。试件可承受的最大位移形变也随橡胶和聚合物的掺入略有提高，增强了应变能力。水泥净浆断裂能试验结果表明，小梁试件的断裂能、可承受最大位移形变随聚合物的掺加有所提高。该结果对探究聚合物对水泥稳定碎石收缩性能的改善作用具有指导意义。

5 结论

为了对橡胶粉水泥稳定碎石进行收缩性能研究，进行了干缩试验、温缩试验、断裂能试验等一系列试验，研究了橡胶颗粒、聚合物对水稳混合料性能的影响，主要结论如下：

（1）橡胶掺量水泥稳定碎石的干缩性能有所改善，其平均干缩系数的增长率小于纯水稳碎石，干缩系数减少约为30%，橡胶颗粒对水泥稳定材料收缩性能的改性作用与橡胶颗粒的大小关系不大，与橡胶颗粒的掺量大多关系密切，掺入量越大，收缩性能改善越明显。

（2）温缩性能试验结果表明，掺加胶粉后水泥稳定碎石混合料的温缩量有所降低，然而由于受试验条件所限，试验结论有待进一步验证。

（3）聚合物的掺入可提高材料的断裂能，即材料的韧性；橡胶与聚合物的掺入增加了材料可承受的最大位移形变。

由于橡胶颗粒与聚合物的掺加会导致水泥稳定碎石的强度降低，本试验未对橡胶分水泥稳定碎石的强度进行研究，不同环境下橡胶与聚合物的最佳掺入量有待进一步探究。橡胶颗粒是弹性体的高分子有机物，而集料中的粗骨料则表现出刚性性质。虽然在试验中采用相同粒径的代替方式，但在本质上仍然是改变了集料的级配类型。因此，在进一步研究中可以将橡胶粉作为添加剂，在不减少细集料含量的基础上研究胶粉对路用性能的影响情况。

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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

张翔飞（1991-），男，山东泰安人，硕士研究生，研究方向为路基路面。

2015-05-19）