掺橡胶颗粒的水泥稳定碎石混合料性能影响分析

吴秋霖，张颖超，李素梅 （青岛黄海学院，山东 青岛 266427）

0 引言

水泥稳定碎石混合料是一类具有强度大、硬度高、水稳特性好和抗冻性能优异的建筑材料，它被普遍运用于中国高等级公路工程中，不过水泥稳定碎石的弊端也非常突出，常常因为水泥稳定碎石基层形成的裂隙而导致路面形成反射裂缝，从而大大缩短了路面的使用期限，也严重影响了路面的使用性能和服务能力[1]。面对路面出现的反射裂缝问题，国内外学者进行了大量的实验研究，也采取了各种措施，例如设置应力吸收层、增加面层的厚度、改善材料的配合比等，但是对于水泥稳定碎石基层的反射裂缝问题，仍未得到妥善解决。

通过大量统计表明，在世界各地的废弃轮胎量正随着国民经济的发展而快速增长，废弃轮胎也被人们称为“黑色污染”，说明了对废弃轮胎的有效利用与管理已变成了世界性的难点[2-3]。在20 世纪90 年代，国内外研究者也曾经进行过相关研究，如把废旧的橡胶或轮胎粒子运用到水泥基础材料上，通过大量试验数据证明，当添加了旧橡胶颗粒的水泥材料在发生破坏时，虽然强度较之前有所下降，但是破坏类型由原来的脆性破坏变成了延性破坏[4]。橡胶颗粒作为一种具有优良弹性性能的高分子聚合物，可以在很大程度上改善水泥稳定碎石混合料的抗裂性能，从而降低水泥稳定碎石基层产生裂缝的可能性。为了环境可持续发展以及改良水泥稳定碎石混合料的性能，本文指出了把废旧橡胶轮胎加工成可利用的橡胶颗粒，添加到水泥稳定碎石混合料中，通过结合橡胶颗粒和水泥稳定碎石混合料的优点，目的是为了提高水泥稳定碎石混合料的收缩特性，有望减少水泥稳定碎石基层产生裂缝的可能性，改善路面的使用性能和提高社会服务功能，同时对废旧轮胎的回收和处理提供了一个新途径。

1 原材料的技术性质及材料配合比

本文选用的水泥为P.O.42.5R 硅酸盐水泥，该水泥在0.080mm 方孔筛的筛余量为2.3%，我国规范规定应小于10%，该水泥的指标符合规定。该水泥标准稠度用水量为28.3%，初凝时间为197 分钟，终凝时间为283 分钟，规范规定初凝时间应大于45 分钟，终凝时间应小于600 分钟，该水泥的指标符合规定。该水泥3d 抗折强度为4.5MPa，水泥28d 抗折强度为8.3MPa，水泥3d 抗压强度为19.7MPa，水泥28d 抗压强度为45.5MPa。本文选用的集料规格以及表观密度经检测为粒径20～30mm，表观密度为2.72g/cm3，粒径10～20mm，表观密度为2.82g/cm3，粒径5～10mm，表观密度为2.93g/cm3，粒径3～5mm，表观密度为2.57g/cm3，粒径0.5～3mm，表观密度为2.68g/cm3，粒径0～0.5mm，表观密度为2.59g/cm3，国家规范规定表观密度不小于2.35g/cm3，符合规定。本文所选用的橡胶颗粒为30 目、50 目、70目。

本文选用的水泥稳定碎石混合料为骨架密实结构，该结构的混合料有优良的力学性能[5-6]。集料良好的级配对水泥稳定基层的质量有着直接关系，本试验采用的级配是筛孔尺寸为31.5mm，通过质量百分率为100%；筛孔尺寸为19.0mm，通过质量百分率为75%；筛孔尺寸为9.50mm，通过质量百分率为42%；筛孔尺寸为4.75mm，通过质量百分率为28%；筛孔尺寸为2.36mm，通过质量百分率为22%；筛孔尺寸为0.6mm，通过质量百分率为10%；筛孔尺寸为0.075mm，通过质量百分率为2.3%。本试验采用的水泥剂量为4%。

2 试验方法及试验结果

为了分析不同掺量以及不同粒径的橡胶颗粒对水泥稳定碎石混合料性能的影响，分别对30 目、50 目、70 目的橡胶颗粒掺量(占集料总体积)为0%、0.5%、1.0%、1.5%的水泥稳定碎石混合料进行试验。在确定了每组试件的原材料以及级配后，首先通过击实试验得出了不同配比水泥稳定碎石混合料的最干密度以及每组混合料的最大含水量。根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)，在所测得的最大干密度和最大含水量的要求下制作成型水泥稳定碎石混合料试件，试件在25±2℃的温度和相对湿度超过95%的标准养护箱内进行养护，其中无侧限抗压强度的试件养护时间为7d，劈裂试验的试件养护时间为90d，温缩试验的试件养护时间为9d。

2.1 橡胶颗粒粒径以及不同掺量对混合料无侧限抗压强度影响

水泥稳定碎石基层是路面结构负责承重的部分，道路提供良好的工作性能，那么作为基层材料就必须有足够的抗压强度。我国现行的规范对作为基层材料的抗压强度有着明确规定，A、B 级交通要求基层集料抗压强度为2～3MPa，C、D 级交通要求基层集料抗压强度为3～4MPa，E 级交通要求基层集料抗压强度为4～5MPa。水泥稳定碎石基层的抗压强度由以下两个方面决定，一是水泥稳定碎石混合料粗集料之间的作用，通过它们之间的相互挤压嵌结，形成骨架用来提供抗压强度。二是是细集料、水与水泥之间发生反应，它们之间的胶结作用会形成基质充分填充在粗集料形成的骨架中，再次为混合料提供一部分抗压强度。除此之外，水泥稳定碎石混合料的抗压强度受多方面因素的影响，比如水胶比、水泥性质、集料性质和施工温度等。

本试验采用振动成型法，将混合料通过压实试验机振动95s，随着混合料的密实性逐渐增加而成型。将试件置于万能试验机上，采用速率为1mm/min，记录试件在破坏时的最大荷载与试件截面面积的比值。本试验分析了不同粒径的橡胶颗粒在不同掺量的情况下对水泥稳定碎石混合料7d 的无侧限抗压强度的影响。

7d 无侧限抗压强度试验结果如图1所示。粒径为30 目的橡胶颗粒在掺量分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%时，7d 无侧限抗压强度分别为9.4MPa、6.2MPa、5.5MPa、5.1MPa。粒径为50 目的橡胶颗粒在掺量分别为0%、0.5%、1.0%、1.5% 时，7d 无侧限抗压强度分别为9.4MPa、6.8MPa、5.8MPa、5.4MPa。粒径为70 目的橡胶颗粒在掺量分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%时，7d 无侧限抗压 强 度 分 别 为9.4MPa、7.5MPa、6.2MPa、5.8MPa。

图1 7d无侧限抗压强度试验结果

结合以上试验数据可知，在普通水泥稳定碎石混合料中加入橡胶颗粒会导致混合料的无侧限抗压强度有所减小，但随着混合料中加入的橡胶颗粒粒径的减小，混合料无侧限抗压强度减少的幅度也越来越小，并且当加入的橡胶颗粒越多时，无侧限抗压强度减少的幅度也就越大。混合材料无侧限抗压强度会降低，本文认为由于橡胶颗粒具有良好的弹性性能，其抗压强度远不如水泥基质及周围的集料，且橡胶颗粒的弹性大，在受到压力时，其位移大于周围基质的变形位移，使得试件开裂。

2.2 橡胶颗粒粒径以及不同掺量对回弹模量影响

水泥稳定碎石混合料作为性能优良的半刚性材料，它被广泛地应用在我国高等级公路的基层和底基层中。基层位于沥青面层与土基之间，在路面结构中，基层是主要的承重层，它保证着面层的稳定性。抗压回弹模量是基层材料的一个重要性能参数，它代表着材料抵抗变形的能力，在一定程度上影响着水泥稳定碎石混合料的收缩开裂[7]。当抗压回弹模量增大时，材料在受到荷载时抵抗变形的能力会变小，也就是说，在相同的环境下受到相同的荷载，抗压回弹模量越大，越容易产生裂缝。

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）规定，本文采用顶面法来测量各组水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量，抗压回弹模量数值为试件受到的单位压力和高度的乘积与试件回弹变形的比值。本试验分析了粒径为70 目的橡胶颗粒在不同掺量的情况下对水泥稳定碎石混合料90d 的抗压回弹模量的影响。

抗压回弹模量试验结果如图2 所示。从图中数据可以看出，粒径为70 目的橡胶颗粒在掺量分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%时，抗压回弹模量分别为803MPa、705MPa、695MPa、643MPa。由以上数据可以看出，当普通水泥稳定碎石混合料掺入橡胶颗粒时，材料的抗压回弹模量有明显降低。粒径为70 目的橡胶颗粒在掺量分别为0.5%、1.0%、1.5% 时，抗压回弹模量分别降低了12.2%、13.4%、20.0%。可以看出，橡胶颗粒对水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量有着明显影响，可以有效降低混合料的抗压回弹模量，增加材料的韧性，增强材料抵抗收缩开裂的能力。所以，在水泥稳定碎石混合料中掺入橡胶颗粒有积极的影响。

图2 抗压回弹模量试验结果

2.3 橡胶颗粒粒径以及不同掺量对温缩性能影响

水泥稳定碎石混合料由于其内部会产生温差和温度变化导致混合料产生体积变化，水泥稳定碎石混合料作为基层材料时的收缩分为温度收缩和干燥收缩，当因为温度变化而产生收缩时，这称为温缩。水泥稳定碎石混合料的温缩性能对路面的性能有着重要影响。根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）[8]要求，本试验分析了粒径为70 目的橡胶颗粒在不同掺量的情况下对水泥稳定碎石混合料7d的温缩性能的影响。将水泥稳定碎石混合料按不同配比划分为三个小组，同一配比的小组含有三个平行试件，记录相关实验数据，通过计算温缩应变来分析混合料的温缩性能。

温缩应变试验结果如图3 所示。从图中可以看出，粒径为70 目的橡胶颗粒在掺量分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%时，平均温缩应变分别为0.0001785、0.0001635、0.0001532、0.0001186。由以上数据可以看出，当普通水泥稳定碎石混合料中掺入橡胶颗粒时，材料的平均温缩应变在一定程度上会有所降低，虽然数值变化不大，但可以看出橡胶颗粒对水泥稳定碎石混合料的温缩性能还是有一定的积极影响。

图3 温缩应变试验结果

3 结语

本文把废旧橡胶轮胎加工成可利用的橡胶颗粒，添加到水泥稳定碎石混合料中，目的就是为了提高水泥稳定碎石混合料的收缩特性，有望减少水泥稳定碎石基层产生裂缝的可能性，改善路面的使用性能和社会服务功能。为了分析不同掺量和不同粒径的橡胶颗粒对水泥稳定碎石混合料性能的影响，本文对水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度、抗压回弹模量和温缩性能等方面进行了若干试验研究。

①在普通水泥稳定碎石混合料中加入橡胶颗粒会导致混合料的无侧限抗压强度有所减小，但随着混合料中加入的橡胶颗粒粒径的减小，混合料无侧限抗压强度减少的幅度也越来越小，并且当加入的橡胶颗粒越多时，无侧限抗压强度减少的幅度也就越大。混合材料无侧限抗压强度会降低，本文认为由于橡胶颗粒具有良好的弹性性能，其抗压强度远不如水泥基质及周围的集料，且橡胶颗粒的弹性大，在受到压力时，其位移大于周围基质的变形位移，使得试件开裂。

②橡胶颗粒对水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量有着明显影响，可以有效降低混合料的抗压回弹模量，增加材料的韧性，增强材料抵抗收缩开裂的能力。所以，在水泥稳定碎石混合料中掺入橡胶颗粒有积极的影响。

③当普通水泥稳定碎石混合料中掺入橡胶颗粒时，材料的平均温缩应变和平均温缩系数在一定程度上会有所降低，虽然数值变化不大，但可以看出橡胶颗粒对水泥稳定碎石混合料的温缩性能还是有一定的积极影响。