王軍龍

摘要：基于無側(cè)限抗壓強度試驗、溫縮試驗、凍融循環(huán)及間接拉伸疲勞試驗，系統(tǒng)研究了橡膠粉摻量對水泥穩(wěn)定碎石混合料強度特性、力學(xué)性能和抗疲勞耐久性的影響，并基于SEM圖像分析技術(shù)揭示了橡膠粉對水泥穩(wěn)定碎石混合料的改善機理。試驗結(jié)果表明：摻加橡膠粉后水泥穩(wěn)定碎石的抗溫縮性能和抗疲勞開裂性能顯著提高，橡膠粉能夠有效地分散荷載、消散應(yīng)變能，基于抗疲勞耐久性推薦適宜水泥穩(wěn)定碎石混合料的橡膠粉摻量為4%。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石；橡膠粉；抗疲勞耐久性；路用性能

中圖分類號：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： The impact of rubber powder content on the strength， mechanical properties and fatigue resistance durability of cement stabilized macadam was studied by running unconfined compressive strength test， temperature shrinkage test， freezethaw test and indirect tensile fatigue test. The mechanism for the improvement was revealed by image analyzing technology of SEM. The results show that cement stabilized macadam mixed with rubber powder has better temperature shrinkage resistance and fatigue cracking resistance performance； rubber powder can effectively disperse the load and dissipate strain energy； based on fatigue resistance durability， rubber powder content is recommended with 4%.

Key words： cement stabilized macadam； rubber powder； fatigue resistance durability； pavement performance

0引言

水泥穩(wěn)定碎石底基層作為一種典型的半剛性結(jié)構(gòu)層，普遍應(yīng)用于中國的高速公路建設(shè)，且具有強度高、穩(wěn)定性好、剛度大、水穩(wěn)性和抗凍性好以及抗行車疲勞性能好的特點[1]。但在濕度變化時水泥穩(wěn)定碎石基層易產(chǎn)生干縮裂縫，導(dǎo)致面層產(chǎn)生反射裂縫[23]，加上水損害，影響瀝青路面的使用性能和使用壽命。

研究表明，水泥穩(wěn)定碎石基層的干、溫縮性能以及力學(xué)性能、抗沖刷耐疲勞性能都是決定半剛性基層瀝青路面使用壽命的重要因素。國內(nèi)外在防止路面的半剛性基層反射裂縫方面先后采取了很多措施。徐鷗明等[4]提出，粉煤灰摻量為5%～10%時，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的干縮性能和溫縮性能得到明顯改善，從而降低產(chǎn)生收縮裂縫的幾率。同濟大學(xué)孫兆輝等[5]為了控制反射裂縫，采用減少基層材料用水量、降低水泥用量以及降低水的表面張力等方法。試驗結(jié)果表明，在水泥穩(wěn)定碎石基層中摻加粉煤灰、減水劑、減縮劑能明顯改善基層抗收縮性能。長安大學(xué)李明杰等[6]為了提高水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能，分析了縮裂機理和組成結(jié)構(gòu)對其的影響，提出了水泥穩(wěn)定碎石級配設(shè)計思路和骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石基層材料設(shè)計方法。目前主要通過改善水泥穩(wěn)定碎石級配、減少水泥用量、摻加乳化瀝青等柔性材料、摻加粉煤灰或使用外加劑等方法[711]，綜合提升水泥穩(wěn)定碎石混合性能，鮮見對于摻加橡膠粉的水泥穩(wěn)定碎石混合料抗裂性能、力學(xué)性能、強度特性以及疲勞耐久性方面的報道。本文通過無側(cè)限抗壓強度試驗、溫縮試驗以及間接拉伸疲勞試驗，系統(tǒng)研究不同橡膠粉摻量的水泥穩(wěn)定碎石試件變形特性，分析橡膠粉與水泥穩(wěn)定碎石的作用機理，探討橡膠粉對水泥穩(wěn)定碎石混合料綜合使用性能的影響。

1原材料及配比

試驗所用水泥為陜西省戶縣生產(chǎn)的325普通硅酸鹽水泥，其主要物理力學(xué)技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1。粗集料選用石灰?guī)r碎石，細(xì)集料選用機制砂。水泥穩(wěn)定碎石收縮主要由水化產(chǎn)物和細(xì)集料產(chǎn)生，以水泥穩(wěn)定碎石縮裂機理為指導(dǎo)思想，根據(jù)嵌擠原則和干涉理論確定粗集料級配，根據(jù)密實填充原理及粗集料空隙率確定粗細(xì)集料的比例，通過控制粗、細(xì)集料關(guān)鍵篩孔的通過率，最終確定出集料的級配組成，水泥穩(wěn)定碎石合成級配見表2。選用的橡膠粉為長大華礎(chǔ)大貨車子午輪胎膠粉40目，其粒徑為1～3 mm，表觀密度117 g·cm-3，為增強橡膠粉與水泥石之間的粘結(jié)作用，采用飽和NaOH溶液對橡膠粉進(jìn)行表面改性。

2摻加橡膠粉的水泥穩(wěn)定碎石混合料強度特性

2.1無側(cè)限抗壓強度試驗

固定水泥劑量為5%，橡膠粉用量分別為水泥劑量的0～2倍，即0、4%、6%、8%、10%，橡膠粉以內(nèi)摻的方式等量置換部分機制砂，以此變化水泥、橡膠粉、集料的相對比例。采用重型擊實試驗確定各配合比組成混合料的最大干密度和最佳含水量[12]，試驗結(jié)果見表3。

無側(cè)限抗壓強度是《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中對水泥穩(wěn)定類材料用于各級公路基層和底基層性能要求的惟一指標(biāo)。研究表明，抗壓強度的大小隨穩(wěn)定劑劑量、養(yǎng)生齡期的變化而不同，抗壓強度和其他強度指標(biāo)之間有著緊密的聯(lián)系[1315]，本文固定水泥摻量為5%，間隔2%從0～10%變化橡膠粉摻量，研究橡膠粉摻量對水泥穩(wěn)定碎石混合料抗壓強度的影響。試驗時在最大干密度和最佳含水量下采用靜壓法成型Φ150 mm、高150 mm圓柱體試件，養(yǎng)生溫度為（20±2）℃，相對濕度大于95%，試件養(yǎng)生齡期最后1天將試件浸水24 h，以加載速率1 mm·min-1測量其抗壓強度值。不同橡膠粉摻量下，水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強度（7、28、60 d等）試驗結(jié)果見圖1、2。

試驗結(jié)果表明：隨著橡膠粉摻量的增大，水泥穩(wěn)定碎石混合料的7、28 d無側(cè)限抗壓強度呈二次函數(shù)關(guān)系減小，2%、4%、6%、8%橡膠粉摻量下水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度分別為普通水泥穩(wěn)定碎石混合料的95%、90%、86%、75%；且相同齡期內(nèi)橡膠粉摻量越大，水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強度越小，可見橡膠粉摻量對水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強度有顯著的影響。在現(xiàn)行規(guī)范中，對高速公路水泥穩(wěn)定碎石底基層7 d的強度要求為1.5～2.0 MPa，交通量大的情況下要求為2.0～2.5 MPa，橡膠粉摻量為8%時無側(cè)限抗壓強度為2.23 MPa，仍滿足規(guī)范要求。采用掃描電鏡試驗分析不同齡期橡膠粉與水泥石的接觸界面，結(jié)果見圖3。由圖3（a）可見，橡膠粉與水泥石的材料屬性不同，水泥水化產(chǎn)物與橡膠粉顆粒之間存在較大空隙，二者之間的界面不連續(xù)，結(jié)合較弱。在外荷載作用下，當(dāng)應(yīng)力從水泥石向橡膠粉傳遞時，由于橡膠粉的變形能力較大，水泥石的變形能力較小，二者的變形協(xié)調(diào)能力不同，容易使水泥石因應(yīng)變過大而發(fā)生破壞，產(chǎn)生微裂縫，而橡膠粉與水泥石之間的界面結(jié)合狀況較差，又進(jìn)一步加劇了這種破壞。由圖3（b）可見，隨著養(yǎng)生齡期的延長，水泥石與橡膠粉之間的界面缺陷仍沒有得到彌補，橡膠粉孤立于水泥水化產(chǎn)物之間，橡膠粉摻量越大，水泥石橡膠粉之間的界面缺陷越凸顯，混凝土的抗壓強度衰減越明顯。

2.2抗折強度

按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009），固定水泥摻量為5%，變化0、1%、2%、3%、4%、5%幾種橡膠粉摻量，成型尺寸為100 mm×100 mm×515 mm的小梁試件，在標(biāo)準(zhǔn)溫度、濕度條件下養(yǎng)生28 d。試驗采用三分點加載方式，試驗溫度為15 ℃，加載速率控制在0.1～0.2 kN·s-1。不同橡膠粉摻量下的水泥穩(wěn)定碎石混合料抗折強度試驗結(jié)果見圖4。

圖4擬合結(jié)果表明，隨著橡膠粉摻量的增大，水泥穩(wěn)定碎石抗折強度呈先增大后減小的二次函數(shù)關(guān)系，橡膠粉摻量為4%時抗折強度出現(xiàn)峰值，這時抗折強度比普通水泥穩(wěn)定碎石提高了8.5%，可見適宜的橡膠粉摻量對水泥穩(wěn)定碎石的性能有一定的改善作用。分析橡膠粉對水泥穩(wěn)定碎石抗折強度的改善機理，從橡膠粉在水泥穩(wěn)定碎石混合料內(nèi)部的作用來看，橡膠粉顆粒具有較好的柔性，變形能力強，使混凝土微裂縫產(chǎn)生滯后效應(yīng)。水泥穩(wěn)定碎石混合料受拉應(yīng)力作用，橡膠粉則通過伸長變形以適應(yīng)水泥石的應(yīng)變，抵消部分荷載，增大了水泥穩(wěn)定碎石混合料的破壞應(yīng)變，延緩微裂縫產(chǎn)生，從而使混凝土抗彎拉強度有一定提高。但隨著橡膠粉摻量的增大，單位面積上橡膠顆粒進(jìn)一步增多，橡膠粉與水泥石之間的界面缺陷更加凸顯，界面作用將限制拉應(yīng)變，兩種材料的變形協(xié)調(diào)能力不同，橡膠粉則可能成為變形過程中的薄弱點，橡膠顆粒與水泥石接觸界面處的應(yīng)力集中現(xiàn)象加速了試件破壞。

3摻加橡膠粉的水泥穩(wěn)定碎石混合料溫縮性能

水泥穩(wěn)定類基層材料的收縮分為干縮和溫縮2種。當(dāng)材料收縮量比較大的時候基層就會產(chǎn)生裂縫，研究表明：干縮主要是由混凝土內(nèi)外水分蒸發(fā)和水泥石收縮引起的；溫縮抗裂系數(shù)能比較全面地考慮材料的力學(xué)性能、溫縮應(yīng)變，還可考慮溫縮系數(shù)的大小。本文采用應(yīng)變片電測法來測定摻橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石試件的溫縮系數(shù)，試驗溫度-30 ℃～30 ℃，溫度收縮試驗每組3個試件，試驗結(jié)果為3個試件的平均值，試驗結(jié)果見表4、圖5。溫縮系數(shù)、極限拉應(yīng)力、溫縮抗裂系數(shù)的計算如下

式中：αt為材料的溫縮系數(shù)；εi為溫度ti時試件的溫縮應(yīng)變；ti為相鄰兩個恒溫段的溫度值；βs為溫度補償標(biāo)準(zhǔn)試件的線膨脹系數(shù)；εmax為極限拉應(yīng)變；Es為彎拉模量；Rs為彎拉強度；T為溫縮抗裂系數(shù)。

試驗發(fā)現(xiàn)，相同水泥用量條件下，在試驗溫度區(qū)域內(nèi)隨著橡膠粉摻量增大，溫縮系數(shù)減小，尤其是橡膠粉摻量小于6%時，隨著橡膠粉摻量的增大，溫縮系數(shù)顯著減小，隨后繼續(xù)增大橡膠粉摻量，溫縮系數(shù)減小的趨勢趨于平緩，表明采用摻加橡膠粉的方案可以緩解水泥穩(wěn)定碎石的溫縮開裂。-10 ℃～-20 ℃溫度區(qū)域內(nèi)，摻加6%、8%橡膠粉后水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)由11541×10-6 ℃-1減小到9032×10-6 ℃-1、8843×10-6 ℃-1，分別減小了217%、234%，可見摻加橡膠粉對提高冬季嚴(yán)寒地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性有顯著的作用。分析橡膠粉對水泥穩(wěn)定碎石抗溫縮性能的改善原因為，橡膠粉能通過自身良好的彈性變形緩解或消除應(yīng)力或應(yīng)變作用。

4摻加橡膠粉的水泥穩(wěn)定碎石混合料的耐久性

4.1抗凍融耐久性

抗凍融耐性是指混凝土抵抗凍融循環(huán)破壞作用的能力，也是評價水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性的指標(biāo)之一[16]。本試驗中試件的制備和養(yǎng)生方法同無側(cè)限抗壓強度試驗，試件養(yǎng)生28 d后進(jìn)行干濕循環(huán)。非干濕循環(huán)試件在養(yǎng)生齡期的最后一天需要浸水24 h，然后測試試件的劈裂強度。測試抗凍性指標(biāo)時，在即將達(dá)到養(yǎng)生齡期的前一天試件浸水24 h，稱重后放入-18 ℃的冷凍箱內(nèi)凍結(jié)12 h，然后在25 ℃恒溫水浴中融解12 h，將融解過的試件稱重，再次放入冷凍箱開始第二次循環(huán)。一共需要經(jīng)歷10個凍融循環(huán)，每次凍融循環(huán)完成后測試其劈裂強度，以凍融循環(huán)前后劈裂強度比（TSR）表征試件的抗凍性，不同橡膠粉摻量的水泥穩(wěn)定碎石抗凍性試驗結(jié)果見圖6、表5。

凍融循環(huán)試驗結(jié)果表明：不同橡膠粉摻量下，隨著凍融次數(shù)的增加，水泥穩(wěn)定碎石混合料的劈裂強度呈線性關(guān)系減小；相同凍融次數(shù)，隨著橡膠粉摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石混合料劈裂強度呈線性關(guān)系減小，且擬合關(guān)系良好，擬合曲線斜率絕對值隨橡膠粉摻量的增大而增大，尤其是橡膠粉摻量大于6%后，增加凍融循環(huán)次數(shù)對水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度的影響更加顯著，可見從凍融循環(huán)耐久性考慮，橡膠粉摻量不宜過大。對不同齡期的橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石硬化產(chǎn)物進(jìn)行電鏡掃描試驗，結(jié)果如圖7所示，摻加橡膠粉后水泥穩(wěn)定碎石混合料劈裂強度降低的主要原因在于，橡膠粉與水泥水化產(chǎn)物接觸界面之間存在空隙。

4.2抗疲勞耐久性

采用間接拉伸疲勞試驗評價橡膠粉摻量對水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞性能的影響，加載模式為控制應(yīng)力方式（控制應(yīng)力的疲勞試驗就是在重復(fù)加載的疲勞試驗過程中，保持應(yīng)力不變，以試件的疲勞斷裂作為疲勞破壞的準(zhǔn)則，達(dá)到疲勞破壞的荷載作用次數(shù)為疲勞壽命）[17]。試件尺寸為Φ150 mm、高150 mm，考慮到橡膠顆粒的感溫性，控制試驗溫度為15 ℃，加載速率為50 mm·min-1，疲勞試驗選用0.1、0.2、0.3、0.4四個應(yīng)力比，不同橡膠粉摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞試驗結(jié)果見表6和圖8。

間接拉伸疲勞試驗結(jié)果表明：橡膠粉摻量由2%增加到8%，疲勞曲線為雙對數(shù)擬合結(jié)果，K值依次是17 266、18 745、19 622、18 446、18 395，相比普通水泥穩(wěn)定碎石混合料，摻加橡膠粉后K值明顯增大，K值越大，疲勞曲線的線位越高，表明混合料的疲勞壽命越長。由此可知，摻加橡膠粉可改善水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗疲勞性能；疲勞試驗雙對數(shù)擬合曲線斜率n值隨橡膠粉摻量的增加呈先減小后增大的變化趨勢，大約在橡膠粉摻量為4%時n值達(dá)到最小值，且2%、4%、6%橡膠粉摻量下的疲勞曲線斜率始終小于普通水泥穩(wěn)定碎石混合料。n值越大，疲勞曲線越陡，表明水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命對應(yīng)力水平的變化越敏感，其抵抗疲勞破壞的能力越差，可見橡膠粉的摻入能夠改善水泥穩(wěn)定碎石混合料對荷載水平變化的敏感程度。分析橡膠粉對水泥穩(wěn)定碎石混合料的影響機理：在進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗時，由于水泥穩(wěn)定碎石混合料內(nèi)部存在缺陷或者材料分布不均勻，在荷載作用下會因為應(yīng)力集中而引起應(yīng)變能的聚積，從而產(chǎn)生微裂縫。在荷載重復(fù)作用下，裂縫會進(jìn)一步擴展，使結(jié)構(gòu)受力面減小，當(dāng)重復(fù)作用積累到一定次數(shù)后，就會使混合料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。摻加橡膠粉后，當(dāng)混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生孔隙和裂紋時，均勻分散在混合料中的橡膠粉就會跨越這些孔隙和裂紋，起到應(yīng)力吸收作用，使裂紋的擴展受到約束，橡膠粉的這種咬合作用能夠阻滯水泥穩(wěn)定碎石基體裂紋的擴展，提高裂紋的自愈能力，從而使疲勞壽命提高；橡膠粉能通過自身良好的彈性，起到很好的傳力、消散力作用，兩者之間的協(xié)調(diào)變形能力很強，使混合料中的集中應(yīng)力分布擴散得更均勻，有效地分散荷載、消散應(yīng)變能。摻加橡膠粉后的水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞壽命明顯增加，對應(yīng)力水平變化的敏感程度明顯下降，隨著橡膠粉摻量進(jìn)一步增大，額外增加了水泥混凝土內(nèi)部的微裂縫構(gòu)造，降低了水泥混凝土的疲勞壽命。綜合考慮橡膠粉摻量對水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞曲線K、n值的影響，可以發(fā)現(xiàn)，適宜的橡膠粉摻量能夠顯著改善水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗疲勞性能，推薦水泥穩(wěn)定碎石混合料最佳橡膠粉摻量為4%。

5結(jié)語

（1） 隨著橡膠粉摻量的增大，水泥穩(wěn)定碎石混合料的7、28 d無側(cè)限抗壓強度呈二次函數(shù)關(guān)系減小，抗折強度隨橡膠粉摻量的增大呈先增大后減小的二次函數(shù)關(guān)系，在橡膠粉摻量為4%時抗折強度出現(xiàn)峰值，此時抗折強度比普通水泥穩(wěn)定碎石提高了85%。

（2） 在溫度-30 ℃～30 ℃，隨著橡膠粉摻量增大，溫縮系數(shù)減小，尤其是橡膠粉摻量小于6%時，隨著橡膠粉摻量的增大，溫縮系數(shù)顯著減小，說明摻加橡膠粉可緩解水泥穩(wěn)定碎石的溫縮開裂。

（3） 相同凍融次數(shù)，隨著橡膠粉摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石混合料劈裂強度呈線性關(guān)系減小，且線性擬合關(guān)系良好，擬合曲線斜率絕對值隨橡膠粉摻量的增大而增大。

（4） 摻加橡膠粉后，水泥穩(wěn)定碎石混合料劈裂疲勞試驗雙對數(shù)擬合曲線K值明顯增大，擬合曲線斜率n值隨橡膠粉摻量的增加呈先減小后增大的變化趨勢，在橡膠粉摻量為4%時n值達(dá)到最小值，橡膠粉的摻入能夠改善水泥穩(wěn)定碎石混合料對荷載水平變化的敏感程度。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]