張翔飛，錢振東，楊若沖

（東南大學 智能運輸系統(tǒng)研究中心，江蘇 南京 210096）

橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石收縮性能研究

張翔飛，錢振東，楊若沖

（東南大學 智能運輸系統(tǒng)研究中心，江蘇 南京 210096）

為了探究橡膠粉對水泥穩(wěn)定碎石收縮性能的改善效果，文章在固定級配的基礎上，用橡膠粉代替部分細集料進行水泥穩(wěn)定碎石配合比設計，對摻加橡膠粉的水泥穩(wěn)定碎石小梁試件的溫縮和干縮性能進行測試，研究橡膠粉對水穩(wěn)碎石收縮性能的改進作用，進而對摻加橡膠粉及聚合物的水泥凈漿試件進行三點彎曲實驗，研究聚合物對橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石抗斷裂能力的改進作用。結果表明，橡膠集料的摻入改善了收縮的性能，干燥收縮系數(shù)變小約30%；橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石的應變能力隨聚合物的摻入量增加而增強。

橡膠粉；水泥穩(wěn)定碎石；干燥收縮；溫度收縮；斷裂能

1 概述

水泥穩(wěn)定碎石廣泛用于我國高等級公路基層或底基層。由于水泥穩(wěn)定碎石呈脆性，且對溫度、濕度的變化比較敏感，在施工及使用過程中，易于產(chǎn)生收縮開裂［1］。將廢舊橡膠輪胎加工成橡膠顆粒摻入水泥穩(wěn)定碎石材料中，結合水泥穩(wěn)定碎石和橡膠粉2種材料的優(yōu)點，可較好地改善水泥穩(wěn)定碎石的開裂問題，又可利用廢舊輪胎，保護環(huán)境。

水泥的水化作用使混合料水分減少而產(chǎn)生收縮，約占總收縮的17%，混合料的收縮由細粒土占主導作用，混合料的含水量越大，其干縮應變也越大。目前，國內(nèi)外在橡膠混凝土方面研究以及水泥穩(wěn)定碎石材料本身研究做出了大量的工作，但對于在水泥穩(wěn)定碎石材料中摻加橡膠粉的研究則相對較少。在早期橡膠顆粒水泥穩(wěn)定碎石收縮特性研究中，較多采用靜壓成型法和重型擊實法成型試件。覃峰等人對重型擊實成型下的橡膠水泥穩(wěn)定碎石收縮性能進行試驗研究，使用40目纖維橡膠粉代替水泥的質(zhì)量進行試驗，發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒水泥穩(wěn)定碎石的7 d、28 d無側限抗壓強度略有降低，橡膠粉的摻加能有效減小水泥穩(wěn)定碎石基層的收縮［2］。何勇采用靜壓成型法將橡膠粉等質(zhì)量代替0～2.36 mm粒徑的細集料，研究表明加入橡膠顆粒后，水泥穩(wěn)定基層碎石混合料抗壓強度、回彈模量、劈裂抗拉強度都有所下降［3］。

目前對振動成型的試件研究較少，并且存在橡膠粉代替細集料的方式不統(tǒng)一等問題。由于水泥漿與橡膠粉分別屬于親水性和憎水性材料，2種材料界面結合性差，橡膠粉對水泥基材料的力學性能影響較大［4］。隨著施工的改進，施工機械功率增大，而室內(nèi)成型壓實功較現(xiàn)場碾壓成型壓實功明顯偏低，導致設計級配細料偏多；因此，采用振動成型法進行配合比設計成為研究水泥穩(wěn)定碎石收縮性能新的研究方向。本文采用振動成型法，并且用橡膠粉等體積代換細集料，研究橡膠粉對水泥穩(wěn)定碎石開裂性能的改進作用，并在此基礎上針對加入橡膠粉后水泥穩(wěn)定碎石力學性能下降的現(xiàn)象，加入聚合物改性，探究聚合物對橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石抗斷裂能力的改進作用。

2 橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石配合比設計

2.1 試驗原材料

本試驗水泥選用南京某廠生產(chǎn)的P.O42.5R硅酸鹽水泥，其性質(zhì)檢測結果見表1。橡膠粉主要采用40目、60目、80目橡膠粉，其性能試驗均滿足規(guī)范［5］要求。試驗中所用集料的規(guī)格及表觀密度見表2。

表1 水泥技術性質(zhì)檢測結果

表2 集料的規(guī)格及表觀密度

2.2 橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石級配設計

常用的水泥穩(wěn)定碎石基層按其混合料結構狀態(tài)分為2類，即懸浮密實結構和骨架密實結構。懸浮密實結構采用連續(xù)型密級配，骨料的顆粒尺寸由大到小連續(xù)存在。這種結構形態(tài)的水泥穩(wěn)定碎石混合料中，細集料較多，粗集料相互之間沒有接觸，不能形成骨架。該種結構雖然具有較高的黏聚力，但內(nèi)摩擦角較低，在外部荷載作用下，易產(chǎn)生剪切破壞。按這種結構修筑的水泥穩(wěn)定碎石基層抗收縮性能較差，基層容易產(chǎn)生收縮裂縫［6］。骨架密實結構采用間斷級配，去掉了不能嵌入粗集料骨架空隙中的中間尺寸粒徑集料，加入了適量細集料，這樣既能讓粗集料形成骨架，又讓細集料填充了殘余空隙，從而使混合料形成較高的密實度。這種結構的混合料不僅具有較高的內(nèi)摩擦角，而且具有較高的黏聚力。理論上講，屬于該種結構類型的水泥穩(wěn)定碎石混合料具有最優(yōu)的力學性能、抗收縮性能和抗沖刷性能等。根據(jù)規(guī)范《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTGD50—2006）規(guī)定，高速公路、一級公路宜采用骨架密實型水泥穩(wěn)定類材料基層或上基層，本試驗采用骨架密實結構級配。集料的級配見表3，亦符合規(guī)范中級配范圍的要求。

表3 集料級配設計

2.3 確定水泥劑量

用水泥穩(wěn)定碎石作基層時，過高的水泥劑量會對混合料試件的抗收縮性能起到消極作用；當水泥劑量為4.0%及以上時，可以有效滿足高等級路面基層強度的規(guī)范要求［7-8］。本文采用水泥劑量為4.0%。

3 橡膠粉穩(wěn)定碎石收縮變形特性

由于混合料中小于0.425 mm的顆粒含量越高，其塑性指數(shù)越大，其粒料土用水泥處治之后的干縮應變也越大［9］。試驗從細集料入手，采用等粒徑替換的方法，用40目（380 μm）、60目（250 μm）和80目（180 μm）橡膠粉別替代一部分0.3～0.6 mm、 0.15～0.3 mm和0.075～0.15 mm的細集料。

3.1 橡膠粒徑的影響

使用80目、60目、40目的橡膠粉以等體積替換的方式摻入混合料中，總體積代替百分比均為1.0%，并以純水穩(wěn)混合料做參照，水泥劑量采用常用計量4.0%。以此觀察不同粒徑橡膠粉摻入混合料后，試件所表現(xiàn)出來的干縮系數(shù)變化。振動成型的小梁試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，平均干縮系數(shù)變化如圖1所示。

從干縮系數(shù)的增長趨勢來看，摻入橡膠以后，試件干縮系數(shù)的增長速度基本不變，在0～7 d時間內(nèi)增長速度小于純水穩(wěn)碎石，7 d后，增長速度基本持平。從干縮系數(shù)的增長幅度來看，摻入40目、60目、80目橡膠粉的水穩(wěn)碎石試件相差不大，13 d時的干縮系數(shù)比純水穩(wěn)碎石的干縮系數(shù)減少約30%，干縮系數(shù)明顯減小，說明橡膠粒徑不是影響干縮的主要因素。

圖1 不同橡膠粒徑小梁試件干縮系數(shù)

3.2 干燥收縮特性

由于細集料對干縮特性的影響較大，試驗采用80目橡膠，橡膠粉總體積代替量選擇為0.5%，1.0% 和1.5%，并以純水穩(wěn)混合料做參照，水泥劑量為4.0%。進行干縮試驗得出干縮系數(shù)變化如圖2所示。

圖2 不同橡膠摻量小梁試件干縮系數(shù)

開始干縮系數(shù)增長較快，7 d后逐漸趨于平緩；摻入一定量橡膠粉后干縮系數(shù)明顯減小，3種橡膠摻量試件的干縮系數(shù)一開始相差不大，5 d以后橡膠體積摻量為1.5%的試件的干縮系數(shù)小于其他試件；從增長趨勢看，摻入橡膠粉試件的干縮應變增長緩慢。以橡膠粉為主的細集料有較強的保水能力，水泥首先從周圍吸附水發(fā)生水化反應，然后奪取橡膠粉集團早先吸收的水分而恢復一部分自身干縮；另一方面，橡膠具有較大的彈性，在一定程度上消減了由于水分蒸發(fā)而引起的毛細管張力、吸附水和分子間力的作用，從而減小了干縮。摻入橡膠粉的試件干縮系數(shù)增長緩慢，有利于延緩基層開裂，隨著橡膠所占體積變大，其對干縮特性的改善效果越明顯。

3.3 溫度收縮特性

試驗以80目橡膠為例，橡膠粉總體積代替量選擇為0.5%，1.0%和1.5%，并以純水穩(wěn)混合料做參照，水泥劑量為4.0%。進行溫縮試驗，采用人工游標卡尺測量試件在溫度保持一定時間后的長度，故結果偏差嚴重，進行了2次試驗，結果如圖3、圖4所示。

從溫縮試驗結果可以看出，摻橡膠粉后的試件的溫縮系數(shù)有所降低，低溫時溫縮系數(shù)降低效果較明顯。但是人工測量長度變化存在較大誤差，所以數(shù)據(jù)的降低多少很難判定。骨架密實級配的混合料中，以適量橡膠粉替代部分溫縮系數(shù)較大的細集料，是膠粉改善混合料的溫縮性質(zhì)的根本原因。

圖3 第1次溫縮試驗結果

圖4 第2次溫縮試驗結果

4 聚合物改性橡膠粉水泥凈漿斷裂能研究

為了改善加入橡膠后強度下降的現(xiàn)象，在橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石中摻加聚合物改性劑。為探究聚合物對材料的改性作用，進行斷裂能有關試驗的探究［10］。目前，材料的斷裂能研究試驗方法很多，常用的測試方法主要有：直接拉伸法、鍥劈拉伸法、三點彎曲法和緊湊拉伸法。由于三點彎曲法簡便易行，且為常規(guī)設備，適用于一般條件的實驗室。本文采用三點彎曲梁試驗來獲取斷裂能。

斷裂能Gf是指形成斷裂區(qū)單位面積所耗能量的大?。?1］，可由反映材料力學特征的荷載變形曲線下的面積確定，該曲線為材料的軟化曲線，其圍成的面積不受試件尺寸及應力狀態(tài)的影響，可視為材料常數(shù)［12］。

在實際工程中，水泥穩(wěn)定碎石基層難免產(chǎn)生微裂縫，為研究聚合物對裂縫失效問題的改進作用，將試件單邊切口［12］。由于水泥穩(wěn)定碎石與水泥砂漿離散性較大，本試驗采用水泥凈漿，重新設計材料配比，對橡膠體積摻量在20%、40%和60%，聚合物摻量在5%、10%和15%時，小梁試件的斷裂能和最大位移大小進行研究。

采用的三連模成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的梁式試件。養(yǎng)生5 d后，在梁的底端中央裂縫采用手動切割機切縫，切縫深度為20 mm［8］。養(yǎng)生7 d后進行三點彎曲試驗，測定斷裂能。試驗模型如圖5所示。

圖5 試驗模型

試驗結果如圖6、圖7所示，每個數(shù)據(jù)是一個三連模成形的3個試件的平均值。

圖6 不同橡膠摻量試件斷裂能隨聚合物摻量變化

圖7 不同橡膠摻量試件最大應變隨聚合物摻量變化

從圖中可以看出，相同橡膠摻量的條件下，斷裂能隨聚合物的增加略有提高，而聚合物對60%橡膠摻量的小梁改善效果較為明顯。分析其原因是60%橡膠摻量小梁試件中，橡膠顆粒較多，聚合物改善更多的是橡膠顆粒與顆粒間通過水泥粘結的強度，而20%與40%橡膠摻量小梁試件中，聚合物更多地是改善橡膠顆粒與水泥凈漿之間粘結的強度。試件可承受的最大位移形變也隨橡膠和聚合物的摻入略有提高，增強了應變能力。水泥凈漿斷裂能試驗結果表明，小梁試件的斷裂能、可承受最大位移形變隨聚合物的摻加有所提高。該結果對探究聚合物對水泥穩(wěn)定碎石收縮性能的改善作用具有指導意義。

5 結論

為了對橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石進行收縮性能研究，進行了干縮試驗、溫縮試驗、斷裂能試驗等一系列試驗，研究了橡膠顆粒、聚合物對水穩(wěn)混合料性能的影響，主要結論如下：

（1）橡膠摻量水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能有所改善，其平均干縮系數(shù)的增長率小于純水穩(wěn)碎石，干縮系數(shù)減少約為30%，橡膠顆粒對水泥穩(wěn)定材料收縮性能的改性作用與橡膠顆粒的大小關系不大，與橡膠顆粒的摻量大多關系密切，摻入量越大，收縮性能改善越明顯。

（2）溫縮性能試驗結果表明，摻加膠粉后水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮量有所降低，然而由于受試驗條件所限，試驗結論有待進一步驗證。

（3）聚合物的摻入可提高材料的斷裂能，即材料的韌性；橡膠與聚合物的摻入增加了材料可承受的最大位移形變。

由于橡膠顆粒與聚合物的摻加會導致水泥穩(wěn)定碎石的強度降低，本試驗未對橡膠分水泥穩(wěn)定碎石的強度進行研究，不同環(huán)境下橡膠與聚合物的最佳摻入量有待進一步探究。橡膠顆粒是彈性體的高分子有機物，而集料中的粗骨料則表現(xiàn)出剛性性質(zhì)。雖然在試驗中采用相同粒徑的代替方式，但在本質(zhì)上仍然是改變了集料的級配類型。因此，在進一步研究中可以將橡膠粉作為添加劑，在不減少細集料含量的基礎上研究膠粉對路用性能的影響情況。

［1］沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［2］覃峰.橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石基層收縮性能試驗研究［J］.新型建筑材料，2009（12）：38-41

［3］何勇.摻廢橡膠顆粒的水泥穩(wěn)定碎石路用性能的研究［D］.南京：南京林業(yè)大學，2007：4-5.

［4］ 張亮亮，姜華.橡膠粉水泥穩(wěn)定砂礫強度與收縮性能研究［J］.低溫建筑技術，2013，35（9）：117-119.

［5］GB/T 19208—2003硫化橡膠粉［S］.

［6］周新鋒.水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設計及路用性能研究［D］.西安：長安大學，2005.

［7］蔣應軍.水泥穩(wěn)定碎石振動試驗方法及應用研究［D］.南京：東南大學，2009：17-20.

［8］JTG D50—2006公路瀝青路面設計規(guī)范［S］.

［9］黃煜鑌.水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫防治研究［D］.上海：同濟大學，2004.

［10］ 張東.基于內(nèi)聚力模型的瀝青路面斷裂研究［D］.南京：東南大學，2009.

［11］Prof S P Shah. Size-effect method for determining fracture energy and process zone size of concrete［D］. The Technological Institute，Northwestern Universit，1991-2005（6）：80-84.

［12］Song， S.H. Fracture of Asphalt Concrete: A Cohesive Zone Modeling Approach Considering Viscoelastic Effects［D］. Urbana：University of Illinois，2006.

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

張翔飛（1991-），男，山東泰安人，碩士研究生，研究方向為路基路面。

2015-05-19）