橡膠水泥穩(wěn)定碎石混合料抗裂性能研究

張立強

（天津市啟瑞市政園林工程有限公司，天津 300110）

1 引言

截至2021年年末，我國公路總里程528.07萬公里，其中高速公路總里程16.91 萬公里，位居世界第一位。由于半剛性基層具有“強基薄面”的特性[1]，可以有效降低路面厚度，減少道路建設(shè)成本，因此被我國大部分道路所采用。同時，水泥穩(wěn)定碎石基層具有初期強度較高且可以快速結(jié)成板體、整體強度較高、抗?jié)B性和水穩(wěn)性好、原材料來源廣、成本低等優(yōu)點，已成為我國等級公路建設(shè)中最廣泛的半剛性基層形式[2]。但水泥穩(wěn)定碎石基層對溫度和濕度變化較為敏感，在溫度和濕度變化后，極易形成溫縮裂縫和干縮裂縫，裂縫在基層干縮和溫縮應(yīng)力的進一步作用下，誘導(dǎo)裂縫反射致使面層開裂，產(chǎn)生道路的早期破壞，使得大多數(shù)道路無法達到設(shè)計的使用壽命。因此，改善基層開裂是亟待解決的問題。為了解決基層裂縫問題，國內(nèi)外學(xué)者主要從優(yōu)化級配、摻入外加劑、預(yù)裂縫等方面進行研究。在級配優(yōu)化方面，圍繞水泥劑量的添加，潘兆平等[3-6]圍繞水泥劑量對水穩(wěn)基層抗裂性能的影響進行分析，得出水泥劑量的多少直接影響水穩(wěn)基層的干縮性能，水泥劑量越高，干縮和溫縮越大，水泥含量低于3%時，干縮系數(shù)對水泥劑量的變化較為敏感，干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)均隨水泥劑量的增加而增大。在摻入外加劑方面，Siripun K 等[7]通過室內(nèi)試驗證明在水泥穩(wěn)定碎石中摻入纖維可以減少裂縫的產(chǎn)生。付春梅等[8]通過試驗證明了水泥穩(wěn)定碎石抗壓強度隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，纖維的摻量存在一個最佳摻量；國內(nèi)外的學(xué)者還圍繞減水劑、膨脹劑、抗裂劑和乳化瀝青等外加劑的使用進行了大量的研究。在預(yù)裂縫方面，國外有研究人員最早發(fā)現(xiàn)人造微細裂縫網(wǎng)可以較好地釋放收縮應(yīng)力，避免寬裂縫的產(chǎn)生。圍繞橡膠粉在道路中的應(yīng)用，薛剛等[9]的研究表明，橡膠混凝土的疲勞壽命高于素混凝土，隨著橡膠粉摻量的增加，混凝土的疲勞壽命越高。王海鵬等[10-12]將橡膠粉摻入到水泥穩(wěn)定粒料中，對混合料的力學(xué)性能和收縮性能進行了研究。

目前關(guān)于橡膠添加劑對水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能的研究較少。故本文主要開展橡膠不同摻量對水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能的影響，以為相關(guān)研究和應(yīng)用提供參考借鑒。

2 原材料及配合比

2.1 原材料

橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石是由橡膠粉、集料及水泥組成，原材料的質(zhì)量是保障工程質(zhì)量的關(guān)鍵，需要按照《公路路面基礎(chǔ)施工技術(shù)細則》（JTG/T F20—2015）要求對使用的原材料性能進行檢測。

2.1.1 橡膠粉

試驗所用橡膠粉是由廢舊輪胎經(jīng)破碎制得，按照橡膠粉目數(shù)分為四種：橡膠顆粒（10 目～30 目）、橡膠粉（30 目～60 目）、細膠粉（60 目～120 目）和精細膠粉（120目以上）。本次試驗采用40目的橡膠粉，主要性能指標見表1。

表1 橡膠粉檢測指標

2.1.2 水泥

試驗采用強度等級為42.5 的普通硅酸鹽水泥，主要檢測指標見表2。

表2 水泥檢測指標

2.1.3 集料

試驗所用集料分為0～5mm、5mm～10mm、10mm～20mm、20mm～30mm 四檔，其中石屑產(chǎn)于山東濟南，粗骨料產(chǎn)于山東泰安，按照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）對原材料主要技術(shù)指標進行檢測，檢測結(jié)果見表3和表4。

表3 集料的級配

表4 檢測結(jié)果

2.2 配合比設(shè)計

依照現(xiàn)行的《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20—2015）中規(guī)定的級配范圍，水泥穩(wěn)定碎石的級配范圍符合C-A-3的要求，具體級配見表5。

表5 水泥穩(wěn)定碎石基層混合料的合成級配

3 橡膠粉摻量對膠砂強度的影響分析

根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO）》（GB/T 17671—2021）的要求，由水泥450g、標準砂1350g、水225g，按照C:S:W=1:3:0.5 拌制40mm×40mm×160mm水泥棱柱體試件，按照規(guī)范規(guī)定的養(yǎng)生條件進行養(yǎng)生，在達到規(guī)定要求的養(yǎng)護齡期后，進行抗折強度和抗壓強度試驗。

為研究橡膠粉對不同養(yǎng)護齡期下水泥膠砂試件強度的影響，按照橡膠粉摻量為0、1%、2%、3%（質(zhì)量分數(shù)），摻入方式采用干混法，即在攪拌鍋中加入水泥之后添加橡膠粉，連同膠砂一起用攪拌機攪拌，在振實臺上成型，分別進行水泥膠砂試件3d、7d、14d的抗折及抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 橡膠粉不同摻量下抗壓強度隨養(yǎng)護時間的變化圖

圖2 橡膠粉不同摻量下抗折強度隨養(yǎng)護時間的變化圖

由圖1、圖2可知，在摻加1%的橡膠粉后，水泥膠砂試件的抗壓及抗折強度都有輕微增加，且隨著養(yǎng)護齡期的增加，水泥膠砂試件的抗壓及抗折強度增長幅度增大。但隨著橡膠粉摻量增加為2%、3%時，其對水泥膠砂試件的抗壓及抗折強度均有削弱。試驗表明，低摻量的橡膠粉添加到水泥膠砂試件中會增加其抗壓及抗折強度，但橡膠粉摻量過多時，會對其抗壓和抗折強度產(chǎn)生不良影響。

4 橡膠粉對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響分析

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）規(guī)定的試驗方法，確定水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度及最佳含水率；設(shè)定5 種水泥劑量（3%、4%、5%、6%、7%），測定其7d 無側(cè)限抗壓強度，試驗結(jié)果見表6；按照《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20—2015）的規(guī)定，確定其最佳水泥用量為5%。

表6 不同水泥劑量的水泥穩(wěn)定碎石7d無側(cè)限抗壓強度

4.1 無側(cè)限抗壓強度變化分析

采用5%的最佳水泥劑量，分別外摻0、1%、2%、3%、4%的橡膠粉。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)的規(guī)定，進行水泥穩(wěn)定碎石試件的成型和養(yǎng)生，試件達到齡期后，開展無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果見表7和圖3。

表7 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

圖3 不同橡膠粉摻量下的無側(cè)限抗壓強度變化圖

由表7 和圖3 分析可知，在7d、28d 標準養(yǎng)護條件下，隨著橡膠粉摻量增加，水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強度逐漸降低，即摻加橡膠粉后將會降低水泥穩(wěn)定碎石混合料的強度。這主要是由于橡膠粉與水泥穩(wěn)定碎石混合料的材料組成屬性均不同，橡膠粉不與水泥水化發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，膠粉顆粒獨立存在于材料內(nèi)部，在外部荷載作用下，應(yīng)力從水穩(wěn)材料向橡膠粉傳遞時，由于橡膠粉的變形能力比較大，再生混合料變形較小，兩者的變形協(xié)調(diào)能力不同，因此容易發(fā)生因應(yīng)變過大導(dǎo)致的材料發(fā)生破壞，產(chǎn)生微裂縫，橡膠粉摻量越大，水泥石-橡膠粉之間的界面缺陷越顯著，材料內(nèi)部疏松，密度減小，強度衰減越明顯。

4.2 干縮性能

采用5%的最佳水泥用量，分別外摻0、1%、2%和3%的橡膠粉，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)的規(guī)定進行試件的成型和養(yǎng)生，分別檢測養(yǎng)生7d、14d、28d、35d 和42d 的干縮系數(shù)，分析橡膠粉對水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮性能的影響，檢測結(jié)果見表8和圖4。

表8 水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)檢測結(jié)果

圖4 不同橡膠粉摻量下不同養(yǎng)生時間變化圖

由表8和圖4可知，水泥穩(wěn)定碎石混合料中加入橡膠粉后，隨著橡膠粉摻量的增多，水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)不斷降低。這是由于橡膠粉具有較大的彈性，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，以及吸附水和分子間力的作用，從而減小了水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)。研究結(jié)果表明，橡膠粉的摻加能夠有效減緩水泥穩(wěn)定碎石基層干縮裂縫的產(chǎn)生。

5 結(jié)語

通過在水泥膠砂和水泥穩(wěn)定碎石混合料中摻加橡膠粉，分別進行不同齡期的抗壓強度、抗折強度、無側(cè)限抗壓強度和干縮試驗，可以得到如下結(jié)論：

①摻加橡膠粉后，水泥膠砂強度在橡膠粉摻量為1%時最大，隨后其抗壓強度和抗折強度隨著橡膠粉摻量的增加均會降低。

②摻加橡膠粉后，水泥穩(wěn)定碎石混合料的強度會隨著橡膠粉摻量的增加而降低，即橡膠粉會降低水泥穩(wěn)定碎石的強度。

③摻加橡膠粉后，水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)會隨著橡膠粉摻量的增加而減小，即橡膠粉會有效減緩水泥穩(wěn)定碎石基層干縮裂縫的發(fā)生。

④綜合考慮橡膠粉對水泥穩(wěn)定碎石基層的強度和干縮性能的影響，橡膠粉在水泥穩(wěn)定碎石混合料中的摻量不宜過高，一般應(yīng)為1%左右，具體摻量還需要根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。