橡胶粉改性水泥稳定碎石力学性能研究

杨　松，季　节，孙鹏飞，赵永尚，文　博

（北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044）

橡胶粉改性水泥稳定碎石力学性能研究

杨松，季节，孙鹏飞，赵永尚，文博

（北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044）

为了分析橡胶粉的掺入对水泥稳定碎石混合料力学性能的影响，对掺加1%、1.5%添加量的80目橡胶粉和未掺加橡胶粉的水泥稳定碎石的力学性能进行对比分析。试验结果表明：掺入橡胶粉后，水泥稳定碎石的无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度和抗压回弹模量有所降低，但其抗冻性能增强，干缩应变明显减小，有利于延缓基层开裂。

橡胶粉；水泥稳定碎石；力学性能；抗冻性能；干缩应变

水泥稳定碎石因具有强度高、刚度大、整体性能优良、水稳性和抗冻性较好等优点，是我国高等级公路的首选基层材料。但是，该类基层易产生裂缝，从而引发路面其它病害的产生。裂缝的产生主要是由于水泥稳定碎石材料在施工、养护及使用过程中干燥收缩和温度收缩引起的［1］。橡胶粉是一种高弹性材料，对收缩变形具有一定的抑制作用，在此基础上通过对其力学性能进行验证，探讨其成型工艺，使其能满足现行的规范要求，从而应用于水泥稳定碎石基层中。同时，橡胶粉中含有一定量的纤维，这些纤维也能有效地抑制和减少收缩变形的产生［2］。

国内对于橡胶粉加入到水泥稳定碎石基层中的研究刚刚起步，目前研究最多的是将其加入到水泥混凝土中。天津大学［3］进行了一组橡胶水泥混凝土抗压强度试验，分析出橡胶水泥混凝土在某种程度上具有沥青混凝土的性能。朱涵［4］等指出抗拉强度不小于5.5 MPa、抗压强度不小于35 MPa的橡胶水泥混凝土路面板在标准轴载的作用下，可达到50~100万次弯曲疲劳循环，在任何温度下均不会出现车辙。何勇［5］对橡胶粉应用于水泥稳定碎石基层产生的影响进行了研究，发现了其力学性能变化规律，指出橡胶粉改性水泥稳定碎石的温缩和干缩性能可得到大幅度的提升。

国外在20世纪80年代末期开始了橡胶水泥混凝土的研究。橡胶是有机物，水泥混凝土是无机的，两者结合曾使人对其相容性及耐用性产生顾虑。Eldin［6］和Khatib［7］等研究表明：采用橡胶粉、橡胶块分别替代砂和石子制备的水泥基材料可以显著地提高其韧性，不但可以承受部分弯曲应力，还能阻止微裂缝的扩展，延缓新裂缝的出现，表现出显著的延性破坏特征。F. Hernandez-Olivares［8］对基于不同体积含量橡胶粉的棱柱形试件进行循环加载试验，认为橡胶水泥混凝土具有良好的抗疲劳性能，作为路面材料是经济可行的。

为了确定橡胶粉的掺加对水泥稳定碎石力学性能的影响规律，通过对掺加不同掺量（1%、1.5%，与水泥稳定碎石的质量比）的80目橡胶粉和未掺加橡胶粉的水泥稳定碎石进行力学性能试验（无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度等），对比分析找出橡胶粉的掺加对水泥稳定碎石力学性能的影响规律。

1　原材料

1.1水泥

水泥是矿渣硅酸盐水泥（32.5），按照（JTGE30-2005）《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》［9］进行试验，其性能指标如表1所示：

表1　水泥的性能

1.2集料

集料粒径分别为26.5、19、16、13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm。按照（JTGE42—2005）《公路工程集料试验规程》［10］进行试验，其性能指标如表2、表3所示。

表2　粗集料性能

集料均采用单档料筛分，水泥稳定碎石混合料的级配为中值合成级配，如表4所示。

表3　细集料性能

表4　水泥稳定碎石的级配

1.3橡胶粉

橡胶粉采用20、30、80目橡胶粒径，其物理性能如表5所示。

表5　橡胶粉性能

2　试验设计

由于橡胶粉粒径较小，故将橡胶粉按照一定的比例掺加到合成集料中。橡胶粉的掺量按公式（1）计算：

橡胶粉的掺量取1%和1.5%。水泥用量取5%。在相同配合比的条件下，试验分3组，其中1组、2组为掺加橡胶粉，掺量分别取1%、1.5%，第3组为未掺加橡胶粉。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）［11］进行下列试验：（1）无侧限抗压强度试验；（2）劈裂抗拉强度试验；（3）抗压回弹模量试验；（4）冻融试验；（5）干缩试验。

3　力学性能试验与分析

3.1无侧限抗压强度试验

采用静压成型的方法制作试件，在恒温养护室（标准温度下）分别养护7 d、28 d、90 d后进行抗压强度试验［11］。试验结果如表6所示。

表6　无侧限抗压强度的试验结果

掺加橡胶粉的水泥稳定碎石其无侧限抗压强度明显减小，说明在试件受压的过程中，试件内部的橡胶粉容易受压变形，导致实际受力面积变小，承受压力变弱，所以无侧限抗压强度损失率也越大。

3.2劈裂抗拉强度试验

采用静压成型的方法制作圆柱体试件（150 mm× 150 mm），在恒温养护室（标准温度下）养护90 d后进行劈裂抗拉强度试验。用圆柱体试件并沿其直径方向用接近于线压力进行试验，直到破坏，得到的强度为劈裂抗拉强度，试验结果如表7所示。

表7　劈裂抗拉强度的试验结果

掺加橡胶粉后，水泥稳定碎石的90 d劈裂抗拉强度损失率比90 d无侧限抗压强度损失率小。这主要是由于无侧限抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验受力方式不同，无侧限抗压强度的主要影响因素为集料，而劈裂抗拉强度的主要影响因素为水泥和集料之间的粘结力。掺加橡胶粉后，试件的整体性和粘结力受到影响，但两者的影响程度不同。

3.3抗压回弹模量试验

采用静压成型的方法制作圆柱体试件（150 mm× 150 mm），在恒温养护室（标准温度下）分别养护7 d、28 d、90 d后进行抗压回弹模量试验。采用顶面法测试抗压回弹模量。试验结果如表8所示。

表8　抗压回弹模量的试验结果

无机结合料稳定材料的重要特点之一是强度和模量随龄期的增长而不断增长，逐渐有一定的刚性。一般规定水泥稳定类材料设计龄期为 3 个月，所以主要研究橡胶粉掺量与 90 d抗压回弹模量的关系。通过表8可以看出，掺加橡胶粉水泥稳定碎石的抗压回弹模量有所降低，且橡胶粉掺量越小，其下降幅度越小。

3.4冻融试验

半刚性基层材料的冻融循环试验目前尚无统一的试验规程，材料的抗冻性能可通过一定次数的冻融循环作用后的强度下降情况来表征，但这些指标也与冻融方法有关。冻融试验按试件在-20 ℃冰箱中冻 6 h，然后在 20 ℃水浴中融 18 h为一循环，采用90 d龄期试件经5次冻融循环后的无侧限抗压强度R冻与饱水无侧限抗压强度R饱水之比（即冻稳系数 K）来表征材料的抗冻性，如表9所示。

表9　抗冻性能的试验结果

掺加橡胶粉的水泥稳定碎石冻稳系数比未掺加橡胶粉水泥稳定碎石稍大。其主要原因是：一方面橡胶粉密度比细集料小，橡胶粉能更多地填充于水泥稳定碎石集料之间的空隙，减缓或减少了水分的进入，从而提高了其抗冻性能；另一方面橡胶粉占据了集料之间的空隙，空隙中的水分结冰膨胀，首先挤压的是橡胶粉，由于橡胶粉可以产生较大变形，降低了结冰膨胀应力，这样大大减轻了水结冰膨胀对水泥稳定碎石的空隙壁造成的挤压破坏。

3.5干缩试验

将掺加1%掺量、1.5%掺量的80目橡胶粉和未掺加橡胶粉的水泥稳定碎石的干缩性能进行对比，如表10所示。

表10　干缩应变随时间变化趋势

从表10可以看出：

（1）随着时间的增长，未掺加橡胶粉水泥稳定碎石的干缩应变有较大幅度的增长，第7天的累计干缩应变达到158.33。

（2）随着时间的增长，掺加1%和1.5%掺量的橡胶粉水泥稳定碎石的干缩应变并没有较大幅度的增长，7 d的累计干缩应变没有超过40，远远低于未掺加橡胶粉水泥稳定碎石的干缩应变。

表11　干缩系数随时间变化趋势

从表11可以明显看出：

（1）随着时间的增长，未掺加橡胶粉水泥稳定碎石的干缩系数在前期有较大幅度的增长，随后逐渐趋于平缓，第7天干缩系数达到77.83。

（2）随着时间的增长，掺加1%掺量、1.5%掺量的80目橡胶粉水泥稳定碎石的干缩系数并没有较大幅度的增长，7 d的累计干缩应变没有超40，相对于未掺加橡胶粉水泥稳定碎石的干缩系数有明显降低。这主要是橡胶粉具有较大的吸水能力，水泥首先从周围吸收水发生水化反应，然后夺取橡胶粉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蒸发引起的毛细管张力、吸附水和分子间力的作用，从而减小了水泥稳定碎石材料的干缩。

4　结论

通过对掺加橡胶粉水泥稳定碎石力学性能的影响分析，可以得出以下结论：

（1）掺加橡胶粉水泥稳定碎石的无侧限抗压强度、抗压回弹模量和劈裂抗拉强度随着橡胶粉掺量的增加而减小，其中1%的掺量比1.5%的掺量下降幅度小。

（2）掺入1%和1.5%橡胶粉的水泥稳定碎石，其冻稳系数比未掺加橡胶粉水泥稳定碎石大，表明掺橡胶粉的水泥稳定碎石具有良好的抗冻性。

（3）掺加橡胶粉水泥稳定碎石的干缩应变和干缩系数小于未掺加橡胶粉水泥稳定碎石，说明橡胶粉的掺加有利于延缓基层开裂。

［1］沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防［M］.北［1］ 京：人民交通出版社，2001.

［2］李悦，王玲.橡胶集料混凝土研究进展综述［J］.混凝土，［1］ 2006（4）：91-95.

［3］薛凯.橡胶膨胀混凝土的力学性能研究［J］.低温建筑技术，［1］ 2013（12）：4-6.

［4］朱涵.新型弹性混凝土的研究综述［J］.天津建设科技，［1］ 2004 （2）：35-37.

［5］何勇.掺废橡胶颗粒的水泥稳定碎石路用性能的研究［D］.［1］ 南京：南京林业大学，2007.

［6］Neil N. Eldin，Ahmed B. Senouci. Rubber-tire practices as［1］ concrete aggregate［J］. Journal of Material in Civil Engineering，［1］ 1993，5（4）：478-496.

［7］Z. K. Khatib，F. M. Bayomy. Rubberized Portland cement［1］ concrete［J］. Journal of Material in Civil Engineering，1999，［1］ 11（3）： 206-213.

［8］F. Hernandez-Olivares，G. Barluenga, B. Parga-Landa，M. Bollati，［1］ B. Witoszek. Fatigue behaviour of recycled tire rubber-filled［1］ concrete and its implications in the design of rigid pavements［1］ ［J］. Construction and Building Materials，2007，（21）：1918-［1］ 1927.

［9］JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程［S］.

［10］JTGE42—2005公路工程集料试验规程［S］.

［11］JTG E51—2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程［S］.

Mechanical Properties of Rubber Powder Modified Cement Stabilized Macadam

Yang Song, Ji Jie, Sun Pengfei, Zhao Yongshang, Wen Bo
（School of Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China）

In order to analyze the mechanics properties of cement-stabilized macadam affected by rubber powder, the cementstabilized macadam were prepared with 80 mesh rubber powder 1%, 1.5% content and without rubber powder. The test results showed that the unconfined compressive strength, splitting tensile strength and compressive modulus of cement-stabilized macadam decreased by adding rubber powder, but the frost resistance of cement-stabilized macadam improved. The dry shrinkage strain of cement-stabilized macadam declined and it was helpful to delay the cracking of cement-stabilized macadam.

rubber powder; cement-stabilized macadam; mechanical properties; frost resistance; dry shrinkage strain

U414

A

1672-9889（2015）04-0001-04

国家自然科学基金项目（项目编号：51308031）；北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目（项目编号：No.PXM2013-014210-000165）

杨松（1990-），男，山东潍坊人，硕士研究生，主要研究方向为道路工程与道路材料。

（2014-11-17）