橡膠水泥穩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，減少道路建設成本，因此被我國大部分道路所采用。同時，水泥穩定碎石基層具有初期強度較高且可以快速結成板體、整體強度較高、抗滲性和水穩性好、原材料來源廣、成本低等優點，已成為我國等級公路建設中最廣泛的半剛性基層形式[2]。但水泥穩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力的進一步作用下，誘導裂縫反射致使面層開裂，產生道路的早期破壞，使得大多數道路無法達到設計的使用壽命。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，國內外學者主要從優化級配、摻入外加劑、預裂縫等方面進行研究。在級配優化方面，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，干縮系數對水泥劑量的變化較為敏感，干縮系數和溫縮系數均隨水泥劑量的增加而增大。在摻入外加劑方面，Siripun K 等[7]通過室內試驗證明在水泥穩定碎石中摻入纖維可以減少裂縫的產生。付春梅等[8]通過試驗證明了水泥穩定碎石抗壓強度隨著纖維摻量的增加呈現先增大后減小的趨勢，纖維的摻量存在一個最佳摻量；國內外的學者還圍繞減水劑、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。在預裂縫方面，國外有研究人員最早發現人造微細裂縫網可以較好地釋放收縮應力，避免寬裂縫的產生。圍繞橡膠粉在道路中的應用，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定粒料中，對混合料的力學性能和收縮性能進行了研究。

目前關于橡膠添加劑對水泥穩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定碎石基層抗裂性能的影響，以為相關研究和應用提供參考借鑒。

2 原材料及配合比

2.1 原材料

橡膠粉水泥穩定碎石是由橡膠粉、集料及水泥組成，原材料的質量是保障工程質量的關鍵，需要按照《公路路面基礎施工技術細則》（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破碎制得，按照橡膠粉目數分為四種：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，其中石屑產于山東濟南，粗骨料產于山東泰安，按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）對原材料主要技術指標進行檢測，檢測結果見表3和表4。

表3 集料的級配

表4 檢測結果

2.2 配合比設計

依照現行的《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）中規定的級配范圍，水泥穩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《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，按照規范規定的養生條件進行養生，在達到規定要求的養護齡期后，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%（質量分數），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護時間的變化圖

圖2 橡膠粉不同摻量下抗折強度隨養護時間的變化圖

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生不良影響。

4 橡膠粉對水泥穩定碎石力學性能的影響分析

按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）規定的試驗方法，確定水泥穩定碎石的最大干密度及最佳含水率；設定5 種水泥劑量（3%、4%、5%、6%、7%），測定其7d 無側限抗壓強度，試驗結果見表6；按照《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）的規定，確定其最佳水泥用量為5%。

表6 不同水泥劑量的水泥穩定碎石7d無側限抗壓強度

4.1 無側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《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)的規定，進行水泥穩定碎石試件的成型和養生，試件達到齡期后，開展無側限抗壓強度試驗，試驗結果見表7和圖3。

表7 無側限抗壓強度試驗結果

圖3 不同橡膠粉摻量下的無側限抗壓強度變化圖

由表7 和圖3 分析可知，在7d、28d 標準養護條件下，隨著橡膠粉摻量增加，水泥穩定碎石混合料無側限抗壓強度逐漸降低，即摻加橡膠粉后將會降低水泥穩定碎石混合料的強度。這主要是由于橡膠粉與水泥穩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生物理化學反應，膠粉顆粒獨立存在于材料內部，在外部荷載作用下，應力從水穩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，兩者的變形協調能力不同，因此容易發生因應變過大導致的材料發生破壞，產生微裂縫，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《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)的規定進行試件的成型和養生，分別檢測養生7d、14d、28d、35d 和42d 的干縮系數，分析橡膠粉對水泥穩定碎石混合料干縮性能的影響，檢測結果見表8和圖4。

表8 水泥穩定碎石干縮系數檢測結果

圖4 不同橡膠粉摻量下不同養生時間變化圖

由表8和圖4可知，水泥穩定碎石混合料中加入橡膠粉后，隨著橡膠粉摻量的增多，水泥穩定碎石混合料的干縮系數不斷降低。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，從而減小了水泥穩定碎石混合料的干縮系數。研究結果表明，橡膠粉的摻加能夠有效減緩水泥穩定碎石基層干縮裂縫的產生。

5 結語

通過在水泥膠砂和水泥穩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、無側限抗壓強度和干縮試驗，可以得到如下結論：

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定碎石的強度。

③摻加橡膠粉后，水泥穩定碎石的干縮系數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定碎石基層干縮裂縫的發生。

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