橡膠粉改性水泥穩(wěn)定碎石性能研究

路 鑫，梁武星

(西安公路研究院)

橡膠粉改性水泥穩(wěn)定碎石性能研究

路 鑫，梁武星

(西安公路研究院)

針對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層抗變形能力不足和水穩(wěn)定性較差的的缺點(diǎn)，對(duì)橡膠粉改性水泥穩(wěn)定碎石的原理和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。分析結(jié)果表明，橡膠粉的加入可以大大提高半剛性材料的抗變形能力和水穩(wěn)定性，同時(shí)并不會(huì)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度造成較大的影響，其具有廣泛的應(yīng)用前景，應(yīng)該進(jìn)行大力推廣。

道路工程;橡膠粉;水泥穩(wěn)定碎石

1 前言

在我國(guó)近幾十年的公路建設(shè)中，半剛性基層瀝青路面成為了我國(guó)高等級(jí)公路修筑的主要路面結(jié)構(gòu)形式，其中半剛性基層的板體性、高強(qiáng)度和施工便易性得到了業(yè)界的認(rèn)可;但是多年的使用經(jīng)驗(yàn)表明，半剛性基層也存在抗變形能力差、材料收縮嚴(yán)重、耐久性不足、抗水損害能力較差等問題。同時(shí)，在對(duì)半剛性基層瀝青路面的病害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有半剛性基層引起的病害達(dá)到36%左右。這說明半剛性基層雖然隱藏于面層之下，但是作為路面結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它卻是引起路面病害的主要因素之一，因此從減少路面病害，提高路面性能角度出發(fā)，半剛性基層性能的優(yōu)化刻不容緩，而橡膠粉的出現(xiàn)為我們解決半剛性基層病害提供了新的思路。橡膠粉是橡膠粉末的簡(jiǎn)稱，由廢舊輪胎加工而成，來源廣泛且環(huán)保，它具有高粘彈性，變形能力強(qiáng)，耐久性較好，同時(shí)含有一定量的纖維，能夠有限抑制材料的收縮變形。因此，擬從具有廣闊應(yīng)用前景的橡膠粉改性劑入手，來研究橡膠粉和半剛性基層材料的作用原理和力學(xué)性能，以為其在工程應(yīng)用上的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 橡膠粉改性原理分析

橡膠粉可根據(jù)粒徑大小分為粗膠粉(顆粒粒徑大于0.425 mm(40目)以上)、細(xì)膠粉(顆粒粒徑在 0.425～0.180 mm(40～80目)之間的)和微細(xì)膠粉(顆粒粒徑在0.180～0.075 mm(80～200目))之間的，這三種粒徑的橡膠粉剛好與礦物集料中0.6～1.18 mm檔、0.15～0.6 mm檔和0.075～0.15 mm檔相近，因此就可以通過橡膠粉的摻入來改善水泥穩(wěn)定碎石的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。

2.1 抗變形能力的改善分析

由于橡膠粉的粒徑較小，所以它的加入對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的宏觀結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生很大影響。由于橡膠粉顆粒比較細(xì)小，所以可以均勻地分布在混合料當(dāng)中。在荷載作用下，橡膠粉可以部分地吸收基層材料壓應(yīng)力或者拉應(yīng)力(如圖1所示)，從而可以起到降低材料脆性，延緩結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的目的。這一部分應(yīng)力會(huì)相應(yīng)的由粗集料來承擔(dān)，不會(huì)對(duì)基層的整體強(qiáng)度產(chǎn)生太大的影響。

圖1 荷載作用下的水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)力分布示意圖

同時(shí)，由于橡膠粉本身的密度較小(約0.6 g/m3)，在拌和均勻之后基本不會(huì)發(fā)生離析，所以它就可以起到比細(xì)集料更好的填充效果，最大程度減小基層材料的變異性，同時(shí)也就可以更好地改善材料的抗變形能力。

2.2 水穩(wěn)定性的改善分析

由于橡膠粉來源于廢舊輪胎，所以它也具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的耐久性，這就說明它可以抵抗各種酸堿的侵蝕，具有優(yōu)良的水穩(wěn)定性。所以橡膠粉的加入減少混合料的浸水面積，大大減少基層整體的吸水率。同時(shí)由于橡膠粉良好的填充空隙作用和低吸水率，不僅可以阻擋水分進(jìn)入混合料的細(xì)微空隙，還能夠降低混合料的最佳含水率。使基層水穩(wěn)定性得到提高的同時(shí)，降低基層的收縮。

3 橡膠粉改性室內(nèi)試驗(yàn)研究

3.1 材料準(zhǔn)備

原材料主要包括水泥、礦物石料和橡膠粉。為了使本次試驗(yàn)具有一定的代表性，試驗(yàn)對(duì)材料的要求均以規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，具體如下:

水泥:采用陜西秦嶺公司生產(chǎn)的耀縣牌P·O32.5水泥，其他指標(biāo)均滿足要求;

石料:來自陜西涇陽(yáng)縣某石料廠，石料最大粒徑為31.5 mm，壓碎值為18.2%，密度為2730 kg/m3，液塑限指數(shù)和針片狀含量等均可以滿足要求;

橡膠粉:采用陜西省岐山縣西岐膠粉廠生產(chǎn)的纖維橡膠粉，粒徑為40目，化學(xué)成分見表1。

表1 橡膠粉化學(xué)成分組成

從之前關(guān)于橡膠粉的研究可知，雖然橡膠粉的摻入可以有效地改善水泥穩(wěn)定砂礫的性能，但是加多了的橡膠粉也將會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度和剛度的大幅度下降。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，橡膠粉的摻量應(yīng)該嚴(yán)格控制在0.5%～1.5%之間，因此為了減少試驗(yàn)量，取橡膠粉的摻量為1.0%。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了進(jìn)行試驗(yàn)效果對(duì)比，本研究采用兩組實(shí)驗(yàn)，A組為不加橡膠粉，B組為摻加1.0%的橡膠粉。石料級(jí)配采用規(guī)范推薦的骨架密實(shí)型級(jí)配中值，水泥劑量為4.5%，采用規(guī)范規(guī)定的重型擊實(shí)法得到的擊實(shí)結(jié)果如表2所示。

表2 重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

從擊實(shí)結(jié)果可以看出，橡膠粉的摻加對(duì)混合料的擊實(shí)參數(shù)并沒有明顯的影響，這說明它更多地起到了填充混合料空隙的作用。隨著進(jìn)行的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(參照組:3.95 MPa;試驗(yàn)組:3.79 MPa)也表明，橡膠粉的摻入對(duì)基層強(qiáng)度并沒有明顯的影響，這也進(jìn)一步說明了，其作用主要是填充材料中的空隙，并不會(huì)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

(1)抗彎拉彈性模量

對(duì)不同養(yǎng)生齡期的梁試件進(jìn)行抗彎拉彈性模量試驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 水泥穩(wěn)定碎石抗彎拉模量隨養(yǎng)生齡期增長(zhǎng)的變化曲線

從圖2可以看出，橡膠粉的加入可以明顯地降低材料的抗彎拉模量，從而改善其抗變形能力。當(dāng)養(yǎng)生齡期小于28 d時(shí)，抗彎拉模量降低幅度有限，這主要是因?yàn)榛鶎拥膹?qiáng)度還沒有完全形成，橡膠粉的“增韌”作用就沒法體現(xiàn)出來;隨著養(yǎng)生齡期的增加，模量有了明顯的降幅，90 d時(shí)降低了9.4%，這說明水泥穩(wěn)定碎石基層的抗變形性能已經(jīng)得到了較大的改善。

(2)吸水試驗(yàn)

水穩(wěn)定性一直是基層設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，水分的浸入會(huì)侵蝕材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，影響其耐久性。所以為了避免基層發(fā)生水損害，應(yīng)該盡量避免水分浸入基層內(nèi)部或者盡快排出基層內(nèi)部的水分。本研究通過飽水試驗(yàn)來驗(yàn)證橡膠粉降低基層吸水性的效果。

首先稱取養(yǎng)生7 d的試件質(zhì)量，然后飽水2 min，然后取出后稱取3 s內(nèi)不再滴水的試件質(zhì)量;然后再飽水2 min，取出后稱取3 s內(nèi)不再滴水的試件質(zhì)量;以此類推，直至質(zhì)量沒有明顯增加時(shí)結(jié)束。最終得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 水泥穩(wěn)定試件吸水量隨浸水時(shí)間增長(zhǎng)的曲線

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，因?yàn)樵嚰陴B(yǎng)生過程中比較干燥的，所以前期吸水較多，兩組試件并沒有明顯的差別;但是隨著浸水時(shí)間的增加，沒有摻加橡膠粉的A組試件的吸水量呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)浸水8 min之后才逐漸趨于平穩(wěn)，而B組的吸水量并沒有明顯的增加，最終B組的吸水量要比A組的含水量少1%左右，其對(duì)基層材料的抗水損害和抗凍融性能的提高將具有很大的影響。這主要是因?yàn)橄鹉z粉的摻入有效地堵塞了材料的空隙，同時(shí)其本身吸水量有很小，所以可以明顯地減少水分進(jìn)入基層內(nèi)部，使基層材料的耐久性得到大大提高，這就包括材料的水穩(wěn)定性。

4 小結(jié)

(1)通過原理分析，橡膠粉不僅可以改善水泥穩(wěn)定碎石的收縮性能，還可以提高材料的抗變形能力，降低材料的吸水性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

(2)抗彎拉模量的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著養(yǎng)生齡期的增長(zhǎng)，橡膠粉的“增韌”作用具有明顯的增長(zhǎng)，90 d齡期的模量比不摻加橡膠粉的可以降低9.4%作用，這將使基層的抗變形能力得到有效的提高，延長(zhǎng)其使用壽命。

(3)橡膠粉的加入還可以減少基層材料的吸水性，使進(jìn)入基層的水分快速排出，從降低基層材料發(fā)生水損害的幾率，大大提高基層的耐久性。

綜上所述，橡膠粉的摻加可以明顯地改善基層的路用性能，具有很好的應(yīng)用前景，應(yīng)該進(jìn)行積極推廣。

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Modified Performance Research of cement－stabilized Macadam by Rubber Powder

LU Xin，LIANG Wu－Xing
(Xian highway research institute)

This paper studied the modified principle and mechanical properties of cement－stabilized macadam by rubber powder for its anti－deformation ability insufficiency and weak moisture susceptibility.The analysis results shows that the addition of rubber powder can greatly improve the semi－rigid material deformation resistance and water stability，and not to harm the strength of cement stabilized macadam.So it has great application and should be vigorously promoted.

road engineering;rubber powder;cement－stabilized Macadam

U416.1

C

1008－3383(2015)10－0003－02

2015－02－03

路鑫(1985－)，男，陜西咸陽(yáng)人，工程師，研究方向:道路橋梁與渡河工程(公路工程)，道路與鐵道工程(路面工程)。