橡膠顆粒水泥混凝土與基質(zhì)混凝土路用性能對比分析

王　龍， 范璐璐

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,150090 哈爾濱; 2.深圳市市政工程總公司, 518034 廣東 深圳)

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橡膠顆粒水泥混凝土與基質(zhì)混凝土路用性能對比分析

王龍1， 范璐璐2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,150090 哈爾濱; 2.深圳市市政工程總公司, 518034 廣東 深圳)

摘要:為改善路用水泥混凝土變形能力差、韌性小等傳統(tǒng)缺陷，在混凝土中加入橡膠顆粒形成橡膠顆?；炷?；對橡膠顆粒混凝土與普通混凝土的彎拉模量進(jìn)行對比分析，采用有限元的方法分析兩種混凝土的阻尼變化，采用三點(diǎn)彎曲小梁試驗(yàn)對兩種混凝土的疲勞性能進(jìn)行對比試驗(yàn)，采用車轍試驗(yàn)方法驗(yàn)證橡膠顆粒混凝土的抗剝蝕性能；根據(jù)試驗(yàn)取得的力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用AASHTO的MEPDG2002設(shè)計(jì)方法，預(yù)測兩種混凝土路面在設(shè)計(jì)年限末期的路面破損狀態(tài). 結(jié)果表明：橡膠顆粒水泥混凝土抗折強(qiáng)度下降3%，彎拉模量比普通水泥混凝土降低了12%，阻尼比提高了30%，疲勞壽命有大幅度提高，而且并沒有發(fā)生表面剝蝕現(xiàn)象，橡膠水泥混凝土面板的斷板率與普通混凝土相比降低了30%，路面的平整度好. 橡膠顆粒混凝土路面能克服傳統(tǒng)水泥路面的缺陷，具有優(yōu)良的路用性能.

關(guān)鍵詞:公路；橡膠水泥混凝土；彎拉模量； 減震性能；疲勞性能；表面性能；功能預(yù)測

目前，廢舊輪胎橡膠顆粒水泥混凝土在工業(yè)與民用建筑中的應(yīng)用已取得初步成功，如利用其減震和隔音功能在抗震基礎(chǔ)、鐵路枕木和隔音墻上已廣泛應(yīng)用，但在其在路面中的應(yīng)用還處于研究階段，研究表明廢舊輪胎橡膠具有良好的變形性能，在水泥混凝土中摻入橡膠顆粒材料具有以下意義：從工程應(yīng)用角度來講，橡膠顆粒的摻入有助于改善水泥混凝土路面板變形小的缺點(diǎn)，提升其吸能減震性能、吸聲隔熱性能、抗沖擊性能和抗裂性能[1]；從經(jīng)濟(jì)角度講，大力修建橡膠顆粒水泥混凝土路面，打破目前高成本瀝青路面壟斷局面，可以帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2]；從環(huán)保角度講，橡膠顆粒水泥混凝土的推廣能夠處理大量的廢舊輪胎，促進(jìn)廢舊輪胎資源的有效利用，遏制廢舊輪胎對土地的占用和對環(huán)境的污染，具有良好的環(huán)保前景[3]. 橡膠顆粒水泥混凝土的路用性能直接關(guān)系其在公路方面的推廣，因此本文針對橡膠顆粒混凝土的抗彎拉性能、行車減震性能、抗疲勞性能和表面功能進(jìn)行了系統(tǒng)研究[4]，可為橡膠顆?；炷猎谒嗷炷谅访嬷械膽?yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo).

1橡膠顆粒水泥混凝土配合比

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)果，以橡膠10%等體積代替砂進(jìn)行水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)，橡膠顆?；炷林校?、水、1～3 cm石料、1～2 cm石料、砂、橡膠和減水劑的配合比(質(zhì)量比)為360∶120∶675∶675∶376∶15.5∶5.5. 由于橡膠不發(fā)生水化反應(yīng)，橡膠顆粒的加入相當(dāng)于混合料中細(xì)集料的減少，因此，橡膠顆粒水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需要相對普通水泥混凝土適當(dāng)降低用水量，以滿足拌和物的和易性要求[6].

2膠顆粒與普通水泥混凝土路用性能對比2.1抗折強(qiáng)度

公路路面水泥混凝土材料要求在重交通條件下28 d抗折強(qiáng)度不小于5 MPa[7]，兩種配合比的水泥混凝土養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的抗折強(qiáng)度如表1所示. 由于采用100 mm×100 mm×400 mm試件，抗折強(qiáng)度換算系數(shù)為0.85.

表1　橡膠顆粒混凝土與基質(zhì)混凝土抗折強(qiáng)度對比

由抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，基質(zhì)水泥混凝土的平均抗折強(qiáng)度為5.64 MPa，橡膠顆?；炷恋钠骄拐蹚?qiáng)度為5.49 MPa，兩種配合比的抗折強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求(>5 MPa). 橡膠顆粒水泥混凝土的抗折強(qiáng)度略低于普通水泥混凝土，降低幅度為3%左右，總體看來，兩者強(qiáng)度差距不大，橡膠顆?；炷翝M足重交通條件下的強(qiáng)度要求，可以應(yīng)用于高等級公路路面建設(shè).

2.2彎拉模量

水泥混凝土的彎拉彈性模量試驗(yàn)按照文獻(xiàn)[8]進(jìn)行，試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件. 進(jìn)行5次循環(huán)荷載試驗(yàn)，取第5次循環(huán)的撓度值為準(zhǔn). 混凝土的抗折彈性模量值的計(jì)算公式為

(1)

式中： Eb為混凝土抗折彈性模量值，MPa；P0.5、P0分別為終荷載及初荷載，N；Δ0.5、Δ0分別為對應(yīng)P0.5及P0下的變形，mm；L為支座間距離，L取300 mm；J為試件斷面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，mm4，J=bh3/12；b為試件寬度，mm；h為試件高度，mm.

普通水泥混凝土與橡膠顆粒水泥混凝土彎拉模量對比如表2所示.

表2　普通混凝土與橡膠顆粒水泥混凝土彎拉模量對比

從試驗(yàn)結(jié)果可知，基質(zhì)混凝土的平均彎拉模量為42.1 MPa，橡膠顆粒混凝土平均為37.1 MPa，橡膠顆粒水泥混凝土彎拉模量比基質(zhì)水泥混凝土低5 GPa，降低的幅度為12%，說明其柔韌性在增加[9]，通過對厚度為25 cm橡膠顆粒水泥混凝土路面板計(jì)算可知，模量降低5 GPa相當(dāng)于單位變形下受到的總應(yīng)力降低0.58 MPa，說明橡膠顆粒的加入，能降低水泥混凝土板底的拉應(yīng)力，提高水泥混凝土的抗開裂性能.

2.3減震性能

衡量材料的減振性能的指標(biāo)為阻尼比，材料阻尼產(chǎn)生的主要原因是滑動(dòng)接觸面之間的摩擦、潤滑面的摩擦、空氣或流體摩擦、非完全彈性材料的內(nèi)摩擦等[10]；提高混凝土阻尼比的主要方法是增大混凝土內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的摩擦，改變混凝土的孔隙特征，提高混凝土中粘彈性材料組分的比例等；橡膠是一種粘彈性材料，將橡膠顆粒摻入混凝土中，其填充行為和本身的彈性行為，可改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，有效吸收振動(dòng)能，因此，橡膠集料混凝土具有明顯的能量耗散的功能，因此阻尼比也會(huì)相應(yīng)的提高.

阻尼比的測試有自由衰減法、共振頻率法、半功率法和復(fù)剛度法等[11]. 目前常用自由衰減法測定混凝土的阻尼比，其原理為：當(dāng)用力錘輕擊試件時(shí),試件產(chǎn)生自由振動(dòng),由于有阻尼存在,振幅將隨時(shí)間衰減,最后趨于消失,利用傳感器、放大器、動(dòng)態(tài)信號分析儀等設(shè)備,測量激勵(lì)和響應(yīng),通過分析,求出試件系統(tǒng)的固有頻率、阻尼比等特性[12]. 由于目前低頻拾振器對振動(dòng)的信號采集并不理想，因此利用有限元分析軟件ANASYS已有的阻尼矩陣，模擬在該阻尼矩陣下不同模量的水泥混凝土材料的振動(dòng)衰減情況. 所用模型如圖1所示，試件長、寬、高分別為400、100、50 mm，試件一端固定，在另一端的端點(diǎn)處施加100 N的瞬時(shí)荷載.

圖1　混凝土振動(dòng)衰減曲線測試有限元模型

兩種混凝土的振動(dòng)衰減曲線如圖2所示，自由衰減阻尼比計(jì)算公式為

(2)

式中：A1、A2分別為自由衰減曲線中的兩個(gè)幅值，mm；N為A1和A2之間的振動(dòng)次數(shù).

通過圖2可得出混凝土阻尼比的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由式(2)計(jì)算所得阻尼比如表3所示.

(a)橡膠混凝土

(b) 基質(zhì)混凝土

試件類別A1/mmA2/mmN阻尼比/%基質(zhì)混凝土0.930.28191.0橡膠顆粒混凝土1.110.24181.3

橡膠作為一種彈性材料,在水泥混凝土中填充行為和本身的彈性行為,可有效增加混凝土的變形能力，并且提高了其吸收振動(dòng)能的能力. 摻入10%橡膠的水泥混凝土，彎拉模量相對于普通水泥混凝土降低了12%，阻尼比提高了30%，因此，橡膠混凝土作為路面材料，可大大降低路面板的剛度，減少車輛的行駛噪音，提高車輛行駛的舒適性.

2.4疲勞性能

水泥混凝土面層作為路面結(jié)構(gòu)的主要承重層，常年受到車輛荷載和溫度荷載的反復(fù)作用，因此需要考慮其疲勞性能. 疲勞試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲小梁形式，在MTS材料疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)荷載波形采用正弦波，加載頻率為10 Hz[13]，相當(dāng)于車輛的行駛速度為60 km/h. 為了加速疲勞試驗(yàn)過程，相鄰波形間沒有插入間隙時(shí)間，疲勞試驗(yàn)的低高應(yīng)力比參考汽車最小和最大質(zhì)量比例取值，本試驗(yàn)采用0.8的最高應(yīng)力比.

試驗(yàn)開始時(shí)，首先對試件預(yù)加0.3 kN荷載，以消除因接觸不良造成的誤差；在保持應(yīng)力比相同(0.4、0.6、0.8 3種應(yīng)力比)和應(yīng)力水平相同(5.28、3.96、2.64 MPa)的前提下，進(jìn)行了普通混凝土與橡膠水泥混凝土的疲勞循環(huán)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，疲勞壽命對比見圖3.

表4　基質(zhì)與橡膠顆粒水泥混凝土疲勞性能對比

圖3　普通混凝土與橡膠顆粒水泥混凝土疲勞壽命對比

從圖3可以看出，在相同應(yīng)力比條件下，橡膠顆粒水泥混凝土的疲勞循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通水泥混凝土，隨著應(yīng)力比的提高，橡膠混凝土疲勞壽命提高的幅度增大；在相同的應(yīng)力水平下，兩種混凝土的疲勞曲線具有相似性，不同應(yīng)力水平條件下橡膠混凝土疲勞壽命提高的幅度基本相同. 無論采用相同的應(yīng)力比還是相同的應(yīng)力水平來進(jìn)行測試，橡膠顆粒水泥混凝土的疲勞性能均優(yōu)于普通水泥混凝土.

2.5表面性能

作為水泥混凝土耐久性的路面表層的耐磨特性和抗剝落能力被日益得到重視，路面磨損過程可大致概括如下：磨損首先從混凝土表面的砂漿部分開始，隨著表面砂漿薄層逐漸被磨損掉，粗骨料露出表面，砂漿與粗骨料共同承擔(dān)沖、磨作用；由于粗骨料的耐磨性能比砂漿的好而逐漸突出，而水泥砂漿卻被磨成凹坑，凸出的粗骨料承擔(dān)的沖磨作用加強(qiáng)，而凹缺部分砂漿得以一定程度的緩解，兩者磨損速度趨于穩(wěn)定. 隨著磨損的持續(xù)，混凝土表面凸凹不平使粗骨料難于與砂漿連成一體而很容易以磨粒磨損方式脫離基體而移走，水泥石承受的沖磨作用力增大，磨損加劇，直至下一層粗骨料露出表面，重新達(dá)到新的平衡. 如此反復(fù)進(jìn)行，混凝土不斷被磨損[14].

由于橡膠混凝土路面在攤鋪過程中，部分橡膠會(huì)分布在水泥路面的上表面層，這可能加劇了混凝土的磨損. 為了驗(yàn)證橡膠顆粒的加入對混凝土表面功能的影響，并模擬水泥路面受到車輪反復(fù)荷載的情況，試驗(yàn)采用類似瀝青混合料車轍試驗(yàn)的方法，將長、寬、高分別為300、300、50 mm的水泥混凝土方盤試件放到車轍試驗(yàn)儀上，施加0.7 MPa的荷載，以42 次/min的速度輪碾24 h，試驗(yàn)方法如圖4(a)所示，圖4(b)為輪碾后的狀況. 從整體上看，輪跡帶處的水泥板表面仍然保持良好的狀態(tài). 試驗(yàn)結(jié)束后將試件沿輪跡帶縱向切開，以觀測橡膠在混凝土板中的分布，切面情況如圖4(c)所示.

(a) 輪碾后混凝土試件表面　(b) 輪碾后橡膠混凝土表面

(c) 水泥板沿輪跡帶縱向切面

從圖4(c)看出，少量的橡膠顆粒分布在水泥混凝土的表面，該處由于橡膠與水泥膠體較弱的聯(lián)結(jié)和模量差別較大，在車輪荷載作用下易產(chǎn)生疲勞裂紋，因此認(rèn)為該處是水泥混凝土面板的薄弱點(diǎn). 為驗(yàn)證表面的橡膠顆粒對水泥混凝土板耐磨性影響，觀測橡膠周圍水泥混凝土板表面的情況，從圖4(c)可看出，經(jīng)過長時(shí)間輪碾，橡膠周圍的混凝土并沒有出現(xiàn)預(yù)想的以橡膠顆粒為中心，向四周發(fā)散的微裂縫，通過觀察發(fā)現(xiàn)，在混凝土板的表面，上浮的橡膠顆粒周圍不規(guī)則微裂紋略多于其他地方，但是對混凝土板表面整體影響不大. 因此，認(rèn)為橡膠顆粒的上浮并不是影響水泥混凝土路面耐磨性的主要因素，為了提高橡膠混凝土路面耐磨性，需要嚴(yán)格控制水泥的質(zhì)量和加強(qiáng)施工質(zhì)量管理，同時(shí)為安全起見，橡膠顆粒水泥混凝土作為路面材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)對橡膠顆粒的上浮現(xiàn)象加以控制.

3橡膠混凝土與普通混凝土路面性能預(yù)測對比

使用AASHTO的MEPDG2002道路設(shè)計(jì)指南，對比兩種水泥混凝土路面在設(shè)計(jì)年限內(nèi)的的損壞情況和平整度變化進(jìn)行對比分析.

3.1路面結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)

試驗(yàn)路最大溫度梯度88 ℃/m，累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)為5.0×106次，為重交通道路，水泥混凝土材料抗折強(qiáng)度要求大于5 MPa，路面結(jié)構(gòu)計(jì)算如表5所示. 面層材料參數(shù)如表6所示. AASHTO的氣候模型是基于美國各地氣候數(shù)據(jù)庫設(shè)定的，由于吉林省氣候與美國明尼蘇達(dá)州相似，因此，氣候模型采用明尼蘇達(dá)州數(shù)據(jù)[15].

表5　試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)表

3.2預(yù)測結(jié)果分析

通過輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，MEPDG2002軟件計(jì)算出了兩種水泥混凝土路面在設(shè)計(jì)年限不同時(shí)期平整度、損壞的變化，表7列出了道路建設(shè)初期與達(dá)到設(shè)計(jì)年限時(shí)平整度與開裂損壞的數(shù)值. 繪出兩種混凝土路面在設(shè)計(jì)年限內(nèi)斷板率的變化曲線，如圖5所示.

從分析結(jié)果可知，橡膠混凝土路面達(dá)到設(shè)計(jì)年限時(shí)，其IRI、斷板率、錯(cuò)臺(tái)、累積損傷均小于普通混凝土路面. 但I(xiàn)RI與錯(cuò)臺(tái)的變化不明顯. 通過圖5可以看出，橡膠混凝土路面在使用過程中的斷板率要遠(yuǎn)小于普通混凝土路面，并且橡膠混凝土路面的Bottom-up與Top-down累計(jì)裂縫損傷也小于普通混凝土路面，橡膠水泥混凝土面板的斷板率與普通混凝土相比降低了30%. 因此，在使用的過程中，橡膠混凝土路面具有較好的平整度，并且在荷載與氣候的作用下，橡膠混凝土路面的裂縫、斷板等病害要遠(yuǎn)低于普通混凝土路面.

表6　面層材料性質(zhì)

表7　道路建設(shè)初期與達(dá)到設(shè)計(jì)年限時(shí)平整度與開裂損壞

圖5　兩種混凝土路面在不同使用年限下斷板率對比

4結(jié)論

1)橡膠顆粒水泥混凝土較基質(zhì)混凝土相比，抗折強(qiáng)度下降3%，彎拉模量下降12%，但其抗折強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范重載交通的要求，其抗疲勞性能要優(yōu)于基質(zhì)水泥混凝，處于混凝土表面的橡膠顆粒沒有影響混凝土路面的表面功能.

2)通過有限元對兩種混凝土振動(dòng)衰減曲線模擬可以看出，橡膠顆粒的阻尼比與基質(zhì)混凝土相比提高了30%，說明橡膠混凝土路面相對普通混凝土路面具有一定的抗振、減噪功能,提高了行車的舒適性.

3)橡膠混凝土路面達(dá)到設(shè)計(jì)年限時(shí)，其斷板率、裂縫累積損傷均遠(yuǎn)低于普通混凝土路面，橡膠混凝土路面具有較好的使用性能.

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(編輯魏希柱)

Analysis of road performance between rub-concrete and general concrete materials

WANG Long1, FAN Lulu2

(1.School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, 150090 Harbin, China;2.Shenzhen Municipal Engineering Corporation, 518034 Shenzhen, Guangdong, China)

Abstract:In order to improve road cement concrete deformation and small toughness traditional defects, rubber grain was mixed into concrete to form the rubber particles concrete; flexural modulus of rubber particles of concrete and ordinary concrete was comparative studied, two kinds of concrete damping change was analyzed by using the finite element, through three point concrete trabecular bending test, the fatigue properties were comparative researched , the rutting test methods were used in proving the rubber particles of concrete of erosion performance. According to the mechanical parameters of acquired in experiments, adopted the MEPDG 2002 design method, the road surface damage states were fore-casted of the two kinds of concrete pavement in the end period of design. Study results show that rubber particles cement concrete flexural modulus reduced by 12% than that of ordinary cement concrete, the damping ratio increased by 30%, the fatigue life have greatly improved, and surface erosion phenomenon did not happen, the rubber cement concrete slabs breakage was lower 30% than ordinary concrete. Therefore, the rubber particles concrete slabs can overcome the traditional defects of cement concrete pavement and with has excellent road performance.

Keywords:highway; rubber cement concrete; flexural modulus; damping performance; fatigue performance; surface properties; performance prediction

中圖分類號:U416

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)03-0077-05

通信作者:王龍, hitwwll@sina.com.

作者簡介:王龍(1968—),男，博士，副教授.

收稿日期:2014-08-23.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.013