橡膠粉對水泥穩(wěn)定級配碎石力學性能與變形特性的影響

尹萬杰

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司 武漢 430010)

0 引 言

目前廣泛使用的半剛性基層普遍存在溫縮、干縮和模量過大的問題[1-3]，水泥穩(wěn)定碎石固有的溫縮、干縮特性誘發(fā)了瀝青路面在服役期間產生反射裂縫病害，在車輛動荷載和雨水、溫度等環(huán)境因素綜合作用下，反射裂縫病害加速了路面損壞、降低了路面耐久性[4-7].模量高的半剛性基層易使路面結構瀝青混凝土層內出現大的剪應力、壓應力和壓應變，由此導致瀝青層較易出現剪切失穩(wěn)破壞，基層與土基模量比較大，導致二者變形不協調，不利于基層層底受力，基層與土基模量比越大，基層的層底拉應力越大，也更易于產生應力集中現象，基層模量過大嚴重降低了瀝青路面的使用壽命[8-9].如何在保證水泥穩(wěn)定級配碎石強度的基礎上，通過一定技術措施改善其抗裂性能、變形特性(抗溫縮性能、抗彎拉性能)，實現半剛性基層剛度與土基和瀝青混凝土面層相協調，對改善瀝青路面結構受力體系和提高瀝青路面耐久性都至關重要.

將磨細的廢舊輪胎膠粉應用于瀝青混凝土和水泥混凝土成為近年來一直備受國內外關注的課題[10-13].已有研究較少涉及橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石力學性能與變形特性方面研究，缺少橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料工程實踐總結，橡膠粉-水泥穩(wěn)定碎石能否應用于高速公路基層仍存在疑慮.文中將0～4.75mm橡膠粉等質量替代集料，研究摻加1%～4%橡膠粉對水泥穩(wěn)定級配碎石混合料力學性能、路用性能和疲勞性能的影響規(guī)律，推薦了水泥穩(wěn)定級配碎石合理的橡膠粉摻量，在確保水泥穩(wěn)定碎石足夠強度的前提下，實現水泥穩(wěn)定碎石彎曲強度和疲勞性能顯著增大、模量可調節(jié)設計的功能.

1 試驗原材料與方案

G10(5～10 mm)、G8(10～20 mm)、G4(15～25 mm)三檔粗集料采用花崗巖礫石加工成的碎石.XG1(3～5mm)、XG2(0～3 mm)兩檔細集料采用花崗巖礫石破碎而成級配礫石，粗細集料級配規(guī)格符合JTG/T F20—2015要求，集料主要技術指標見表2.選擇高速公路常用骨架密實型(C-B-3)級配類型，試驗級配見表3.

表1 PS42.5水泥主要技術指標

表2 集料主要技術指標與要求

表3 水泥穩(wěn)定級配碎石級配范圍

目前公路行業(yè)采用的橡膠粉一般為貨車輪胎胎面膠粉，小汽車輪胎較少應用于路面結構基層與面層.考慮到橡膠粉對水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的增強、增韌作用，并不會發(fā)生類似溶脹、脫硫等反應，只是利用了橡膠粉的柔韌性和模量小的特性[14-15].此外，小汽車輪胎膠粉的材料單價僅為貨車輪胎膠粉的1/3，將小汽車輪胎膠粉應用到水泥穩(wěn)定級配碎石基層有較好的經濟性優(yōu)勢.本文采用4.75～0.075 mm粗加工小汽車胎面膠粉，膠粉性能見表4.將橡膠粉過0～4.75 mm方孔篩，并參與水泥穩(wěn)定級配碎石混合料礦料級配，橡膠粉等質量替代2.36～4.75 mm細集料.

表4 橡膠粉物理技術性能

1.2 試驗方案與方法

試驗研究橡膠粉摻量為水泥穩(wěn)定級配碎石礦料質量的1%～5%.在最佳含水率條件下制備橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料并進行性能測試.試件制備與試驗方法與條件如下：

1) 試件制備 在混合料拌和過程中，先將橡膠粉與集料一起干拌90 s，加水后繼續(xù)濕拌60 s，即可完成制備橡膠粉水泥穩(wěn)定級配碎石混合料制備.在最佳含水量條件下采用振動成型方法制備橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石混合料試件.振動壓實選用面壓力0.15 MPa，激振力約7 kN，振動頻率30 Hz，振幅1.5 mm.

2) 力學性能試驗 按照JTG /T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》、JTG D50—2017《公路路面設計規(guī)范》、JTG E51—2009《無機結合料穩(wěn)定類材料試驗規(guī)程》要求的力學性能控制指標評價橡膠粉水泥穩(wěn)定級配碎石混合料力學性能.單軸壓縮模量試驗方法按照JTG D50—2017規(guī)范附錄E進行.

3) 水穩(wěn)定性能試驗 試驗按照T0860—2009進行，采用直徑×高=150 mm×150 mm試件，養(yǎng)生齡期28 d，動水沖刷試驗壓力為±0.5 MPa、沖刷頻率為10 Hz、沖刷時間30 min.

4) 變形特性試驗 溫縮變形、干縮變形試驗方法按照T0854—2009、T0855—2009進行.按照T0806—2009、T0851—2009試驗方法進行劈裂試驗、彎拉強度試驗，并測試加載過程中荷載-位移曲線，計算劈裂破壞應變、彎拉破壞應.

5) 疲勞性能 選用0.5、0.6、0.7、0.8共4個應力強度比，施加頻率為10 Hz的連續(xù)Havesine波，試驗按照T0856—2009進行.

2 試驗結果與分析

2.1 橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料力學性能試驗結果

2.1.1最佳含水量與最大干密度

振動壓實試驗結果見表5.

表5 水泥穩(wěn)定級配碎石最佳含水率與最大干密度試驗結果

由表5可知：橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的最佳含水率和最大干密度均隨水泥摻量增大而增大，隨橡膠粉摻量增大而減小，這主要是水泥的比表面積和相對密度大，而橡膠粉相對密度小，并且橡膠粉呈現出憎水性，橡膠粉部分替代細集料后導致最大干密度和最佳含水率減小.根據水泥穩(wěn)定級配碎石的干縮開裂機理，用水量的減少勢必會降低水泥穩(wěn)定級配碎石基層在服役期間的因濕度降低而產生的干燥收縮形反射裂縫.

2.1.2無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度試驗結果見圖1.

圖1 不同水泥與橡膠粉摻量水泥穩(wěn)定級配碎石混合料7 d無側限抗壓強度

由圖1可知：橡膠水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的7 d無側限抗壓強度隨著橡膠粉摻量的增大而線性關系減小，這主要是橡膠粉的物理性狀與集料差異較大，軟彈性、惰性、憎水性橡膠粉顆粒與水泥水化產物的黏附性較差，降低了水泥砂漿內部的黏結強度、降低了集料與水泥砂漿接觸界面的黏附強度，并且在承受荷載時，橡膠粉與集料的變形差異大，影響水泥穩(wěn)定碎石混合料的整體性和承受荷載的均勻性.另外，橡膠粉的密度小，整體呈均勻球狀顆粒的橡膠粉等質量替代集料時，橡膠粉顆粒的體積和數量遠大于等質量的碎石細集料，橡膠粉顆粒對水泥穩(wěn)定級配碎石的礦料級配產生干涉作用，導致水泥砂漿不能飽和填充粗集料形成的骨架空隙，并且過多的橡膠粉因分散不均勻而產生聚集、團聚現象，更容易形成軟弱結構面.

2.1.2彎拉強度試驗

彎拉強度試驗結果見圖2.

圖2 不同水泥與橡膠粉摻量水泥穩(wěn)定級配碎石混合料彎拉強度

由圖2可知：以JTG D50—2017規(guī)范推薦的彎拉強度1.5～2.0 MPa為約束條件，在3.5%低劑量水泥摻量時，橡膠粉摻量不宜大于1.0%，在4.5%、5.5%水泥劑量時，所有橡膠粉水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的彎拉強度均滿足1.5～2.0 MPa規(guī)范要求，摻加橡膠粉并未顯著降低水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的彎拉強度，這主要是，橡膠粉的模量低、軟彈性變形量大，在承受彎拉荷載時具有足夠大的彈性變形量，摻加橡膠粉增加了彎拉受荷試件的彈性變形量、增大了試件破壞時的跨中擾度，這一定程度上有利于提高彎拉強度，但是惰性橡膠粉對水泥穩(wěn)定級配碎石混合料界面黏結強度和黏附強度的劣化影響，使得軟弱接觸界面處易過早出現破壞裂紋，導致彎拉強度不增反減.

2.1.3動態(tài)壓縮模量試驗

動態(tài)壓縮模量試驗結果見圖3.

圖3 橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料動態(tài)壓縮模量試驗結果

由圖3可知：橡膠粉水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的動態(tài)壓縮模量隨著橡膠粉摻量增大呈二次函數關系減小，4%橡膠粉摻量時，橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石動態(tài)壓縮模量約為普通水泥穩(wěn)定級配碎的50%，表明摻加橡膠粉能實現水泥穩(wěn)定級配碎石增柔、模量可調控的功能，分析其原因，橡膠粉的彈性模量為3～5 MPa，而集料、水泥砂漿的模量為20～30 GPa，橡膠粉等質量替代2.36～4.75 mm細集料后，橡膠粉顆粒因自身密度小，其數量、體積遠大于等質量碎石，水泥穩(wěn)定級配碎石的模量主要取決于各組分模量和體積，因此柔性橡膠粉替代集料后，橡膠粉摻量越大，水泥穩(wěn)定級配碎石的動態(tài)壓縮模量降低幅度越明顯.此外，水泥穩(wěn)定級配碎的模量與其力學強度密切相關，惰性橡膠粉等質量替代橡膠粉后，使得骨料與水泥砂漿接觸界面、水泥砂漿內部接觸界面和過渡區(qū)黏結強度與黏附強度降低，加之柔性橡膠粉顆粒與剛性集料變形不協調，容易在橡膠粉聚集區(qū)產生開裂破壞，橡膠粉自身優(yōu)異的柔性和彈性恢復性能導致回彈壓縮過程中的彈性變形比例增大，動態(tài)壓縮模量降低.

2.1.4動水沖刷試驗

動水沖刷試驗結果見圖4.

圖4 橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料動水沖刷試驗結果

由圖4可知：在4%橡膠粉摻量以內，動水沖刷質量損失隨橡膠粉摻量增大而緩慢增大，當橡膠粉摻量由4%增大至5%過程中，水泥穩(wěn)定碎石的動水沖刷質量速率顯著增大，結合不同橡膠粉摻量下水泥穩(wěn)定碎石動水沖刷質量損失變化趨勢，以及對半剛性基層動水沖刷質量損失不超過50g要求，在3.5%、4.5%、5.5%水泥摻量下，最大橡膠粉摻量分別為3%、4%、4%.橡膠粉對水泥穩(wěn)定碎石抗動水沖刷性能的影響，主要是惰性橡膠粉降低了水泥砂漿的黏結強度，并且由于橡膠粉的憎水性，導致集料與橡膠粉接觸界面水膜厚度增大，水泥砂漿與集料形成疏松過渡區(qū)，在動水沖刷條件下更易導致細集料顆粒脫離.

2.2 橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料變形特性試驗結果

2.2.1溫縮試驗

溫度收縮變形是水泥穩(wěn)定級配碎石內部不同材料對溫度梯度的敏感性所致，在溫度梯度產生的內部應力作用下，固體(碎石、水泥水化膠凝礦物材料及各種晶體、非晶體)、空氣、水等多相材料熱脹冷縮相互作用的綜合效應.溫縮試驗結果見表6.

由表6可知:在0%～4%橡膠粉摻量范圍內，隨著橡膠粉摻量增大，各溫度區(qū)間內的溫縮系數均明顯降低，在-30～-15、-15～0、0～15、15～35、35～50、50～65 ℃溫度區(qū)間內，4%橡膠粉-水泥溫度級配碎石的溫縮系數比普通水泥穩(wěn)定碎石分別減小了44%、46.2%、46.5%、42.6%、44.1%、43.6%，橡膠粉由4%增大至5%，橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的溫縮系數降低幅度趨于平緩，根據不同溫度區(qū)間內溫縮系數隨橡膠粉摻量的變化趨勢，適宜的橡膠粉摻量為4%.

表6 橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料溫縮試驗結果

2.2.2極限拉應變

采用直徑×高為100 mm×100 mm圓柱體試件測試橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的劈裂破壞應變，采用150 mm×150 mm×550 mm梁式試件測試橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的彎曲應變.試驗結果見表7.

表7 橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料極限拉應變試驗結果

由表7可知:隨著橡膠粉摻量的增大，橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的劈裂破壞應變和彎拉破壞應變均呈先增大后減小趨勢，摻加橡膠粉顯著提高了水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的劈裂破壞應變與彎拉破壞應變，并在橡膠粉摻量為4%時，橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的劈裂破壞應變、彎拉破壞應變達到最大值.這主要是，橡膠粉的應力吸收作用增加了水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的柔韌性，增大了試件破壞時的跨中擾度，軟彈性橡膠粉顆粒，能夠有效釋放荷載應力，同時橡膠顆粒因具有良好的柔性，能夠有效緩解加載時試件底部的應力集中現象.

2.3 橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料疲勞性能試驗結果

間接拉伸疲勞試驗結果見圖5～6.

圖5 不同應力強度比疲勞壽命變化趨勢

由圖5可知，隨著橡膠粉摻量的增大，橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的疲勞壽命隨橡膠粉摻量增大呈先增大后減小趨勢.在橡膠粉摻量為3%時，各應力強度比(R/S)下的疲勞壽命達到最大值.0.5、0.7、0.8、0.9應力強度比條件下，3%橡膠粉-水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命分別為普通水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的1.69、2.39、1.95、2.09倍.

由圖6可知，在3%橡膠粉摻量下，橡膠粉-水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞性能最優(yōu)，同時疲勞壽命對應力水平的敏感性最低.分析其原因，橡膠粉顆粒的模量小、撓曲和彎曲變形大、柔韌性高，均勻分散在水泥穩(wěn)定碎石內部的橡膠粉增大了水泥穩(wěn)定碎石的抗變形能力，降低了水泥穩(wěn)定碎石的剛性，柔性橡膠粉在礦料與水泥砂漿之間起到了緩沖荷載和應力吸收作用，因此有助于提高水泥穩(wěn)定碎石抵抗重復荷載和自愈合的能力，此外，橡膠粉數量巨大，能夠有效增加破壞裂紋的擴散路徑，從而阻礙疲勞破壞裂紋的發(fā)展，增加抗破壞應變能.當橡膠粉摻量達到5%后，疲勞壽命降低，可能是過多的橡膠粉因分散不均勻而產生團聚現象，從而形成軟弱結構面，導致疲勞壽命不增反減.

圖6 疲勞壽命方程擬合曲線

3 實體工程應用

實體工程設計采用C-B-3型級配，橡膠粉等質量替代3%細集料，同時控制0.075 mm填料含量為2%.壓實過程中未見反彈等難以壓實現象，壓實后檢驗壓實度達到了99.1%～99.7%(相對振動壓實標準密度)，壓實后芯樣壓實度符合規(guī)范要求.土工布遮蓋保濕養(yǎng)生7 d后，鉆芯完整、芯樣側壁集料分布均勻、無離析.實測基層、底基層橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的7 d無側限抗壓強度代表值5.7、4.9 MPa，滿足《細則》要求.試驗段服役2年后未見明顯開裂病害，服役3年后，鉆芯實測橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料無側限抗壓強度代表值12.7 MPa.實測路表彎沉15.7(0.01 mm)，承載能力為優(yōu).試驗段內橫向裂縫寬度均小于0.3 mm，裂縫間距約250～300 m/條，無縱向裂縫.相鄰路段普通水泥穩(wěn)定級配碎石基層在服役1年后最早出現反射裂縫，服役3年后橫向裂縫間距約80～100 m/條.

從試驗段檢測結果可以看出，橡膠粉-水泥穩(wěn)定級配碎石混合料施工性能和力學性能優(yōu)良，摻加橡膠粉能提高水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的抗裂性能，對防止瀝青路面早發(fā)性半剛性基層反射裂縫有著積極的意義.

4 結 論

1) 摻加橡膠粉降低了水泥穩(wěn)定碎石的無側限抗壓強度、彎拉強度與抗動水沖刷性能.在4.5%、5.5%水泥用量下，1%～4%橡膠粉-水泥穩(wěn)定碎石可以滿足《細則》7 d無側限抗壓強度要求4～6 MPa的要求，同時動水沖刷質量損失小于50 g.

2) 橡膠粉-水泥穩(wěn)定碎石的動態(tài)壓縮模量隨著橡膠粉摻量增大呈二次函數關系減小，摻加橡膠粉能實現水泥穩(wěn)定級配碎石增柔、模量可調控的功能，橡膠粉-水泥穩(wěn)定碎石可作為路面結構的變形協調功能層.

3) 摻加橡膠粉能降低水泥穩(wěn)定級配碎石混合料溫縮性能的不利影響，橡膠粉提高了水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的劈裂破壞應變與彎拉破壞應變，橡膠粉摻量越大，水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的柔韌性越好.摻加橡膠粉能改善水泥穩(wěn)定碎石的抗疲勞耐久性與變形特性，推薦最佳的橡膠粉摻量為3%.