張立強
天津市啟瑞市政園林工程有限公司
摘 要：由于水泥穩定碎石基層具有整體強度較高、抗滲性和水穩性好、原材料來源廣、成本低等優點，成為大陸最為常見的路面基層形式。但由于水泥穩定碎石基層開裂造成的反射裂縫問題一直未得到有效解決，水泥穩定碎石基層的幹縮裂縫問題成為制約道路使用壽命的最主要因素。文章通過在水泥膠砂中添加0、1%、2%和3%的橡膠粉，分析了水泥膠砂抗折和抗壓性能的變化情況；在水泥穩定碎石混合料中添加0、1%、2%和3%的橡膠粉，進行了無側限抗壓強度和幹縮性能試驗。結果表明：随着橡膠粉摻量的增多，水泥膠砂強度呈先增大後減小趨勢，在橡膠粉摻量為1%時強度最高；水泥穩定碎石混合料無側限抗壓強度則呈下降趨勢，同時幹縮系數也會減小，說明橡膠粉在降低水泥穩定碎石混合料強度的同時也會改善其幹縮性能。是以，結合橡膠粉對水泥穩定碎石混合料幹縮性能和無側限抗壓強度的影響，可以通過摻加橡膠粉的方式改善水泥穩定碎石基層的開裂問題，但橡膠粉宜采用低摻量，建議摻量為1%左右，具體的摻量還需要根據現場試驗确定。
關鍵詞：橡膠粉;水泥穩定碎石混合料;幹縮性能;強度變化;摻量;
作者簡介：張立強（1982-），男，内蒙古赤峰人，工程師，研究方向：市政公路施工技術研究。;
1 引言
截至2021年年末，大陸公路總裡程528.07萬公裡，其中高速公路總裡程16.91萬公裡，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，是以被大陸大部分道路所采用。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闆體、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，已成為大陸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，在溫度和濕度變化後，極易形成溫縮裂縫和幹縮裂縫，裂縫在基層幹縮和溫縮應力的進一步作用下，誘導裂縫反射緻使面層開裂，産生道路的早期破壞，使得大多數道路無法達到設計的使用壽命。是以，改善基層開裂是亟待解決的問題。為了解決基層裂縫問題，國内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[3,4,5,6]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幹縮性能，水泥劑量越高，幹縮和溫縮越大，水泥含量低于3%時，幹縮系數對水泥劑量的變化較為敏感，幹縮系數和溫縮系數均随水泥劑量的增加而增大。在摻入外加劑方面，Siripun K等[7]通過室内試驗證明在水泥穩定碎石中摻入纖維可以減少裂縫的産生。付春梅等[8]通過試驗證明了水泥穩定碎石抗壓強度随着纖維摻量的增加呈現先增大後減小的趨勢，纖維的摻量存在一個最佳摻量；國内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，避免寬裂縫的産生。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，随着橡膠粉摻量的增加，混凝土的疲勞壽命越高。王海鵬等[10,11,12]将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，原材料的品質是保障工程品質的關鍵，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，主要性能名額見表1。
表1 橡膠粉檢測名額 下載下傳原圖
2.1.2 水泥
試驗采用強度等級為42.5的普通矽酸鹽水泥，主要檢測名額見表2。
表2 水泥檢測名額 下載下傳原圖
2.1.3 集料
試驗所用集料分為0～5mm、5mm～10mm、10mm～20mm、20mm～30mm四檔，其中石屑産于山東濟南，粗骨料産于山東泰安，按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）對原材料主要技術名額進行檢測，檢測結果見表3和表4。
表3 集料的級配 下載下傳原圖
表4 檢測結果 下載下傳原圖
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）中規定的級配範圍，水泥穩定碎石的級配範圍符合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 下載下傳原圖
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/T17671—2021）的要求，由水泥450g、标準砂1350g、水225g，按照C:S:W=1:3:0.5拌制40mm×40mm×160mm水泥棱柱體試件，按照規範規定的養生條件進行養生，在達到規定要求的養護齡期後，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%（品質分數），摻入方式采用幹混法，即在攪拌鍋中加入水泥之後添加橡膠粉，連同膠砂一起用攪拌機攪拌，在振實台上成型，分别進行水泥膠砂試件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随養護時間的變化圖 下載下傳原圖
圖2 橡膠粉不同摻量下抗折強度随養護時間的變化圖 下載下傳原圖
由圖1、圖2可知，在摻加1%的橡膠粉後，水泥膠砂試件的抗壓及抗折強度都有輕微增加，且随着養護齡期的增加，水泥膠砂試件的抗壓及抗折強度增長幅度增大。但随着橡膠粉摻量增加為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産生不良影響。
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，确定水泥穩定碎石的最大幹密度及最佳含水率；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，确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 下載下傳原圖
4.1 無側限抗壓強度變化分析
采用5%的最佳水泥劑量，分别外摻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，試件達到齡期後，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 下載下傳原圖
圖3 不同橡膠粉摻量下的無側限抗壓強度變化圖 下載下傳原圖
由表7和圖3分析可知，在7d、28d标準養護條件下，随着橡膠粉摻量增加，水泥穩定碎石混合料無側限抗壓強度逐漸降低，即摻加橡膠粉後将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實體化學反應，膠粉顆粒獨立存在于材料内部，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，是以容易發生因應變過大導緻的材料發生破壞，産生微裂縫，橡膠粉摻量越大，水泥石-橡膠粉之間的界面缺陷越顯著，材料内部疏松，密度減小，強度衰減越明顯。
4.2 幹縮性能
采用5%的最佳水泥用量，分别外摻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，分别檢測養生7d、14d、28d、35d和42d的幹縮系數，分析橡膠粉對水泥穩定碎石混合料幹縮性能的影響，檢測結果見表8和圖4。
表8 水泥穩定碎石幹縮系數檢測結果 下載下傳原圖
圖4 不同橡膠粉摻量下不同養生時間變化圖 下載下傳原圖
由表8和圖4可知，水泥穩定碎石混合料中加入橡膠粉後，随着橡膠粉摻量的增多，水泥穩定碎石混合料的幹縮系數不斷降低。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，進而減小了水泥穩定碎石混合料的幹縮系數。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幹縮裂縫的産生。
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，分别進行不同齡期的抗壓強度、抗折強度、無側限抗壓強度和幹縮試驗，可以得到如下結論：
①摻加橡膠粉後，水泥膠砂強度在橡膠粉摻量為1%時最大，随後其抗壓強度和抗折強度随着橡膠粉摻量的增加均會降低。
②摻加橡膠粉後，水泥穩定碎石混合料的強度會随着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摻加橡膠粉後，水泥穩定碎石的幹縮系數會随着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幹縮裂縫的發生。
④綜合考慮橡膠粉對水泥穩定碎石基層的強度和幹縮性能的影響，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确定。
參考文獻
[1] 張麗華,餘清河,傅曉薇.半剛性路面在大陸的應用與分析[J].北京交通管理幹部學院學報,2006,(01):15-18.
[2] 李曉輝,李波,楊小龍.不同成型方式對水泥穩定碎石基層力學性能影響[J].蘭州交通大學學報,2015,34(3):1-4+19.
[3] 潘兆平,黃曉明.水泥穩定碎石路面基層材料水泥劑量範圍試驗[J].南京建築工程學院學報,1998,(04):23-28.
[4] 于保陽,王宇,張麗萍.低劑量水泥穩定碎石混合料收縮性能試驗[J].遼甯工程技術大學學報:自然科學版, 2016,35(3):283-288.
[5] 王豔,倪富健,李再新.水泥穩定碎石基層收縮性能影響因素試驗研究[J].公路交通科技,2007,(10):30-34+52.
[6] 于新,黃曉明.低劑量水泥穩定碎石基層幹縮溫縮性能研究[J].公路交通科技, 2007,(07):52-55.
[7] Siripun K, Jitsangiam P, Nikraz H.The use of fibre reinforced curshed rocks for the improvement of tensile strength[M]. Geo-Frontiers 2011:Advances in Geotechnical Engineering,2011.
[8] 付春梅,齊善忠,賈春燕.聚酯纖維水泥穩定碎石抗幹縮性能研究[J].公路, 2014,59(11):188-193.
[9] 薛剛，孫立所，劉佳香，等.橡膠混凝土彎曲疲勞性能研究[J].長江科學院院報，2021,38(11):149-156.
[10] 王海鵬，王平.橡膠粉水泥穩定粒料基層路用性能試驗[J].公路交通科技，2013,30(8):12-16+22.
[11] 吳秋霖，崔貴玲，張穎超，等.橡膠改性水泥穩定碎石性能分析[J].居舍，2022,(24):38-41.
[12] 王書鵬.摻赤泥橡膠粉水泥穩定碎石基層材料的試驗研究[D].沈陽:沈陽工業大學，2022.
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