橡膠粉改性水泥穩定碎石性能研究

路 鑫，梁武星

(西安公路研究院)

橡膠粉改性水泥穩定碎石性能研究

路 鑫，梁武星

(西安公路研究院)

針對水泥穩定碎石基層抗變形能力不足和水穩定性較差的的缺點，對橡膠粉改性水泥穩定碎石的原理和力學性能進行了研究。分析結果表明，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定性，同時并不會對水泥穩定碎石的強度造成較大的影響，其具有廣泛的應用前景，應該進行大力推廣。

道路工程;橡膠粉;水泥穩定碎石

1 前言

在我國近幾十年的公路建設中，半剛性基層瀝青路面成為了我國高等級公路修筑的主要路面結構形式，其中半剛性基層的板體性、高強度和施工便易性得到了業界的認可;但是多年的使用經驗表明，半剛性基層也存在抗變形能力差、材料收縮嚴重、耐久性不足、抗水損害能力較差等問題。同時，在對半剛性基層瀝青路面的病害調查中發現，有半剛性基層引起的病害達到36%左右。這說明半剛性基層雖然隱藏于面層之下，但是作為路面結構的重要組成部分，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，半剛性基層性能的優化刻不容緩，而橡膠粉的出現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稱，由廢舊輪胎加工而成，來源廣泛且環保，它具有高粘彈性，變形能力強，耐久性較好，同時含有一定量的纖維，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性能，以為其在工程應用上的應用提供技術支撐。

2 橡膠粉改性原理分析

橡膠粉可根據粒徑大小分為粗膠粉(顆粒粒徑大于0.425 mm(40目)以上)、細膠粉(顆粒粒徑在 0.425～0.180 mm(40～80目)之間的)和微細膠粉(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定碎石的內部微觀結構。

2.1 抗變形能力的改善分析

由于橡膠粉的粒徑較小，所以它的加入對水泥穩定碎石基層的宏觀結構不會產生很大影響。由于橡膠粉顆粒比較細小，所以可以均勻地分布在混合料當中。在荷載作用下，橡膠粉可以部分地吸收基層材料壓應力或者拉應力(如圖1所示)，從而可以起到降低材料脆性，延緩結構裂縫產生的目的。這一部分應力會相應的由粗集料來承擔，不會對基層的整體強度產生太大的影響。

圖1 荷載作用下的水泥穩定碎石應力分布示意圖

同時，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發生離析，所以它就可以起到比細集料更好的填充效果，最大程度減小基層材料的變異性，同時也就可以更好地改善材料的抗變形能力。

2.2 水穩定性的改善分析

由于橡膠粉來源于廢舊輪胎，所以它也具有較好的化學穩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，具有優良的水穩定性。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入混合料的細微空隙，還能夠降低混合料的最佳含水率。使基層水穩定性得到提高的同時，降低基層的收縮。

3 橡膠粉改性室內試驗研究

3.1 材料準備

原材料主要包括水泥、礦物石料和橡膠粉。為了使本次試驗具有一定的代表性，試驗對材料的要求均以規范為標準，具體如下:

水泥:采用陜西秦嶺公司生產的耀縣牌P·O32.5水泥，其他指標均滿足要求;

石料:來自陜西涇陽縣某石料廠，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的纖維橡膠粉，粒徑為40目，化學成分見表1。

表1 橡膠粉化學成分組成

從之前關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定砂礫的性能，但是加多了的橡膠粉也將會導致其強度和剛度的大幅度下降。實驗數據表明，橡膠粉的摻量應該嚴格控制在0.5%～1.5%之間，因此為了減少試驗量，取橡膠粉的摻量為1.0%。

3.2 試驗結果分析

為了進行試驗效果對比，本研究采用兩組實驗，A組為不加橡膠粉，B組為摻加1.0%的橡膠粉。石料級配采用規范推薦的骨架密實型級配中值，水泥劑量為4.5%，采用規范規定的重型擊實法得到的擊實結果如表2所示。

表2 重型擊實試驗結果

從擊實結果可以看出，橡膠粉的摻加對混合料的擊實參數并沒有明顯的影響，這說明它更多地起到了填充混合料空隙的作用。隨著進行的7 d無側限抗壓強度試驗結果(參照組:3.95 MPa;試驗組:3.79 MPa)也表明，橡膠粉的摻入對基層強度并沒有明顯的影響，這也進一步說明了，其作用主要是填充材料中的空隙，并不會對材料的結構產生影響。

(1)抗彎拉彈性模量

對不同養生齡期的梁試件進行抗彎拉彈性模量試驗，得到的結果如圖2所示。

圖2 水泥穩定碎石抗彎拉模量隨養生齡期增長的變化曲線

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。當養生齡期小于28 d時，抗彎拉模量降低幅度有限，這主要是因為基層的強度還沒有完全形成，橡膠粉的“增韌”作用就沒法體現出來;隨著養生齡期的增加，模量有了明顯的降幅，90 d時降低了9.4%，這說明水泥穩定碎石基層的抗變形性能已經得到了較大的改善。

(2)吸水試驗

水穩定性一直是基層設計的一個重要指標，水分的浸入會侵蝕材料的內部結構，影響其耐久性。所以為了避免基層發生水損害，應該盡量避免水分浸入基層內部或者盡快排出基層內部的水分。本研究通過飽水試驗來驗證橡膠粉降低基層吸水性的效果。

首先稱取養生7 d的試件質量，然后飽水2 min，然后取出后稱取3 s內不再滴水的試件質量;然后再飽水2 min，取出后稱取3 s內不再滴水的試件質量;以此類推，直至質量沒有明顯增加時結束。最終得到的試驗結果如圖3所示。

圖3 水泥穩定試件吸水量隨浸水時間增長的曲線

從試驗結果可以看出，因為試件在養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，當浸水8 min之后才逐漸趨于平穩，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。這主要是因為橡膠粉的摻入有效地堵塞了材料的空隙，同時其本身吸水量有很小，所以可以明顯地減少水分進入基層內部，使基層材料的耐久性得到大大提高，這就包括材料的水穩定性。

4 小結

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

(2)抗彎拉模量的試驗結果表明，隨著養生齡期的增長，橡膠粉的“增韌”作用具有明顯的增長，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，使進入基層的水分快速排出，從降低基層材料發生水損害的幾率，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，具有很好的應用前景，應該進行積極推廣。

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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)。