橡膠-水泥穩定碎石界面改性對其力學性能的影響研究

基金項目：廣西重點研發計劃“增韌抗裂型橡膠-水泥穩定碎石基層材料研發與工程應用研究”（編號：桂科AB20297030）；廣西科技計劃項目“廣西典型固體廢棄物道路領域綜合資源化利用技術研發中心”（編號：桂科ZY21195043）

作者簡介：張洪剛（1983—），碩士，教授級高級工程師，主要從事道路材料研究工作。

摘要：為改善我國典型半剛性基層材料的韌性，文章提出以橡膠顆粒等體積等粒徑替換集料，并通過采用Na₂SiO₃、硅烷偶聯劑KH560、NaOH和NaOH-Urea復合改性劑增強橡膠-水泥界面性能的方法，研發了持強增韌型橡膠-水泥穩定碎石材料。通過選用2.36～4.75 mm粒徑的橡膠顆粒，制備了不同改性方法處理的橡膠-水泥穩定碎石材料，并開展強度、模量與疲勞試驗，揭示了界面改性對橡膠-水泥穩定碎石力學性能的影響。研究結果表明：與普通橡膠-水泥穩定碎石相比，使用NaOH-Urea復合改性與KH540改性的橡膠顆粒與水泥的界面性能最佳，以其制備的橡膠-水泥穩定碎石在抗壓強度、彎拉回彈模量、彎拉極限破壞應變及疲勞壽命等方面均得到顯著提高。

關鍵詞：橡膠-水泥穩定碎石；彎拉回彈模量；抗壓強度；彎拉極限破壞應；界面改性

中圖分類號：U416.03

0 引言

隨著我國綠色公路建設的持續推動，廢舊橡膠顆粒在水泥混凝土中的應用取得了豐富的研究成果。相關研究表明添加橡膠顆?？梢蕴岣甙雱傂曰鶎拥目沽研浴⒖箖鲂缘取６鴤鹘y水泥穩定碎石因其剛度過大，與上層瀝青層剛度不協調，會增加面層內部壓應力，導致車轍病害^[1]；同時，其與下層路基剛度存在上百倍差異，引起基層層底應力集中，在車輛荷載作用下發生開裂，進而導致反射裂縫。因此，為改善路面的使用性能，研究廢舊橡膠顆粒在水泥混凝土中的應用具有重要意義。

已有研究表明，將一定量橡膠顆粒摻入水泥穩定碎石后，雖其無側限抗壓強度略有降低，但能夠滿足設計強度要求，而其水穩定性與變形能力均得到顯著改善。除此之外，干縮應變、溫縮應變和失水率明顯減小，從而減少水泥穩定碎石基層的收縮，有利于改善基層開裂問題。可見，通過引入彈性模量較低（1.2～5.2 MPa）的橡膠顆粒^[2]，能夠顯著增加水泥穩定碎石半剛性基層材料的韌性，有效提高其抗裂性能，進而減少因基層開裂引起的路面反射裂縫，成倍延長路面整體結構的使用壽命與大中修周期，大幅降低路面全壽命周期的資源消耗與建養成本。

謝軍等^[3]通過開展凍融劈裂強度、干濕與濕潤循環強度損失、動水沖磨等抗水損性能評估試驗，揭示了橡膠粉對水泥乳化瀝青砂漿抗水損性能的影響，并建立了膠粉摻量與其抗水損性能之間的關系，結果表明：當橡膠粉摻量約為4%時，水泥乳化瀝青砂漿的抗水侵蝕性能最佳。王陽^[4]為解決常規軌道交通工程中使用的水泥砂漿存在的抗凍性、抗滲性較差等問題，提出了以膠粉取代部分水泥作為砂漿改性劑的方法，表明用橡膠粉可增加水泥基體的延性。宋少民等^[5]采用膠粉改善混凝土的性能，并通過抗沖擊強度、抗壓強度和抗折強度等試驗，探究了粘結劑對橡膠與混凝土界面性能的改善作用，研究結果顯示：雖膠粉對混凝土的抗壓強度和抗折強度產生明顯影響，但顯著改善了混凝土的抗沖擊強度，且摻入適量的粘結劑，其改善效果更為顯著。這種改進有助于增強混凝土結構的耐久性和安全性。劉旭^[6]為改善水泥穩定碎石作為道路基層時的收縮性能，通過力學試驗、收縮試驗及劈裂疲勞試驗分析了橡膠粉作為改性劑的可靠性以及橡膠粉對水泥穩定碎石力學性質的影響，表明水泥穩定碎石混合料強度和回彈模量隨橡膠粉摻量的增大逐漸下降，強度受到的影響顯著。橡膠顆粒作為有機高分子材料被填充到水泥基材料中，由于其具有憎水性，且表面存在大量微型凹坑，會造成橡膠顆粒與水泥基體界面的粘結薄弱。水泥穩定碎石引入橡膠顆粒后，無側限抗壓強度略有降低，抗壓強度和劈裂強度也隨著橡膠摻量的增加而減小，損失率越小，說明橡膠能夠改善水泥穩定碎石的水穩定性。Mohammed等^[7]發現，橡膠混凝土中存在兩個典型的界面過渡，第一個界面過渡位于集料與水泥漿之間，而第二個界面過渡則位于橡膠顆粒和水泥漿之間，兩者具有不同的性質。一般而言，水泥混凝土的破壞很少歸因于集料或水泥石本身的破壞，大多都是由于兩相材料接觸界面的粘結性不足，在荷載作用下發生相對位移，最終導致混凝土結構失效。由于橡膠顆粒的疏水性，界面過渡區（ITZ）的厚度隨著橡膠摻量的增加而增加，ITZ周圍夾雜的大量空氣使得空隙率增加，造成ITZ處形成較弱的粘結。相比水泥混凝土，水泥穩定碎石的水泥用量更低，意味著橡膠-水泥穩定碎石的界面結合更加薄弱。針對此問題，可以采用對橡膠骨料進行改性預處理，改善橡膠顆粒表面的親水性，增進橡膠顆粒與水泥漿體的粘結。

針對橡膠-水泥穩定碎石中橡膠與水泥界面結合弱的問題，本研究采用不同改性方法對橡膠顆粒進行表面預處理，增加橡膠顆粒表面親水性，可有效地提高其與水泥砂漿之間的結合力，改善其力學性能。

1 試樣制備

1.1 橡膠顆粒用法與用量的確定

根據現行水泥穩定碎石材料合成級配范圍要求，選用如圖1所示的混合料級配，并基于等體積等粒徑原則，計算置換57%體積（即集料總質量的3%）所需的2.36～4.75 mm粒徑的集料及橡膠顆粒。本研究設置了未經改性處理的普通橡膠-水泥穩定碎石以及四種不同改性方式下的橡膠-水泥穩定碎石材料，改性方式為對橡膠粉分別進行NaOH氧化、尿素氨化、偶聯劑改性及硅酸鈉處理。

1.2 橡膠-水泥穩定碎石試驗方法

為保證材料的均勻分布、水泥-橡膠的充分覆蓋，采用振動攪拌工藝進行橡膠-水泥穩定碎石原材料拌和。根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG/E 51-2009）中的有關要求，通過振動擊實試驗進行混合料配合比設計，結果如表1所示。

根據配合比設計結果，制備未經改性處理的普通橡膠-水泥穩定碎石、NaOH氧化、NaOH-Urea改性、偶聯劑（KH560）改性及硅酸鈉（Na₂SiO₃）處理橡膠-水泥穩定碎石等5種材料組成的橡膠-水泥穩定碎石試件，成型的梁式試件尺寸為：400 mm×100 mm×100 mm；圓柱體試件尺寸為：?150 mm×150 mm，分別用于四點彎曲試驗和7 d無側限抗壓強度測試。

2 力學性能分析

2.1 無側限抗壓強度

五種橡膠-水泥穩定碎石的7 d無側限抗壓強度如圖2所示。

NaOH-Urea復合改性與經硅烷偶聯劑KH560改性的兩組橡膠-水泥穩定碎石有較為明顯的強度提升，相較普通橡膠-水泥穩定碎石分別提升了45%和38%，說明這兩種改性處理方法增進了橡膠與水泥之間的粘結，提高了橡膠-水泥穩定碎石的整體強度。

2.2 彎拉強度

水泥穩定碎石是一種顆粒型的散體材料，其抗拉強度遠低于抗壓強度，因此，彎拉強度是橡膠-水泥穩定碎石進行材料和結構設計的重要控制性指標。不同改性方案下橡膠-水泥穩定碎石的彎拉強度結果如圖3所示。除硅酸鈉改性外，其他改性方式均對普通橡膠-水泥穩定碎石的彎拉強度有不同程度的提高，其中NaOH改性效果最為顯著，彎拉強度提高了50%，KH560改性后彎拉強度小幅提高，而NaOH-Urea的改性效果則并不明顯。由圖3可知五種橡膠-水泥穩定碎石按韌性優劣排序依次為：KH560改性橡膠-水泥穩定碎石、NaOH-Urea改性橡膠-水泥穩定碎石、未改性橡膠-水泥穩定碎石、NaOH改性橡膠-水泥穩定碎石、Na₂SiO₃改性橡膠-水泥穩定碎石。顯然，KH560改性與NaOH-Urea改性不僅保證了橡膠-水泥穩定碎石的力學強度，同時有效地改善了材料的韌性性能。而NaOH改性和Na₂SiO₃改性對橡膠-水泥穩定碎石的韌性具有不利影響。

不同改性方案下橡膠-水泥穩定碎石的彎拉極限破壞應變結果如圖4所示。橡膠顆粒能夠發揮應力吸收作用，緩解應力集中問題，進而有效改善水泥穩定碎石的變形能力，提高材料的韌性。然而橡膠顆粒與水泥穩定碎石界面接觸并不緊密，在荷載作用下，極易出現裂紋導致粘結失效，從而使橡膠顆粒與水泥穩定碎石處于分離狀態，導致結構破壞。因此，橡膠顆粒的改性十分必要，能夠在一定程度上去消除橡膠顆粒與水泥穩定碎石的軟弱接觸面，在水泥穩定碎石中最大限度地發揮出橡膠顆粒優越的彈性和韌性性能。試驗結果顯示，KH560的改性效果最佳。

2.3 彎拉回彈模量

研究表明，隨著橡膠顆粒的摻入，水泥穩定碎石的模量逐漸減小。因為橡膠顆粒的模量遠小于集料與水泥砂漿的模量，在等粒徑等體積替換相應的集料后，橡膠-水泥穩定碎石抗彎彈性模量大幅度下降。彎彈性模量試驗結果如圖5所示。

由圖5可知，四種改性方法均提高了橡膠-水泥穩定碎石的彎拉回彈模量，通過改善橡膠顆粒的親水性、接枝Si-O鍵以形成Si-O-Si空間穩定結構等方式，在一定程度上緩解了材料特性差異帶來的不利影響。彎拉回彈模量從大到小依次為：KH560改性橡膠-水泥穩定碎石、NaOH-Urea改性橡膠-水泥穩定碎石、NaOH改性橡膠-水泥穩定碎石、Na₂SiO₃改性橡膠-水泥穩定碎石、未改性橡膠-水泥穩定碎石。相比于普通橡膠-水泥穩定碎石，KH560改性橡膠-水泥穩定碎石的改性效果最佳，彎拉回彈模量提升了71%。

2.4 抗疲勞性能

取應力比為0.5、0.7、0.9進行疲勞試驗，五種橡膠-的水泥穩定碎石的疲勞壽命如表2所示。

采用雙對數法對應力比t和疲勞壽命N_f進行回歸時，函數圖形是一條線性直線，后頁表3所示為疲勞公式，后頁圖6所示為S-N的疲勞曲線。疲勞方程中的兩個回歸參數k、n分別代表直線的截距和斜率，以此來反映橡膠-水泥穩定碎石的疲勞性能，斜率n反映了材料的疲勞壽命和應力的靈敏度，隨著n的增大，材料的應力靈敏度也隨之增大。由圖6可知，由于五種水泥穩定碎石的組成材料并無差別，因而改性后橡膠-水泥穩定碎石的n值相差不大，疲勞壽命對應力水平變化的敏感性幾乎相同。五種材料的疲勞耐久性從強到弱依次為：NaOH-Urea改性橡膠-水泥穩定碎石、Na，SiO，改性橡膠-水泥穩定碎石、KH560改性橡膠-水泥穩定碎石、NaOH改性橡膠-水泥穩定碎石以及未改性橡膠-水泥穩定碎石。由此可知，經過化學試劑處理的橡膠引入了親水官能團，接枝了新的化學鍵以形成穩固結構，橡膠顆粒與水泥穩定碎石結合處的粘結強度提高，從而使橡膠-水泥穩定碎石的疲勞性能增強，其中NaOH-Urea改性效果最佳

3結語

本文通過對五種不同的橡膠一水泥穩定碎石材料進行了四點彎曲試驗、7d無側限抗壓強度試驗及疲勞試驗，探究了橡膠界面改性對橡膠-水泥穩定碎石性能的影響，主要得到以下結論：

（1）KH560改性與NaOH-Urea改性在保證橡膠-水泥穩定碎石力學強度的同時，有效地改善了材料的韌性性能。而NaOH改性和Na，SO改性對橡膠-水泥穩定碎石的抗壓強度和韌性具有不利影響。

（2）不同改性處理均對橡膠-水泥穩定碎石的疲勞耐久性產生了有利影響，其中NaOH-Urea改性橡膠一水泥穩定碎石的抗疲勞性能表現最佳。

參考文獻

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收稿日期：2023-12-08