基于界面增强的橡胶-水泥稳定碎石抗冻抗裂性能研究

文 | 赛先生的社科所

水泥稳定碎石具有承载能力强、稳定性好、抗冻性能强、造价经济等优点，是我国使用最为普遍的半刚性基层材料。

但在交通荷载、温度和湿度等诸多因素的持续作用下，水泥稳定碎石基层很容易产生裂缝，从而导致整个路面结构的使用寿命下降。

橡胶是一种高分子弹性材料，近年来道路工作者们把废旧轮胎加工成橡胶粉末或颗粒，将其作为改性剂制备橡胶沥青混合料、橡胶混凝土或橡胶-水泥稳定碎石。

发现掺加橡胶粉后水泥稳定碎石的抗冻性能增强。

研究目的与意义

本研究将选取4种常见的橡胶颗粒表面改性方法，分别应用于橡胶-水泥稳定碎石材料中。

对比分析改性后橡胶-水泥稳定碎石的抗冻抗裂特性，从而选出抗冻抗裂性能最佳的改性橡胶-水泥稳定碎石半刚性基层材料。

通过本研究能在一定程度上提升橡胶-水泥稳定碎石的界面黏附性能，提高水泥稳定碎石半刚性基层材料的抗冻和抗裂性能。

减少因基层开裂反射到路面的裂缝，提高基层结构的耐久性，同时降低橡胶对环境的污染，具有显著的经济与环保效益。

试验材料及方法

1.实验材料

本研究采用的粗集料是由玄武岩加工而成的碎石，采用的细集料是玄武岩机制砂。

水泥采用标号为32.5的普通硅酸盐水泥。

橡胶颗粒规格为4~8目，过2.36和4.75 mm的圆形标准筛后，选取粒径为（2.36，4.75）mm的橡胶颗粒等体积替换相同粒径的集料，以保证集料的级配不发生改变。

2.级配设计

本研究集料的级配范围为0~26.5 mm。

采用精细级配的方式，将集料用振筛机筛分成12档： 0.075及以下、（0.075，0.15］、（0.15，0.3］、（0.3， 0.6］、（0.6，1.18］、（1.18，2.36］、（2.36，4.75］、（4.75， 9.5］、（9.5，13.2］、（13.2，16］、（16，19］、（19，26.5]mm。

并用线性规划的方法求解得到各档集料的质量分数，得到集料的合成级配见表5。

3.改性橡胶制备工艺

(1)增加亲水性

NaOH改性：将1.0 kg碱片置于10.0 L水中并在常温下溶解3d，每天搅拌1次，直至完全溶解，肉眼无可见 颗粒，即NaOH溶液制备完成。

称3.0 kg粒径为［2.36，4.75）mm的橡胶颗粒倒入NaOH溶液中，在常温下充分浸泡1周，每天搅拌1次，即完成橡胶 的NaOH氧化过程。

NaOH-Urea复合改性：

首先按上述的方法对粒径为［2.36，4.75） mm的橡胶颗粒进行NaOH改性。

然后将1.0 kg尿 素置于10.0 L水中并在常温下溶解3d，每天搅拌1次，直至完全溶解，肉眼无可见颗粒，即尿素水溶液制备完成。

最后称取3.0 kg的NaOH改 性橡胶颗粒倒入尿素水，在常温下充分浸泡1周， 每天搅拌1次，即完成橡胶先NaOH氧化后Urea氨化的复合改性过程。

（2）接枝Si—O键

硅烷偶联剂KH560改性：

将10.0 L水和0.1 L甲酸混合使混合溶液的pH值为3～4，再加入0.225 kg的KH560，常温溶解 3d，每天搅拌1次，直至完全溶解，肉眼无可见颗粒。

然后加入5.0%的氨水少许，使KH560溶液的pH值为8～10，即KH560溶液制备完成。

称3.0 k粒径为［2.36，4.75）mm的橡胶颗粒倒入KH560溶液，在常温下充分浸泡1周，每天搅拌1次，即完成橡胶经过KH560改性接枝Si—O—Si结构的过程。

Na2SiO3改性：

将10.0 L水、3.0 kg粒径为［2.36，4.75）mm的橡胶、0.3 kgNa2SiO3、0.1 L硅烷偶联剂KH560、1.0 L乙醇以及少许催化剂混合。

在常温下充分浸泡2周，每天搅拌1次，使其充分反应，即完成橡胶经过Na2SiO3改性接枝Si—O—Si结构的过程。

性能分析

1.抗冻性能

冻融试验的冻结温度为-18±1℃，时间为16h；融化温度为20±1℃，时间为8 h，循环5次。

每种材料制备18个标准试件，其中9个为冻融试件，9个为不冻融试件，进行对比试验。

无侧限抗压强度试验的加载速率有效控制在1 mm/min。

半刚性材料经过n次冻融循环后试样的质量变化率Wn可按公式计算。

分别对1、2、3、4、5次冻融循环后的质量变化率进行测量并计算，其结果如图2所示。

由图2可知，质量变化率随着冻融次数的增加不断增大。

相比于未作改性处理的橡胶水稳，Na2SiO3改性橡胶-水泥稳定碎石冻融后的质量损失率最小，其他几种处理方式反而提高了水泥稳定碎石的质量损失率。

4种不同处理方式下的橡胶-水泥稳定碎石按其质量损失率从小到大排序依次为：

Na2SiO3改性橡胶-水泥稳定碎石、NaOH-Urea改性橡胶-水泥稳定碎石、NaOH改性橡胶-水泥稳定碎石、KH560改性橡胶-水泥稳定碎石。

由表6可知，经5次冻融循环后，5种橡胶-水泥稳定碎石按其抗冻强度损失由大到小排序为：

NaOH-Urea改性橡胶-水泥稳定碎石、未改性橡胶-水泥稳定碎石、KH560改性橡胶-水泥稳定碎石、NaOH改性橡胶-水泥稳定碎石、Na2SiO3改性橡胶-水泥稳定碎石。

相比于未作改性处理的橡胶-水泥稳定碎石，NaOH-Urea改性和KH560改性橡胶-水泥稳定碎石的抗冻强度损失相差不大。

但两者冻融前后的无侧限抗压强度都大幅度增强，均为未改性橡胶-水泥稳定碎石的1.5倍左右。

NaOH-Urea和KH560改性剂改善了橡胶颗粒与水泥浆体接触界面的薄弱黏结，使橡胶与水泥稳定碎石协同变形能力增强，应力分散效果更好，因此在低温条件下其耐久性能良好。

与此同时，经NaOH和Na2SiO3分别改性处理后的橡胶-水泥稳定碎石的抗冻强度损失大幅下降，锐减约50.0%，且冻融前后的无侧限抗压强度也相应减小。

这可能是因为NaOH为强碱性溶液，在一定程度增加橡胶颗粒表面亲水性的同时对橡胶颗粒具有明显的腐蚀老化作用。

在本研究中NaOH对橡胶的腐蚀老化占主导作用，故NaOH改性橡胶-水泥稳定碎石的无侧限抗压强度明显下降，而Na2SiO3改性橡胶-水泥稳定碎石的无侧限抗压强度较未改性的略有降低。

可能是由于Na2SiO3未对橡胶产生明显的改性效果，再加上溶剂乙醇、小分子物质的挥发使材料内部产生收缩应力造成的。

2.干缩性能

干缩变形是水泥稳定碎石最主要的体积变形，对性能危害较大。

本试验采用仪表法对橡胶-水泥稳定碎石进行干缩性能测定，同种橡胶-水泥稳定碎石的6个试件为一组，其中3个试件用来测定其收缩变形量，另外3个用于测量干缩失水率。

将测取的试验数据结果按式计算不同橡胶-水泥稳定碎石的干缩系数，5种橡胶-水泥稳定碎石在不同养生龄期内的干缩应变和总干缩系数如图3所示。

从图3可以看出，5种橡胶-水泥稳定碎石的干缩应变变化规律几乎一致，在养生7 d左右干缩应变达到最大，随后急剧减小，形成抛物线曲线。

然后在养生30 d附近出现拐点，曲线逐渐趋于平缓，直到养生150 d干缩应变变化不大。

5种橡胶-水泥稳定碎石按其干缩应变从小到大排序依次为：

NaOH改性橡胶-水泥稳定碎石、KH560改性橡胶-水泥稳定碎石、NaOH-Urea改性橡胶-水泥稳定碎石、Na2SiO3改性橡胶-水泥稳定碎石、未改性橡胶-水泥稳定碎石。

5种橡胶-水泥稳定碎石的总干缩系数变化规律为：

总干缩系数在试验过程中的前一个星期变化较大，在养生7~30 d内其变化速率明显减小，养生30 d后试件的总干缩系数趋于稳定。

5种橡胶-水泥稳定碎石的总干缩系数大小规律与其干缩应变的一致。

未改性橡胶-水泥稳定碎石的最大干缩应变为102.5×10-6，总干缩系数为819.3×10-6。

NaOH改性橡胶-水泥稳定碎石的干缩应变为88.5×10-6，总干缩系数为770.4×10-6，分别为未改性橡胶-水泥稳定碎石的86.34%、94.03%。

通过改善橡胶颗粒的亲水性或接枝Si—O键以形成Si—O—Si空间稳定结构，在一定程度上可以解决材料特性差异带来的不利影响。

3.温缩性能

试件的温缩性能采用仪表法进行测定，每种橡胶-水泥稳定碎石的平行试件为3个，养生结束后将试件放入105℃的烘箱中烘10~12 h至恒量，使试件中没有自由水存在。

采用的温度范围为55～-20℃，设置6个温度级别，每个级别的温度差为15℃。

即测试温度分别为55、40、25、10、-5和-20℃，从高逐级降温，降温速率为0.5℃/min.

降到设定温度时，保温3 h，在保温结束前5 min内测定相应的收缩量。

由图5可以看出，零下的低温对每一种橡胶-水泥稳定碎石的温度变形能力的影响都很大。

在［-20，-5）℃温度范围内，橡胶-水泥稳定碎石的温缩系数最大。

随着温度的升高，其收缩减小，产生的温缩应变也就相应减小，所以5种橡胶-水泥稳定碎石的温缩系数均减小。

在同一温度范围内，5种橡胶-水泥稳定碎石按其温缩系数从小到大排序依次为：

KH560改性橡胶-水泥稳定碎石、NaOH-Urea改性橡胶-水泥稳定碎石、未改性橡胶-水泥稳定碎石、Na2SiO3改性橡胶-水泥稳定碎石、NaOH改性橡胶-水泥稳定碎石。

结果讨论

试验结果表明：

橡胶颗粒掺入水泥稳定碎石材料后，可以有效解决水泥稳定碎石因刚度过大与路面、土基不协调，易产生开裂形成反射裂缝的问题。

但由于橡胶和水泥砂浆物理性能的差异较大，两者黏附性严重不足，本研究选取了4种常用的化学改性方法：

即氢氧化钠改性、氢氧化钠-尿素复合改性、硅烷偶联剂KH560改性和硅酸钠改性，对橡胶颗粒进行了表面改性处理。

对比分析了4种改性橡胶-水泥稳定碎石改性前后的抗冻抗裂性能，并优选出了最佳的改性剂——硅烷偶联剂KH560。

KH560改性剂可以提高橡胶-水泥稳定碎石的黏结强度，增强其抗冻抗裂性能，下一步将开展橡胶-水泥界面性能研究试验，从微观的角度探究其改性机理。

参考文献

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