第４２卷，第４期 ２ ０ １ ７年８月 公 路 工 程 Ｈｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎ Ｖｏ１．４２，Ｎｏ．４ Ａｕｇ．，２０ １ ７ 公路工程中的橡胶水泥混凝土动态力学性能分析 司晓炜 （中国路桥工程有限责任公司，北京 １０００１１） 【摘要】橡胶水泥混凝土是由橡胶粉、普通水泥混凝土组合而成的复合材料，其具有这两种物质的优良性 能，得以在公路工程中具有广泛应用。为探索旧路面公路工程橡胶水泥混凝土最优的加铺方案，就基加利市公 路１＃、２ 项目道路展开研究，在深入分析这两条道路出现病害基础上，对橡胶水泥混凝土模量、强度与橡胶粉 掺人量、颗粒关系展开试验。研究结果表明，橡胶水泥混凝土弹性模量及抗压强度会由于橡胶粉掺人量的增多 而不断减小，但其抗弯拉强度会先增加再减小。此外，抗弯拉与抗压强度随着橡胶颗粒的增加有所较强，得出 在橡胶粉掺量为０．０２４体积分数、４Ｏ目大小更适合基加利市１ 、２ 线路改造的需求。 ［关键词】橡胶水泥混凝土；力学性能；弹性模量；基加利市公路工程 ［中图分类号］Ｕ ４１８．８ ［文献标识码］Ａ ［文章编号】１６７４—０６１０（２０１７）０４—０２４２—０４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｒｕｂｂｅｒ Ｃｅｍｅｎｔ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＳＩ Ｘｉａｏｗｅｉ （Ｃｈｉｎａ Ｒｏａｄ＆Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎｏ．８８Ｃ，Ａｎｄｉｎｇｍｅｎｗａｉ Ａｖｅｎｕｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１ １，Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｒｕｂｂｅｒ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒ ｐｏｗｄｅｒ ａｎｄ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｉｔ ｈａｓ ｔｈｅ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｃａｎ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｈｉｇｈｗａｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒ— ｉｎｇ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐａｖｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｏｒ ｏｌｄ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｈｉｇｈｗａｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ｔｈｅ ｒｏａｄ ｏｆ ｋｉｇａｌｉ ｈｉｇｈｗａｙ １ ａｎｄ ２ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎ—ｄｅｐｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｒｏａｄｓ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｕｂｂｅｒ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｍｏｄｕｌｕｓ，ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｒｕｂｂｅｒ ｐｏｗｄｅｒ ｉｓ ｔｅｓｔ－ ｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒｉｚｅｄ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｗｉｌｌ ｄｅｃｒｅａｓｅ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｆｉｒｓｔ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｒｅ ｓｔｒｏｎｇｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｕｂｂｅｒ ｐｏｗ— ｄｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓ ｔｈｅ ０．０２４ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ，４０ ｍｅｓｈ ｓｉｚｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ １＃ａｎｄ ２样ｌｉｎｅ ｉｎ ｋｉｇａｌｉ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｒｕｂｂｅｒ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ；ｋｉｇａｌｉ ｈｉｇｈｗａｙ ｅｎ— ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ０ 前言 随着经济的发展和 人口不断增加，卢旺达地区 的人民对道路服务能力 及水平提出更高的要求和标 直接影响道路的使用功能和行车安全。为解决上述 问题，卢旺达部门急需开展严重毁坏道路的重 建工作，使道路尽早恢复使用。 橡胶水泥混凝土是将废旧橡胶粉加入水泥混凝 土中制成的新型复合材料，这种混凝土集合橡胶和 水泥混凝土的优点，但其性能也介于刚性与柔性混 凝土之间，能有效改善普通混凝土日常应用中的开 裂、脆性断裂问题…。因此，橡胶水泥混凝土在 城市道路建设工程中得到越来越广泛的应用。但如 何因地制宜的在卢旺达基加利市城市道路改造中推 准。然而，早期修建水 泥混凝土道路过程中，一方 面，受当时设计水平、 施工工艺、资金等因素的影 响，另一方面，由于国 民经济的发展，卢旺达各大 城市道路交通量明显增 加，超载情况时有发生。此 时，各地水泥混凝土道 路遭受不同程度的损坏，从 而出现路面平整度差、 行车颠簸等问题，这种情况 ［收稿日期］２０１７—０３—２１ ［作者简介】司晓炜（１９８２一）男，河北邢台人，高级工程师，研究方向：路桥施工。 第４期 司晓炜：公路工程中的橡胶水泥混凝土动态力学性能分析 ２４３ 广应用，对该地区交通事业健康、可持续发展产生 重要的影响。基于上述背景下，本次研究以基加利 市１ 、２ 道路改造项目为例，采用理论与实践相 基加利市政部门打算将其拓宽为双向四车道，以 此缓解道路通行能力和道路使用寿命。 结合的方法，对橡胶水泥混凝土性能展开分析，以 期为橡胶水泥混凝土在道路建设工程中推广应用提 供重要借鉴。 ２原材料及试验 ２．１试验材料 使用常温粉碎助剂法生产的废旧轮胎橡胶粉， 分别选取粒径为２０目、４Ｏ目和６０目的相位橡胶 粉，纤维含量不得小于３％。进行使用前，通过 １工程概况 卢旺达国士面积狭小，但国内的公路交通相对 碱液改性法对橡胶粉表面实施界面处理，确保其 更溶于水泥，两种物质间的界面粘结性更强 。 不同目数橡胶粉的物理指标见表１。水泥选用 其他非洲国家还算比较完善，大部分城镇都有铺面 公路连接，路面主要为沥青表处结构，路况较好。 公路网主要是以首都基加利为中心的辐射状公路 网，卢旺达公路总里程为２０６ ３４０ ｋｍ，干线、支线 公路分别为６ ４０１、１９９ ９３９ ｋｍ。基加利公路项目 分为９个路段，路线总长度约为５４．５６ ｋｍ，其中， 新建沥青混凝土路面为５３９ ９９９ ｍ 。基加利市的公 Ｐ０４２．５普通硅酸盐水泥，其标准稠度、细度分别 为２９．Ｏ％、１．５％，水泥２８ ｄ抗折、抗压强度依 次为７．７、５１．２ ＭＰａ 。细集料使用河砂，它的 表观密度为２ ５７３ ｋｇ／ｍ 、细度模数是２．７８；粗集 料选取２—３１．６ ｌｎｍ连续级配石灰岩碎石，其表 观、堆积密度依次为２ ８８９ ｋｇ／ｍ 、１ ５６０ ｋｇ／ｍ ， 各项物质性能满足标准要求。外加剂使用ＭＮ萘 系高效减水剂。 表１ 橡胶粉部分指标性质 Ｔａｂｌｅ ｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｒｕｍｂ ｒｕｂｂｅｒ ｐｏｗｄｅｒ 路改造既有１日水泥混凝土路面加铺，也有新建路面 段，为深入了解橡胶水凝混凝土的力学性能，选定 ９个项目中的２个项目为试验段（１ 、２ ），路线 长度分别为４．２４８、６．９９９ ｋｍ。本次研究选取的２ 条道路均处在重要位置，但因年久失修，路面破损 严重等，直接影响城市的交通及环境。水泥路面主 要病害包括断裂、破碎、脱空等，见图１所示。其 中，１ 道路为沥青混凝土面层，该道路投人使用已 有７ ａ时间，通行能力明显无法满足已有交通量， 且早晚高峰时期处于瘫痪状态。为解决上述问题， ２．２配合比设计 本次研究对橡胶水泥混凝土配合比进行设计 时，采用橡胶粉取代等体积砂和石料，并保证基 准配合比设计中的砂率不变。试件养护温度控制 为２０±２ ｏＣ，相对湿度大于９５％，养护试件为２８ ｄ［４］。同时，详细标出混凝土的抗压强度、抗折强 表２水泥混凝土的基准配合比 Ｔａｂｌｅ ２ Ｂｅｎｃｈｍａｒｋ ｍｉｘ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ 度等指标，其基准配合比见表２。 胶粉 Ｃ／ Ｇ／ Ｓ／ ＩＶ／ 外加剂／ 量（ｋｇ・ｍ一’）（ｋｇ－ｍ一 ）（ｋｇ・ｍ一 ）（ｋｇ・ｍ一 ）（ｋｇ・ｍ一’） ３试验结果 ３．１ 弹性模量试验结果 对水泥基复合材料研究过程中，材料总体弹 性常数包含弹性（Ｅ）、剪切模量（Ｇ）、泊松比 ２＃项目 （ ），掌握这三项指标的基本物理特征参数意义 图１ 基加利市市政改造工程现状图 Ｓｔａｔｕｓ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ｖｉｌｌｅ ｄｅ ｋｉｇａｌｉ ｃｉｔｙ 重大。本试验基于复合材料微观力学相关理论， 考虑相同基准配合比，在试验养护加载条件相同 公路工程 ４２卷 的背景下，探讨橡胶粉体积分数及尺寸对水泥复 合材料弹性模量产生的影响。试验棱柱试件为 （１５０ ｘ １５０×３００）ｍｍ，根据１１．２５—１８ ｋＮ／ｓ加 作。试验以三分点加荷方法检测其抗折强度，试 验中所用试件以０．３８—０．６０ ｋＮ／ｓ加荷速度进行 加载，抗折和抗压强度结果见图３、图４。 荷速度均匀加载负荷，并借助割线弹性模量完成 检测工作。因橡胶粉体积分数比较小，对橡胶水 泥混凝土泊松比变化影响小 。假设ｒ试验并无 变化，依据复合材料理论微分法求得弹性模量Ｅ， 材料具体参数如表３所示，试验结果见图２。 表３所用材料各项力学参数 Ｔａｂｌｅ ３ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｓｅｄ 橡胶粉 基体混凝土 Ｅｌ＝０．００７ ８ ＧＰａ Ｅｏ＝３６．１２ ＧＰａ ｋｌ＝０．０４３ ＧＰａ ＝１８．０７８ ＧＰａ ＝０．４７ ｒ０＝０．１６７ Ｇｌ＝０．００２ ７ ＧＰａ Ｃｏ＝１５．４７６ ＧＰａ Ｃｌ＝０．Ｏ０７；Ｏ．０１４；Ｏ．０２４；Ｏ．０３４；Ｏ．０４１ ０ 、 蛔 ｊ翻ｉ 掣 赣 ｌＪ ， ｌ４ ２Ｉ ２８ ３５ ４２ 橡胶粉体积分数／ｔＯ 图２弹性模量与橡胶粉体积分数相关性 Ｆｉｇｕｒｅ ２ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ ａｎｄ ｒｕｂｂｅｒ ｐｏｗ— ｄｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔ ｓｃｏｒｅ 分析图３发现：弹性模量随着橡胶粉掺入量 的增加而降低。对于２Ｏ目橡胶粉来说，橡胶混凝 土材料弹性模量由于胶粉体积分数增大呈现递减 发展趋势。当体积分数由０增加至０．０２４时，弹 性模量降低为２．３％，而其从０．０２４加大至 ０．０４１，弹性摸两下降幅度增加至３．５。而４０目橡 胶粉体积分数为０．０２４时，弹性模量下降幅度呈 放缓趋势。若体积分数增加至０．０３４，弹性模量下 降幅度明显加大；而６０目胶粉体积分数加到 ０．０３４时，弹性模量下降幅度变缓。因此，从混 凝土弹性模量层面分析，可选用６０目掺人量为 ０．０３４，４０目、２０目掺入量分别为０．０２４、０．００７ 体积分数的橡胶水泥混凝土。 ３．２抗压及抗折强度试验结果 对橡胶粉改性制成（１５０×１５０ ｘ ５５０）ｍｍ水 泥混凝土棱形方体与标准立方体进行抗压强度测 试，在湿度均匀的养护空间内进行２８ ｄ的养护工 图３抗折强度与橡胶粉体积分数之间的关系 Ｆｉｇｕｒｅ ３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｆｏｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｒｕｂｂｅｒ ｐｏｗ— ｄｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔ ｓｃｏｒｅ 由图３可知：如果橡胶粉体积分数低于 ０．０２４，橡胶水泥混凝土抗折强度会因其体积分数 增加随之增加，３种胶粉平均增加约为３．２％；当 胶粉体积分数超过０．２４，水泥混凝土抗折强度明 显降低。试验人选的胶粉体积分数为０．０４１时， 制作的水泥混凝土平均抗折强度与０．０２４体积分 数相比较降低１０．１％。如果橡胶粉掺量＜０．０２４ 体积分数，橡胶水泥混凝土抗弯拉强度均超过 ５．０ ＭＰａ，这种设计方案满足基加利市公路１ 、２ 道路建设时重交通等级的要求。而橡胶粉掺人量 超过０．０３４体积分数状态下，４０目、２Ｏ目掺人颗 粒其抗弯拉强度依次为４．９５、４．８１ ＭＰａ，这种结 果不能满足公路水泥混凝土路面标准设计要求， 因此，建议基加利市公路施工中所用橡胶粉体积 分数控制为０．０２４。 图４橡胶水泥混凝土抗压性能与橡胶粉体积分数的关系 Ｆｉｇｕｒｅ ４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｒｕｂ— ｂｅｒ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｎｄ ｒｕｂｂｅｒ ｐｏｗｄｅｒ 由图４可知：橡胶水泥混凝土自身抗压强度 会因橡胶粉体积分数增加而随之减少，在掺入＜ 第４期 司晓炜：公路工程中的橡胶水泥混凝土动态力学性能分析 ２４５ ０．０３４时，所得物质抗压强度与橡胶粉体积分数 展现良好的线形关系，这３种目数大小的水泥其 抗压强度在掺人量超过０．０３４体积分数时，抗压 强度下降幅度明显增加。由此表明，橡胶颗粒越 细，同一种掺量的橡胶水泥混凝土强度更大 。 试验。研究结果证实，①由于橡胶粉掺入量的增 加，水泥混凝土弹性模量出现下降的趋势；②水 泥混凝土抗压强度会因橡胶粉掺量的增多随之减 小，但其抗弯拉强度呈现先增加后减小的趋势。 ③当橡胶粉体积分数超过０．０２４时，随着橡胶粉 掺量增多有所增加，随之快速下降。因此，基加 利市１ 、２ 道路改造中，施工人员必须综合考虑 因此，依据橡胶混凝土的抗压强度变化情况分析， 建议本次建设工程橡胶掺量低于０．０３４。 综合分析图３、图４发现：橡胶粉粒径越小， 制作的橡胶水泥混凝土抗压强度、抗弯拉强度更 大。分析其原因为，橡胶粉颗粒粉碎时，其表面 呈现不规则毛刺状或锯齿状，颗粒越小其纤维化 效果更好 ｏ 。在水泥混凝土内掺入相同的橡胶颗 粒，添加橡胶粉颗粒越小，其纤维增强效应明显 大于大粒径橡胶水泥混凝土，这种混凝土的强度 更大 。必须注意，由于橡胶颗粒越小加工成本 强抗弯拉强度、抗压强度及其经济性，本试验建 议在水泥混凝土内掺人０．０２４体积分数、４０目的 橡胶粉更适合，该方案可在其他公路、机场道路 工程中推广使用。 ［参考文献］ ［１］ 杨彪，刘焰．橡胶微粒水泥基复合材料力学性能研究［Ｊ］．公 路交通技术，２０１５，１７（４）：３７—４１． 越大，其经济成本、机械磨耗量明显增加，因此， 建议本次道路改造工程选用４０目粒径的橡胶粉， ［２］杨锐，王兆．橡胶集料混凝土路面耐磨性能应用研究［Ｊ］．公 路工程，２０１４，１６（４）：２２—２５，６３． ［３］李伟，黄振，王晓初，等．胶乳改性橡胶混凝土基本力学性能 研究［Ｊ］．建筑科学，２０１５，３１（３）：６８—７２． ［４］王忠志，张建国，高鑫宇，等．废旧轮胎橡胶颗粒对路用泵送 其掺入量控制为０．０２４体积分数。 ４ 结论 综上所述，在水泥混凝土中掺加适量的橡胶 粉，不仅能有效改善混凝土的韧性和抗压及抗冲 击性能，也能有效解决水泥混凝土缺陷对公路路 面产生的不良影响。本文以基加利市公路１ 、２ 改造项目为研究对象，通过分析这两条道路存在 的病害问题，对改造道路工程中所用橡胶水泥混 混凝土力学性能的影响［Ｊ］．黑龙江交通科技，２０１４，１９（１０）： ４０—４ｌ ［５】李宁，马磊，司伟，等．橡胶粉对嵌锁密实水泥混凝土强度特 性的影响分析［Ｊ］．材料导报，２０１４，２８（２２）：１１４—１１８． ［６］ 李宁，马螽，司伟，等．橡胶粉嵌锁密实水泥混凝土抗弯拉强 度的影响分析［Ｊ］．合肥工业大学学报：自然科学版，２０１５，１７ （９）：１２５４—１２５９． ［７］许翊，刘涛．橡胶粉掺量和粒径对混凝土物理力学性能的影 响研究［Ｊ］．公路工程，２０１５，４０（１）：２６６—２６９． 凝土强度、橡胶粉掺入量、颗粒大小等因素进行 （上接第２４１页） 混凝土早期开裂的风险。 避免这一风险的出现，表明冷却水管的埋设对大体 积混凝土的温控起重要重用。 ５ 总结 ①借助有限元软件Ｍｉｄａｓ模拟并分析了南洞 庭湖特大桥塔座以及首节塔柱大体积混凝土的温度 ③该研究结果可为类似大体积混凝土施工提 供了参考。 ［参考文献］ ［１］ 刘志勇．马岭河特大桥８号塔座温度控制方案［Ｊ］．山西科 技，２００７（５）：１３１—１３２． 和应力水平，都能满足规范要求；通过理论温度与 实际温度监测对比，得出Ｍｉｄａｓ有限元模拟可靠性 较高。 ②在未埋设冷却水管的条件下，首节塔柱最 大主拉应力可达３．２４ ＭＰａ，超出规范要求的容许 应力值，存在早期开裂的风险，而埋设冷却水管能 ［２］ 杨牧盘．基于主动温控技术的塔座大体积混凝土施工方案 ［Ｊ］．公路交通科技，２０１６（３）：７—９． ［３］ 胡益涛，李蛟．索塔结合段混凝土塔座水化热效应分析于控 制［Ｊ］．公路交通科技，２０１３（１０’）：２２９—２３２．
