半剛性材料配合比設(shè)計及力學(xué)性能研究

張新旺

(平頂山市公路管理局， 河南 平頂山 467000)

半剛性材料主要由水泥、石灰、粉煤灰和集料組合而成，常用的組合有水泥+集料和石灰+粉煤灰+集料，即水泥穩(wěn)定類和二灰穩(wěn)定類基層[1,2]。但是對于水泥+石灰+粉煤灰+集料組合成的水泥石灰粉煤灰穩(wěn)定類基層研究很少[3,4]。深入研究分析水泥石灰粉煤灰穩(wěn)定類與石灰粉煤灰穩(wěn)定類和水泥穩(wěn)定類的抗裂性能優(yōu)劣問題具有十分重要的意義[5,6]。

半剛性材料開裂的產(chǎn)生，不管是荷載型還是非荷載型裂縫，其主要原因是收縮應(yīng)力或荷載應(yīng)力超過材料最大的抗彎拉應(yīng)力，因此提高半剛性材料抗彎拉應(yīng)力也是提高抗裂性能的一個重要方法。而從理論上講，在半剛性材料中加筋(纖維)是提高其抗彎拉應(yīng)力的一種有效方法。

基于此，本研究在砂礫骨架級配確定的基礎(chǔ)上，主要進行三灰砂礫細集料級配研究，深入分析細集料級配對三灰砂礫抗裂性能的影響；在級配研究的基礎(chǔ)上，選用抗裂性能好的級配，進行常用的半剛性基層結(jié)合料最佳配合比研究，從而優(yōu)化石灰粉煤灰砂礫、水泥粉煤灰砂礫以及水泥石灰粉煤灰砂礫配合比；選用最佳抗裂性能的級配和配合比作為基體材料，通過添加不同性能的聚丙烯纖維，進行半剛性復(fù)合材料抗裂性能研究。

1 試驗配合比組成

石灰粉煤灰(簡稱二灰)比例對混合料強度的影響很大。試驗選擇了五種二灰比例，即石灰∶粉煤灰=1∶2，1∶2.5，1∶3，1∶3.5，1∶4(質(zhì)量比)，進行抗壓強度試驗，并以強度最大值對應(yīng)的二灰比例作為最佳二灰配比。得到二灰比例在1∶2.3左右的7天抗壓強度最大，因此本研究采用石灰∶粉煤灰=1∶2.3(質(zhì)量比)，由內(nèi)插法得到其最大干密度為1.25 g/cm3，最佳含水量為27.8%。

按W.B富勒(Fuller)的最大干密度曲線公式，得到的初定級配見表1所示。

表1 砂礫初定級配

現(xiàn)以初定砂礫級配為基準級配W-1，細集料采用逐級替代，得到六種砂礫級配見表2，旨在研究細集料級配對半剛性材料抗裂性能的影響。根據(jù)級配理論，針對平頂山地區(qū)原材料，可得二灰的合理填充量。

表2 六種集料級配匯總表(%)

為了研究不同結(jié)合料對半剛性基層材料性能的影響，進行了不同結(jié)合料的半剛性材料力學(xué)性能試驗，結(jié)合料類型如表3所示。

通過摻加纖維可以提高半剛性材料的抗拉強度，為了分析纖維的摻量、截面形狀、界面粗糙度對三灰砂礫劈裂強度的影響，還進行了摻加纖維帶和纖維網(wǎng)的試驗，如表4所示。

表3 不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的代號

表4 添加復(fù)合材料的三灰砂礫的代號

2 力學(xué)性能試驗及分析

作為路面主要承重層的半剛性基層必須具備足夠的強度和剛度，才能夠承受外力，并具有抵抗外力作用下的變形能力。同時還須具備一定的抗拉強度，才能使材料具有一定的抗裂性能。因此，在室內(nèi)對各種方案的基層材料進行無側(cè)限抗壓強度、抗壓回彈模量、抗彎拉強度試驗。

2.1 抗壓強度試驗結(jié)果及分析

2.1.1不同細集料級配三灰砂礫抗壓強度試驗

不同細集料級配三灰砂礫的抗壓強度試驗結(jié)果見圖1所示。

由圖1可知：合理的細集料級配對粗集料骨架的形成起到重要的作用，細集料過細對骨架結(jié)構(gòu)存在干涉現(xiàn)象，致使內(nèi)摩擦角減小，細集料過粗則對粗集料的骨架起不到很好的填充作用，導(dǎo)致粘聚力減小。而合理的細集料級配不但使骨架結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，而且還能起到很好的填充作用，使整體強度提高，該級配為W-3。故后面的研究均以W-3作為骨料級配。

2.1.2不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的抗壓強度試驗

半剛性基層材料要具備足夠的強度和剛度，在很大程度上取決于結(jié)合料的配比和用量，而在用量一定的情況下，配比尤為關(guān)鍵，因此進行不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫抗壓強度試驗，試驗結(jié)果見圖2、圖3所示。

圖3 不同水泥劑量穩(wěn)定砂礫抗壓強度隨齡期增長曲線

從圖2、圖3可知：各類半剛性基層的抗壓強度均隨齡期的增長而增大；各類材料的早期(28天前)強度中，水泥粉煤灰砂礫最大，二灰砂礫最小，三灰砂礫居中，而且三灰砂礫的強度隨水泥替代石灰量的增加而增大；材料的強度增長，90天前呈直線增長，90天后水泥粉煤灰砂礫和二灰砂礫明顯變緩，即在90天處存在強度增長拐點，而三灰砂礫90天后仍保持直線增長；齡期為180天的各類材料強度中，三灰砂礫最大，水泥粉煤灰砂礫次之，二灰砂礫最小。

試驗表明，三灰砂礫不但可以克服二灰砂礫的早期強度不足，而且后期強度比二灰砂礫和水泥粉煤灰砂礫高，由此說明三灰砂礫強度增長的優(yōu)越性，同時還可以通過調(diào)整三灰砂礫中的水泥用量來實現(xiàn)基層早期強度的要求。

2.1.3復(fù)合材料及規(guī)范級配三灰砂礫抗壓強度試驗

三灰砂礫摻加纖維后的抗壓強度、規(guī)范級配與最佳級配三灰砂礫的抗壓強度測試結(jié)果如圖4所示(GF指規(guī)范級配)。

圖4 復(fù)合材料、規(guī)范級配等三灰砂礫的強度增長曲線

由圖4可見：對于相同的結(jié)合料和結(jié)合料配比，砂礫的級配對于強度影響很大，如在三灰砂礫的原材料、配比一樣的情況下，本課題得到最佳級配的180天抗壓強度是規(guī)范級配的1.75倍；摻加纖維降低了三灰砂礫的抗壓強度，同時纖維尺寸對三灰砂礫強度的形成有一定影響，如摻加纖維絲(J-2-3)使三灰砂礫180天抗壓強度降低了25%，摻加纖維帶(J-2-Ⅲ)使三灰砂礫的180天抗壓強度降低了62%，這是因為纖維的加入影響了基層材料整體性的形成。

2.2 抗壓回彈模量試驗結(jié)果及分析

依據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTJ 057-94)，采用頂面法，測試了各類半剛性材料的抗壓回彈模量，試驗結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的抗壓回彈模量

圖6 復(fù)合材料及規(guī)范級配三灰砂礫的抗壓回彈模量

由圖5可知：抗壓回彈模量隨著齡期的增長而增大。在水泥和石灰用量相同的條件下，水泥穩(wěn)定類的抗壓回彈模量大于二灰類的抗壓回彈模量，而且水泥穩(wěn)定類的抗壓回彈模量隨水泥用量的增大而增大，同時三灰砂礫的抗壓回彈模量隨水泥劑量的增大而增大。

由圖6可知：三灰砂礫的抗壓回彈模量隨其添加纖維而減小，而且劑量和纖維尺寸越大其抗壓回彈模量越小。

基層剛度越大結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就越大，使結(jié)構(gòu)越容易產(chǎn)生溫度收縮裂縫，所以從抗裂角度出發(fā)，在滿足強度要求的前提下，剛度越小越好；但是從路面的結(jié)構(gòu)層設(shè)計角度來說，剛度越大則結(jié)構(gòu)層厚度就越薄，所以結(jié)構(gòu)層設(shè)計要求剛度越大越好。當(dāng)然，若層間的剛度相差太大，將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，特別是在干燥收縮和溫度收縮的綜合影響下，也使路面的抗裂性能降低，因此，合適的基層剛度不僅可提高抗裂性能，還可以優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計。綜上所述，在強度滿足要求的前提下(J-1的7天強度為0.48 MPa，不滿足規(guī)范要求)，剛度越小抗裂性能越好，因此由強度、剛度得到J-2的抗裂性能最佳。

2.3 抗拉強度試驗結(jié)果及分析

作為路面的主要承重層，半剛性基層材料還必須具備一定的抗拉強度，以滿足行車荷載的需要。其中劈裂強度和抗折強度就是目前用來衡量抗拉強度的兩個基本指標。

2.3.1劈裂試驗

通過摻加纖維可以提高半剛性材料的抗拉強度，所以本研究以纖維劑量和齡期為變量進行材料的劈裂強度試驗，以期得到纖維的最佳摻量和測定該最佳摻量的最佳齡期。試驗結(jié)果見圖7所示。

圖7 添加纖維絲三灰砂礫劈裂強度

從圖7可知：纖維的加入可提高三灰砂礫的劈裂強度；摻纖維三灰砂礫的劈裂強度與纖維摻量存在一個峰值，即存在一個峰值強度對應(yīng)的最佳纖維摻量。

摻加纖維與不加纖維的劈裂強度增加百分率，具體計算如下：

計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 添加纖維絲后三灰砂礫劈裂強度增長百分率

由圖8可知：摻纖維三灰砂礫劈裂強度的增長率隨纖維摻量大致呈拋物線變化，即劈裂強度增長率隨著纖維摻量的增加而增加，當(dāng)達到某一峰值后，劈裂強度增長率隨著纖維摻量的增加而減少，該峰值為0.15‰；與其它齡期相比，28天劈裂強度的增長率最大，因此，以28天齡期作為測定最佳纖維用量的齡期，以此優(yōu)選纖維絲的最佳用量為0.15‰。

劈裂強度隨纖維摻量呈現(xiàn)拋物線變化的原因是：從理論上講，增加纖維摻量，其劈裂強度會提高，但摻量大于某一定值時，摻纖維三灰砂礫的劈裂強度不僅不隨纖維摻量的增加而提高，反而有下降的趨勢。這是由于纖維摻量太大時，工藝上不能保證基體與纖維的均勻分布，以致有的纖維周圍沒有基體，形成缺陷(如空隙、微裂紋等)，導(dǎo)致劈裂強度下降。所以三灰砂礫中纖維摻量不能太大，應(yīng)有一個最佳值。

為了分析纖維的截面形狀、界面粗糙度對三灰砂礫劈裂強度的影響，還進行了摻加纖維網(wǎng)、纖維帶三灰砂礫28天的劈裂強度試驗，并與其它種類纖維對三灰砂礫的增加效果進行了橫向?qū)Ρ?。試驗結(jié)果見圖9所示。

圖9 摻加不同纖維三灰砂礫的28天劈裂強度

從圖9可知：不同種類纖維的加入均提高了三灰砂礫的28天劈裂強度，其中添加纖維帶的劈裂強度提高48.7%(J-2-Ⅲ，摻量0.3‰)，添加纖維絲的劈裂強度提高61.3%(J-2-3，摻量0.15‰)，添加纖維網(wǎng)的劈裂強度提高80%(J-2-a，摻量0.15‰)。由此可知：相同添加劑量、尺寸一樣的纖維，界面粗糙的纖維對劈裂強度的提高更大，這是因為纖維網(wǎng)與半剛性材料的界面粘結(jié)比纖維絲牢固。而纖維帶的摻加劑量是纖維絲的兩倍，但對三灰砂礫劈裂強度的提高卻比纖維絲小，這說明纖維的截面尺寸對劈裂強度也有很大的影響，因為纖維截面尺寸越小，它與半剛性基體材料越能形成整體，缺陷越少。

由此可見，摻加纖維三灰砂礫劈裂強度的大小不但與纖維的劑量有關(guān)，而且與纖維的斷面尺寸、界面粗糙狀況等有關(guān)。因此，摻加纖維三灰砂礫的纖維斷面尺寸越小、界面越粗糙，提高其抗彎拉能力就越大。

2.3.2抗折強度試驗

抗折強度試驗的試驗方法參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTJ 057-94)，試件尺寸為10 cm的中梁，90天齡期的試驗結(jié)果見圖10～圖12所示。

由圖10可見，三灰砂礫的90天抗折強度隨細集料級配的變粗出現(xiàn)一個峰值，即抗折強度隨細集料變粗而變大，然后隨細集料變粗而減小。該峰值抗折強度的級配為W-3。

圖10 不同細集料級配三灰砂礫的90天抗折強度

圖11 不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的90天抗折強度

圖12 添加纖維及規(guī)范級配三灰砂礫的90天抗折強度

由圖11、圖12可見，合理的砂礫級配明顯地提高了三灰砂礫的抗折強度，如本研究設(shè)計的最佳級配三灰砂礫(J-2)，其抗折強度是規(guī)范級配三灰砂礫(GF)的1.42倍。另外，添加纖維使三灰砂礫的抗折強度得到明顯的提高，如添加纖維帶(J-2-Ⅲ)的抗折強度是不加纖維三灰砂礫(J-2)的1.32倍，添加纖維絲(J-2-3)則為1.42倍。

抗折強度試驗結(jié)果表明，有三種提高抗折強度的方法，一是通過試驗研究改善砂礫的級配；二是添加纖維；三是提高材料的抗壓強度。三種方法相比而言，級配的控制不易進行，通過提高抗壓強度也不會有好的效果，而通過摻加纖維提高半剛性材料抗裂性能，既利于實際操作又有很好的提高抗裂效果。

3 結(jié) 論

(1) 半剛性材料在90天前，其抗壓強度隨齡期呈直線增長，90天后水泥粉煤灰砂礫(J-5、J-6)和二灰砂礫(J-1)明顯變緩，即在90天處存在強度增長拐點，而三灰砂礫(J-2、J-3、J-4)90天后的強度仍隨齡期保持直線增長。

(2) 通過試驗發(fā)現(xiàn)，合理的細集料級配使粗集料骨架結(jié)構(gòu)不受干涉，而且還能起到很好的填充作用，使其整體抗壓強度、抗折強度提高，該合理級配為W-3。

(3) 摻加纖維降低了三灰砂礫的抗壓強度，同時纖維尺寸對三灰砂礫強度的形成有一定的影響，這是因為纖維的加入影響了基層材料整體性的形成。

(4) 半剛性材料抗壓回彈模量隨著齡期的增長而增大。在水泥和石灰用量相同的條件下，水泥穩(wěn)定類的抗壓回彈模量大于二灰穩(wěn)定類的抗壓回彈模量，而且水泥穩(wěn)定類的抗壓回彈模量隨水泥用量的增大而增大，同時三灰砂礫的抗壓回彈模量隨水泥劑量的增大而增大。

(5) 三灰砂礫的抗壓回彈模量隨其添加纖維而減小，而且劑量和纖維尺寸越大其抗壓回彈模量越??；

(6) 摻加纖維三灰砂礫可提高半剛性材料的劈裂強度，而且存在一個峰值劈裂強度對應(yīng)的最佳纖維摻量和測試該最佳摻量的最佳齡期，該齡期為28天；其次，纖維的斷面尺寸、界面粗糙度對該最佳用量有很大影響；

(7) 在三灰砂礫中添加相同劑量、相同尺寸的纖維，界面粗糙的纖維對劈裂強度的提高更大，這是因為纖維網(wǎng)與半剛性材料的界面粘結(jié)比纖維絲牢固。

[1]郝培文, 胡長順, 張炳乾, 等. 半剛性基層材料抗沖刷性能的研究[J]. 西安公路交通大學(xué)學(xué)報, 2000, 20(2): 9-11.

[2]劉振清, 黃 衛(wèi). 優(yōu)化二灰穩(wěn)定尾礦料用作基層材料的研究[J]. 粉煤灰綜合利用, 2002, (5): 6-9.

[3]許學(xué)民, 朱浮聲. 六盤山地區(qū)水泥石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石基層路用性能研究[J]. 公路交通科技, 2009, 26(6): 59-63.

[4]平樹江, 李漢江, 劉好成. 粉煤灰在公路路面底基層中的應(yīng)用研究[J]. 粉煤灰綜合利用, 2004, (5): 12-14.

[5]汪海年, 郝培文, 龐立果, 等. 基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的粗集料級配特征[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2007, 35(11): 54-59.

[6]嵇志榮, 王 杰, 夏桂英. 長白山機場抗凍混凝土配合比設(shè)計[J]. 江西建材, 2009, (2): 7-13.