聚乙烯醇纖維增強水泥穩(wěn)定碎石材料性能研究

李彩霞

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路與鐵道工程學(xué)院，陜西 西安　710018)

目前，半剛性基層是中國高等級公路基層的最主要結(jié)構(gòu)形式。其具有強度高、剛度大、抗沖刷能力強及成本低等優(yōu)點，但抗裂性差的缺點也十分突出[1]，主要表現(xiàn)為：基層材料容易在含水量或溫度發(fā)生變化時產(chǎn)生較明顯的收縮變形，從而形成路面基層的收縮裂縫，進(jìn)而引起瀝青碎石面層的開裂。水泥穩(wěn)定碎石基層的收縮裂縫是因為材料內(nèi)部的收縮拉應(yīng)力超出了材料的抗拉強度形成的，研究[2-3]表明：合適的纖維摻入可有效地抑制早期裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，有效改善水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性能，最常見的是摻加以鋼纖維為代表的剛性纖維和以聚丙烯纖維為代表的柔性纖維。但鋼纖維材料具有分散性差和對攪拌設(shè)備磨損嚴(yán)重等問題[4]；聚丙烯纖維其粘結(jié)性較差和抗拉強度低等問題[5]。本研究結(jié)合國內(nèi)、外研究現(xiàn)狀[3]，擬提出通過摻加柔性纖維聚乙烯醇纖維來增強水泥穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)性能和抗裂性能。

1　原材料性質(zhì)及試驗方法

1.1　原材料性質(zhì)

1.1.1聚乙烯醇纖維

聚乙烯醇纖維(Polyvinyl Alcohol Fiber，簡稱為PVA纖維)具有較高的強度和模量、耐酸堿腐蝕性好、降解周期長及無毒害環(huán)保性能好等優(yōu)點，在《國家鼓勵的有毒有害原料(產(chǎn)品)替代品目錄(2016年版)》中，建議使用高強度高模量PVA纖維代替毒性較大的石棉作為水泥制品增強材料。本研究使用的PVA纖維是重慶英筑建材生產(chǎn)的高強高模聚乙烯醇纖維，外觀為銀白色、絲狀纖維束。其主要技術(shù)指標(biāo)為：線密度2.0±0.25 dtex，纖維長度15 mm，纖維直徑20 μm，熔點220 ℃，燃點600 ℃，拉伸強度1 400 MPa，斷裂伸長率≥10%，楊氏模量35.5 GPa。

1.1.2水泥

采用陜西千陽海螺水泥廠的海螺牌32.5普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)性能為：細(xì)度4.0%，初凝時間362 min，終凝時間496 min，安定性合格，3 d抗壓強度16.6 MPa，3 d抗折強度3.9 MPa，28 d抗壓強度33.7 MPa，28 d抗折強度8.2 MPa。

1.1.3集料

采用陜西秦富石料廠生產(chǎn)石灰?guī)r碎石，石質(zhì)堅硬、清潔、不含風(fēng)化顆粒，碎石的級配采用規(guī)范中值，見表1。

表1　碎石的級配Table 1　Gravel gradation

1.1.4其他

采用飲用水作為試驗拌和、養(yǎng)護(hù)用水。

1.2　試驗方法

1.2.1方案設(shè)計

為了有效探索不同PVA纖維摻量對水泥穩(wěn)定碎石材料性能的影響，本研究以4.5%水泥用量的普通水泥穩(wěn)定碎石為基準(zhǔn)配合比，分別研究PVA纖維摻入量占水泥穩(wěn)定碎石混合料質(zhì)量的0‰,0.4‰,0.8‰和1.2‰時，水泥穩(wěn)定碎石材料的強度、剛度和抗裂性的變化情況。試驗選取無側(cè)限抗壓強度、劈裂抗拉強度表征試件強度、選取抗壓回彈模量表征剛度、選取干縮性能和溫縮性能表征抗裂性。

1.2.2試件制備

本試驗試件成型、養(yǎng)護(hù)和試驗嚴(yán)格遵照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程(JTG E51-2009)》[6]，其中：無側(cè)限抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗試件采用標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件，試件規(guī)格為φ150 mm× 150 mm；干縮試驗和溫縮試驗因成型條件限制，使用中梁試件代替，試件規(guī)格為 100 mm× 100 mm×400 mm。為保證PVA纖維均勻分散到水泥穩(wěn)定碎石材料中，試驗采用強制式混凝土攪拌機(jī)攪拌。

2　試驗結(jié)果及分析

2.1　最佳含水率和最大干密度

制備試件前，采用重型擊實方式，對比不同PVA纖維摻量的水泥穩(wěn)定混合料的最佳含水率和最大干密度。采用多功能自控電動擊實儀進(jìn)行重型擊實試驗，其結(jié)果見表2。

表2　不同PVA纖維摻量下，水泥穩(wěn)定碎石混合料標(biāo)準(zhǔn)擊實結(jié)果Table 2　Test results of standard compaction by different contents of PVA fiber

從表2中可以看出，在PVA纖維摻量較小時，水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水率和最大干密度隨著PVA纖維摻量的增加變動較小，其變化值低于《公路無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程(JTGE51-2009)》中規(guī)定2次重復(fù)性試驗最佳含水率的容許值。由此可知，當(dāng)PVA纖維摻量較小時，不影響水泥穩(wěn)定碎石材料的最佳含水率和最大干密度。

2.2　強度試驗

強度是指材料試件在外在荷載作用下抵抗破壞的能力，是表征工程材料使用性能的重要指標(biāo)。水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度和劈裂抗拉強度的計算公式分別為：

(1)

(2)

式中：Rc為無側(cè)限抗壓強度，MPa；Ri為劈裂抗拉強度，MPa；P為試件破壞時的最大壓力，N；A為試件的截面積，mm2；D為試件直徑，mm；h為試件浸水后的高度，mm。

水泥穩(wěn)定碎石不同齡期的無側(cè)限抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗結(jié)果見表3。

表3　水泥穩(wěn)定碎石強度試驗結(jié)果Table 3　Strength results of cement-stabilized macadam

從表3中可以看出，PVA纖維的摻入對水泥穩(wěn)定碎石試件的抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響趨勢相同，表現(xiàn)為摻入PVA纖維的水泥穩(wěn)定碎石試件的7 d無側(cè)限抗壓強度較未摻纖維試件的小，且摻入量越多，強度變小趨勢越明顯。摻入PVA纖維的水泥穩(wěn)定碎石試件的28 d和90 d無側(cè)限抗壓強度、劈裂抗拉強度均有明顯的提高。在一定摻入范圍內(nèi)，試件強度隨著PVA纖維摻量的增加而增加。當(dāng)摻量超過一定范圍后，試件強度增長趨勢不明顯，甚至出現(xiàn)下降的情況。在0.8‰摻配比例下，最高可將水泥穩(wěn)定碎石試件的90 d無側(cè)限抗壓強度提高14.4%，將其90 d劈裂抗拉強度提高18.5%。

2.3　抗壓回彈模量試驗

材料的剛度是指材料變形對外在荷載的敏感程度，可以一定程度上反映半剛性材料的抗裂性，常用來表征水泥穩(wěn)定碎石材料剛度的指標(biāo)是抗壓回彈模量。本試驗采用頂面法，測定不同PVA纖維摻量下水泥穩(wěn)定碎石試件的28 d和90 d抗壓回彈模量，測試結(jié)果見表4。

表4　水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量試驗結(jié)果Table 4　Compression modulus of resilience test results for cement-stabilized macadam

從表4中可以看出，摻入PVA纖維的水泥穩(wěn)定碎石材料的抗壓回彈模量的增長規(guī)律與其強度增長規(guī)律相似，表現(xiàn)為試件抗壓回彈模量隨著PVA纖維摻量的增加而逐步增加。當(dāng)PVA纖維摻量超過一定比例后，試件抗壓回彈模量增長的趨勢不明顯。在0.8‰摻配比例下，最高可將水泥穩(wěn)定碎石試件的90 d抗壓回彈模量提高8.9%。

2.4　收縮試驗

為研究摻入PVA纖維對水泥穩(wěn)定碎石材料的抗裂性能的影響，分別測定不同PVA纖維摻量下干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)，其結(jié)果見表5。

表5　水泥穩(wěn)定碎石干縮和溫縮試驗結(jié)果Table 5　Test results of drying shrinkage and temperature shrinkage

注：本試驗的溫縮系數(shù)為試件在高溫區(qū)段(10～50 ℃)的平 均值。

從表5中可以看出，摻入PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)均有明顯的改善，且隨著摻量的增加而減小。當(dāng)PVA纖維摻量達(dá)到一定量后，其變化趨勢變緩。在0.8‰摻配比例下，可將其干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)分別降低55%和58.7%。

3　PVA纖維作用機(jī)理研究

3.1　PVA纖維粘合和受力機(jī)理研究

水泥穩(wěn)定碎石材料的強度主要由集料與集料之間的嵌擠作用、集料顆粒之間的粘結(jié)作用及水泥水化產(chǎn)物決定，摻入PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石的強度還受到纖維和水泥穩(wěn)定碎石之間聯(lián)結(jié)力的影響。研究結(jié)果表明：PVA纖維的粘合作用是其影響混合料力學(xué)性能的因素之一。拌和分散后的PVA纖維均勻分散在水泥穩(wěn)定碎石材料中，并與水泥膠凝材料有效粘合。在外力作用時，只有將纖維從混合料中拔出或拉斷時，才能破壞PVA纖維的粘合作用力。

PVA纖維通過改善混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和改變混合料的應(yīng)力場來增強水泥穩(wěn)定碎石混合料的宏觀力學(xué)性能。內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面，隨機(jī)分散的PVA纖維容易與水泥穩(wěn)定碎石混合料均勻混合，并且由于較大的比表面積，在混合料中形成無數(shù)多個三維多向支撐體系，有效分散了水泥穩(wěn)定碎石早期發(fā)生的干縮或溫縮應(yīng)力，一定程度上抑制了細(xì)密裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，提高了水泥穩(wěn)定碎石材料的介質(zhì)完整性。改善混合料的應(yīng)力場方面，摻入水泥穩(wěn)定碎石材料中的PVA纖維具有強度高、模量大，在材料受外力發(fā)生破裂、產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展時，由于PVA纖維與水泥穩(wěn)定碎石之間存在著粘結(jié)力，并會產(chǎn)生較大的變形，使之吸收了外力的能量，約束了裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展，提高了混合體的韌性和抗裂性。

3.2　PVA纖維增強混合料性能試驗結(jié)果分析

在試件成型早期(如：7 d)，由于水泥穩(wěn)定碎石中的水泥還在水化，PVA纖維與水泥膠凝材料之間的結(jié)合較弱，同時纖維阻隔了水泥網(wǎng)狀晶體的形成[7]，造成摻入纖維的試件早期強度偏低，其中，纖維摻量越大越明顯。在試件養(yǎng)護(hù)超過一段時間后(如：28 d后)，水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗壓回彈模量、干縮性能及溫縮性能會隨著摻入PVA纖維摻入量的增加而發(fā)生明顯改善，其原因是摻入纖維與混合料的粘結(jié)和固定作用增強，逐漸形成了統(tǒng)一的受力體，改變了混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)力場。隨著纖維摻量的不斷增加，水泥膠凝材料不能完全包裹摻入的纖維，過多的纖維未能有效地形成受力體，反而在一定程度上成為混合料內(nèi)部的“雜質(zhì)”，造成混合料力學(xué)性能改善不明顯，甚至下降。

4　結(jié)論

經(jīng)試驗和分析摻入聚乙烯醇(PVA)纖維對水泥穩(wěn)定碎石材料力學(xué)性能的影響，得到的結(jié)論為：

1) PVA纖維在水泥穩(wěn)定碎石混合料中摻量較小時(如：小于1.2‰)，對拌和物的最佳含水率和最大干密度無明顯影響。

2) PVA纖維的摻入能有效改善水泥穩(wěn)定碎石材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)力場，進(jìn)而改善水泥穩(wěn)定碎石材料的力學(xué)性能和抗裂性能。

3) 在成型早期，PVA纖維改善水泥穩(wěn)定碎石材料性能表現(xiàn)不明顯。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，材料性能發(fā)生明顯改善。

4) PVA纖維在水泥穩(wěn)定碎石中摻量比例過高，不能繼續(xù)改善水泥穩(wěn)定碎石材料的性能。考慮工程經(jīng)濟(jì)性原則，建議PVA纖維在水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳摻量為0.8‰。

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