聚丙烯纖維對水泥冷再生材料力學(xué)及收縮性能影響研究

宋金華 繆一飛

摘要 選用聚丙烯粗纖維（PPTF）和普通聚丙烯單絲纖維（PP-Fiber）作為水泥穩(wěn)定冷再生基層材料的外摻劑，對外摻2種聚丙烯纖維和未摻加纖維的水泥冷再生3種類型材料進(jìn)行強(qiáng)度、剛度力學(xué)實(shí)驗(yàn)及干縮、溫縮特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維的加入使水泥冷再生復(fù)合材料的強(qiáng)度先降低后升高，同時(shí)顯著提高其韌性;纖維的加入還能有效改善材料的干縮抗裂性能和抗溫度收縮性能，且聚丙烯粗纖維（PPTF）的抗縮裂改善效果優(yōu)于普通聚丙烯單絲纖維（PP-Fiber），指出在水泥穩(wěn)定冷再生基層材料中摻入聚丙烯粗纖維（PPTF）的最佳摻量應(yīng)為0.1%～0.15%。

關(guān) 鍵 詞 聚丙烯纖維;水泥冷再生;強(qiáng)度試驗(yàn);剛度試驗(yàn);干縮特性試驗(yàn);溫縮特性試驗(yàn)

中圖分類號 U416.03 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

水泥穩(wěn)定類半剛性基層的強(qiáng)度和剛度大，承載能力強(qiáng)，是我國目前各等級公路中應(yīng)用最多的基層類型，但半剛性基層易產(chǎn)生因溫度變化和含水率降低而導(dǎo)致的縮裂，影響道路使用壽命[1-2]。目前國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對于防治半剛性基層的兩類縮裂進(jìn)行過大量的試驗(yàn)研究，一方面從混合料自身角度入手，改善級配及水泥摻量;另一方面則是通過外摻各類改善劑如減水劑、膨脹劑及纖維、橡膠顆粒等材料以提高混合料的綜合抗裂能力[3]。

水泥穩(wěn)定類冷再生基層作為水泥穩(wěn)定碎石的一個(gè)衍生方向，近些年來以其優(yōu)異的環(huán)保價(jià)值和便捷的施工操作被廣泛運(yùn)用于各類道路的翻修再生工程中[4]。相較新集料而言，再生結(jié)合料的強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，且表面可能裹附有舊的瀝青材料或水泥砂漿形成夾層，在同一情況下所形成的穩(wěn)定類基層強(qiáng)度較低;再加上舊料比表面積更大，吸水性較新料更強(qiáng)，導(dǎo)致水泥冷再生類材料的最佳含水量比水泥穩(wěn)定碎石高，因此更容易發(fā)生縮裂[5]。

有文獻(xiàn)指出[6-8]，聚丙烯纖維對提高水泥穩(wěn)定碎石的抗縮裂性能有著突出作用，但同時(shí)也會影響水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能，因此在水泥冷再生基層中應(yīng)用聚丙烯纖維作為提高結(jié)構(gòu)抗裂性能的外加劑還需經(jīng)過一定驗(yàn)證。為此本文擬選取聚丙烯粗纖維和普通聚丙烯單絲纖維兩種外摻纖維作為改善劑，對加入纖維后的水泥穩(wěn)定冷再生材料的力學(xué)性能的變化規(guī)律及抗裂性能的改善程度進(jìn)行對比研究。

1 原材料試驗(yàn)

1.1 水泥

本次試驗(yàn)所選擇的水泥為河北金隅鼎鑫P·C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，各項(xiàng)性能檢測指標(biāo)見表1。

1.2 RAP料

本次試驗(yàn)所選取的冷再生銑刨料為河北石家莊市省道S393贊皇段面層及部分基層銑刨料（舊路面面層為4 cm AC-13細(xì)粒式瀝青混凝土+5 cm AC-13粗粒式瀝青混凝土+18 cm水泥穩(wěn)定碎石）。對銑刨料恒溫干燥24 h后再進(jìn)行篩分試驗(yàn)并繪制級配曲線（其中級配限值參照半剛性基層骨料級配范圍），結(jié)果見圖1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所選試驗(yàn)路段舊路銑刨料的級配組成符合規(guī)范要求，因此可以選定該銑刨料直接作為再生層的骨料進(jìn)行利用，無需添加新集料。

1.3 纖維

試驗(yàn)所選用聚丙烯纖維分為2種，其中常規(guī)聚丙烯纖維選自山東泰安同伴公司所生產(chǎn)的PP-Fiber單絲聚丙烯纖維;聚丙烯纖維同樣選取該公司所生產(chǎn)的波浪形改性聚丙烯粗纖維PPTF（仿鋼纖維）。2種纖維的基本技術(shù)指標(biāo)見表2。

2 力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及試件制作

試驗(yàn)采用重型擊實(shí)試驗(yàn)對水泥穩(wěn)定冷再生料進(jìn)行最大干密度和最佳含水量的確定，試件成型方式為靜壓法，試件大小統(tǒng)一為Φ150 mm×150 mm，脫模后將試件用塑料薄膜覆蓋后轉(zhuǎn)移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的恒溫室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并于試驗(yàn)所需養(yǎng)護(hù)齡期（7 d、28 d）的前1 d將試件提取后進(jìn)行24 h恒溫水浴（20±2 ℃）。

實(shí)驗(yàn)所選取水泥穩(wěn)定冷再生料配合比統(tǒng)一按按水泥劑量5%進(jìn)行設(shè)計(jì)，2種纖維摻量分別選定0.07%、0.11%和0.15%，并設(shè)置一組不摻任何纖維的基準(zhǔn)配合比試件進(jìn)行對照，配合比編號及擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

2.2 強(qiáng)度試驗(yàn)及其結(jié)果

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）中的試驗(yàn)要求，對不同養(yǎng)生齡期下的各組試件分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見表4、表5。

觀察表4及表5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，摻加2種纖維的水泥冷再生結(jié)合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度較基準(zhǔn)配合比下的結(jié)合料相比均有顯著降低，按照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41-2008）中無機(jī)結(jié)合料類冷再生基層的技術(shù)指標(biāo)要求，作為二級公路基層的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa）限值為≥3.0，外摻單絲聚丙烯纖維的3組水泥冷再生試件均小于該值。但當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期至28 d時(shí)發(fā)現(xiàn)外摻纖維的水泥冷再生結(jié)合料的強(qiáng)度增長明顯，并于各自摻量為0.11%下出現(xiàn)峰值，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別較基準(zhǔn)配合比下的強(qiáng)度增長2.3%和6.2%;劈裂強(qiáng)度則分別在F2及T3摻量下增長了2.0%和18.1%。

這是由于在外摻纖維后，水泥冷再生材料中的早期水泥水化受阻，導(dǎo)致水泥與集料間的粘結(jié)力較低，因此在齡期較短時(shí)外摻纖維的水泥冷再生結(jié)合料強(qiáng)度低于未摻纖維的結(jié)合料。但隨著齡期增長，水泥水化產(chǎn)物逐漸變多，進(jìn)一步裹附纖維和集料，使纖維與集料間錨固作用得到發(fā)揮，限制了集料間的相對滑移，因此當(dāng)試件破壞時(shí)所承受的荷載越大，結(jié)合料的強(qiáng)度得到提升。

觀察2種不同外摻纖維下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)PPTF對結(jié)合料早期強(qiáng)度的限制作用較常規(guī)聚丙烯單絲狀纖維而言更低;且隨著聚丙烯粗纖維摻量的增大，劈裂強(qiáng)度也隨之提高。這是由于冷再生結(jié)合料中骨料的致密性較差且表面粗糙，較粗的纖維在嵌入骨料間的縫隙中后更能起到加筋和錨固作用[8]。

2.3 剛度試驗(yàn)及其結(jié)果

水泥冷再生結(jié)合料的剛度試驗(yàn)參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）中水泥穩(wěn)定碎石的試驗(yàn)要求，抗壓回彈模量采用頂面法，劈裂回彈模量采用與劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)相同的壓條并于加載板兩側(cè)各安裝固定一個(gè)千分表。2種模量測定選取最大荷載均為破壞荷載的0. 6倍，分5級加載測定回彈變形量，讀取千分表讀數(shù)并分別按式（1）、式（2）進(jìn)行模量計(jì)算。

觀察表6及表7中試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在摻入2種纖維后，7 d齡期下和28 d齡期下的回彈模量均隨纖維的摻入而呈現(xiàn)下降的趨勢，且摻量與剛度降低量成正比。說明纖維的加入會降低復(fù)合材料的剛度，提高復(fù)合材料的柔性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)外摻2種不同形態(tài)的聚丙烯纖維較基準(zhǔn)配合比剛度降低值差異不大。

3 干縮性能試驗(yàn)

3.1 干縮試驗(yàn)準(zhǔn)備及方法

干縮試驗(yàn)參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）中水泥穩(wěn)定碎石中梁（100 mm×100 mm×400 mm）試件進(jìn)行水泥冷再生結(jié)合料試件的制備，振動(dòng)成型，壓實(shí)度≥98%。將成型試件靜置4 h后放入養(yǎng)護(hù)室（20±2 ℃，濕度≥95%）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，到達(dá)指定齡期后取出試件進(jìn)行試驗(yàn)。

干縮試驗(yàn)在40 ℃恒溫箱內(nèi)進(jìn)行，按照之前力學(xué)性能試驗(yàn)中所選取的配合比及纖維摻量設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)組，每組試塊選定為3個(gè)，其中2個(gè)采用千分表支架法測定試塊的收縮變形，1個(gè)用于測定規(guī)定時(shí)間下的質(zhì)量，以反映含水量變化。考慮到含水量早期變化程度較大，后期變化減緩，因此在最初的24 h內(nèi)每隔2 h測定一次含水量和千分表讀數(shù)，24 h后每隔4 h測定一次，直至連續(xù)3次所測得含水量變化值趨于零為止。

3.2 干縮試驗(yàn)結(jié)果

將經(jīng)干縮試驗(yàn)測定的千分表讀數(shù)分別進(jìn)行記錄，并按式（3）的干縮應(yīng)變計(jì)算式進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)，并分別將7 d、28 d齡期下最大干縮應(yīng)變結(jié)果繪制為折線圖（圖2、圖3）。

觀察試驗(yàn)結(jié)果可以看出，7 d齡期下，外摻單絲聚丙烯纖維的試件和外摻聚丙烯粗纖維的試件其最大干縮形變抑制量相近，但至28 d齡期時(shí)，外摻聚丙烯粗纖維的試件干縮形變要明顯低于前者;同時(shí)28 d齡期下，F(xiàn)2、T2摻量的平均干縮系數(shù)均達(dá)到最小。

在外摻纖維后，一方面由于纖維阻塞了毛細(xì)孔，使得水分遷移能力降低，另一方面纖維與基體材料中的骨料及水泥水化產(chǎn)物形成機(jī)械擠嵌作用，限制了材料內(nèi)部骨料的相對滑移。此外由于纖維自身與基體材料較大的熱膨脹差異，形成“導(dǎo)管”效應(yīng)，使得外界應(yīng)力相同條件下，更多的應(yīng)力通過纖維進(jìn)行傳遞和消散，從而降低材料的干縮應(yīng)變[9]。隨著兩種纖維摻量的增加，干縮應(yīng)變較基體材料均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。

將配合比編號為W、F2、T2這3組試件的干燥收縮過程所獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分別繪制累計(jì)干縮應(yīng)變—累計(jì)失水量、平均干縮系數(shù)—累計(jì)失水量關(guān)系圖，見圖4、圖5。

觀察圖4、圖5可以看出，外摻纖維的2組試件累計(jì)干縮應(yīng)變與平均干縮系數(shù)均較基準(zhǔn)配合比試件組有明顯提升，T2與F2在累計(jì)失水量小于3. 0%之前的累計(jì)干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)相近，但當(dāng)累計(jì)失水量大于3. 0%后，T2的累計(jì)干縮應(yīng)變增長速度要明顯緩于F2，平均干縮系數(shù)降低值也較F2而言更低，降低基體材料對于水分的敏感程度更優(yōu)異。

4 溫縮性能試驗(yàn)

4.1 溫縮試驗(yàn)方法

溫縮性能試驗(yàn)采用應(yīng)變片法對試件進(jìn)行測定，試驗(yàn)在高低溫環(huán)境箱中進(jìn)行，結(jié)合路面基層冬夏季極限溫度狀況，將溫度變化范圍選定為-20～40 ℃，將環(huán)境箱溫度初值設(shè)為40 ℃，降溫速度0. 5 ℃/min，以每降低10 ℃為一階段，到達(dá)指定溫度后恒溫4 h后記錄應(yīng)變值，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟至最低實(shí)驗(yàn)溫度為止。

試驗(yàn)選取各配合比實(shí)驗(yàn)組中試件為每組3個(gè)，選取無機(jī)硅酸鹽材料作為溫度補(bǔ)償片。分別在各組養(yǎng)護(hù)7 d及28 d條件下進(jìn)行試驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)所獲取數(shù)據(jù)保存記錄。

4.2 溫縮試驗(yàn)結(jié)果

對試驗(yàn)后所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將所獲取不同養(yǎng)護(hù)條件下各實(shí)驗(yàn)組的最大溫縮應(yīng)變繪制成折線圖（圖6、圖7）。

觀察圖6、圖7可以看出，在7 d養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著2種纖維摻量的增加，試件最大溫縮應(yīng)變均呈現(xiàn)降低趨勢，且摻入普通聚丙烯纖維的試驗(yàn)材料較摻入聚丙烯粗纖維的試驗(yàn)材料其溫縮應(yīng)變降低值更高;而在28 d養(yǎng)護(hù)齡期下則呈現(xiàn)與7 d齡期下恰好相反的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

將不同養(yǎng)護(hù)齡期下各實(shí)驗(yàn)組的平均溫縮系數(shù)[αt]分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表9;將28 d養(yǎng)護(hù)齡期下、不同降溫區(qū)間下配合比編號W、F2、T2的溫縮系數(shù)分別計(jì)算，結(jié)果見表10。

觀察表9可以看出，在同一纖維摻量下，28 d養(yǎng)護(hù)齡期所獲取試驗(yàn)溫縮系數(shù)均高于7 d齡期下結(jié)果;而外摻纖維后，復(fù)合材料的溫縮系數(shù)均較基體材料有顯著降低，且隨著纖維摻量的增加，降低效果隨之增強(qiáng)。

同時(shí)觀察表10發(fā)現(xiàn)，在同一降溫區(qū)間內(nèi)，T2溫縮系數(shù)較F2而言更低;隨著溫度區(qū)間的降低，尤其是從―10～10 ℃區(qū)間內(nèi)，摻加纖維后的復(fù)合材料溫縮系數(shù)較未摻加纖維的更低，說明纖維的加入對抑制水泥冷再生材料溫度收縮具有一定效果。

5 結(jié)論

通過對外摻聚丙烯粗纖維（PPTF）和普通聚丙烯單絲纖維（PP-Fiber）的水泥穩(wěn)定冷再生基層材料的強(qiáng)度、剛度及干縮性能的試驗(yàn)對比分析，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論。

1）聚丙烯纖維的加入會使得水泥穩(wěn)定冷再生材料的早期強(qiáng)度降低，但后期強(qiáng)度會恢復(fù)至正常水平乃至更高，在評價(jià)外摻聚丙烯纖維對水泥穩(wěn)定冷再生材料強(qiáng)度的影響作用時(shí)應(yīng)當(dāng)采用28 d齡期后趨于穩(wěn)定的強(qiáng)度值。

2）2種聚丙烯纖維均能降低水泥穩(wěn)定冷再生材料的剛度，提升材料的韌性。

3）2種聚丙烯纖維均能改善水泥冷再生材料的干縮特性及溫縮特性，纖維的加入使得材料對水分和溫度的敏感度降低，提升材料的應(yīng)力擴(kuò)散能力;且摻加聚丙烯粗纖維的水泥冷再生材料的抗縮性能要優(yōu)于摻普通聚丙烯單絲纖維的水泥冷再生材料。

4）綜合2種纖維對水泥冷再生基層材料的強(qiáng)度、剛度及干縮、溫縮特性影響效果，認(rèn)為在工程中選擇摻加0.1%～0.15%的聚丙烯粗纖維效果具有更高改善效果;但從經(jīng)濟(jì)角度來看聚丙烯粗纖維的造價(jià)略高于普通聚丙烯單絲纖維，在工程中應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

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