纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設(shè)計(jì)

張澤川， 高 攀， 黃 歡

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，至2020年，全國(guó)公路總里程達(dá)到近500萬(wàn)km。我國(guó)公路中常用的基層類(lèi)型主要包括石灰穩(wěn)定類(lèi)基層和水泥穩(wěn)定類(lèi)基層。水泥穩(wěn)定碎石基層材料在整體性、耐水性、抗凍性等方面都優(yōu)于石灰穩(wěn)定類(lèi)材料。水泥穩(wěn)定類(lèi)基層被廣泛地應(yīng)用于高等級(jí)公路基層、底基層結(jié)構(gòu)。

本文在查閱相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，探究在水泥穩(wěn)定碎石類(lèi)基層材料中摻加不同種類(lèi)的纖維，研究其對(duì)混合料力學(xué)性能的影響，探究纖維對(duì)提高水泥穩(wěn)定碎石基層性能的最佳效果。在路用性能方面，關(guān)注的核心指標(biāo)是提升其抗裂性能。本文的研究成果，對(duì)于提升水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能，具有良好的借鑒作用。

國(guó)外有關(guān) PVA 纖維增強(qiáng)混凝土的研究中，以日本研究人員居多?？蓸?lè)麗公司的試驗(yàn)結(jié)果表明：PVA 纖維在水泥基體中具有較好的分散性，并且與水泥的黏結(jié)程度明顯優(yōu)于鋼筋，增強(qiáng)效果顯著[1]。國(guó)外對(duì)于水泥穩(wěn)定類(lèi)材料的研究較國(guó)內(nèi)要早，美國(guó)波蘭水泥協(xié)會(huì)在研究水泥穩(wěn)定類(lèi)材料強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線后得出：在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)關(guān)系曲線上，水泥穩(wěn)定類(lèi)材料的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)生時(shí)間呈直線關(guān)系[2]。格里默認(rèn)為：水泥穩(wěn)定類(lèi)材料的抗壓強(qiáng)度與最大干密度在普通直角坐標(biāo)上呈曲線關(guān)系，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上卻呈直線關(guān)系。凱茲迪通過(guò)研究水泥穩(wěn)定類(lèi)材料的抗壓強(qiáng)度和變形特性后得出：可以用直線來(lái)表示強(qiáng)度與硬化時(shí)間的對(duì)數(shù)函數(shù)[3]。

蔣應(yīng)軍[4]通過(guò)研究不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的水泥穩(wěn)定碎石的路用性能試驗(yàn)得出：骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能、抗裂性能以及抗凍性能方面明顯優(yōu)于懸浮結(jié)構(gòu)和骨架空隙結(jié)構(gòu)，能明顯減小基層的收縮量、增大其抗裂系數(shù)50%左右。Dias等[5]對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)不同水泥基層材料的改善效果進(jìn)行了研究，并將研究結(jié)果與普通硅酸鹽水泥材料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能顯著改善水泥混凝土的斷裂性。2014年,中國(guó)海洋大學(xué)的李淑[6]率先提出對(duì)于玄武巖纖維增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石的配合比時(shí)應(yīng)用均勻設(shè)計(jì)進(jìn)行確定的試驗(yàn)研究，確定了特定情況下的玄武巖纖維的最優(yōu)選擇摻量，同時(shí)結(jié)果展示出水泥穩(wěn)定碎石中摻加玄武巖纖維可在不降低基層強(qiáng)度的前提下提高抗凍性能和減少裂縫。

2016年重慶交通大學(xué)的賀亞飛[7]首次將聚乙烯醇纖維(PVA)應(yīng)用到水泥穩(wěn)定碎石中，并對(duì)其力學(xué)性能和抗裂性能進(jìn)行深入研究，得出結(jié)論，PVA可使得水泥穩(wěn)定碎石的抗壓、抗劈裂和抗彎拉等方面的強(qiáng)度以及阻裂方面的性能改善且存在差異性，而對(duì)收縮性能影響不一。董蘇波等[8]等通過(guò)將玻璃纖維添加到二灰穩(wěn)定碎石中，并對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出玻璃纖維可增加二灰碎石材料的強(qiáng)度，減少其剛度，且可有效改善基層的韌性，這對(duì)提高其抗裂性能是十分有利的，玻璃纖維的增強(qiáng)作用隨著齡期的增加而顯著增強(qiáng)。

早在20世紀(jì)初，美國(guó)的Porte[9]就已提出將鋼纖維較為均勻地撒在混凝土中以強(qiáng)化材料性能的設(shè)想。Gao等[10]對(duì)鋼纖維增強(qiáng)混凝土的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等多方面性能進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，摻加鋼纖維的混凝土壓折比(抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度之比)明顯減小，而且混凝土的彈性模量和泊松比受到鋼纖維影響較大，但混凝土抗壓強(qiáng)度受影響較小。

1 原材料

碎石在水泥穩(wěn)定碎石混合料中起著非常重要的骨架作用，水泥穩(wěn)定碎石的宏觀強(qiáng)度主要都是由其承擔(dān)，所以在水泥穩(wěn)定碎石的路用性能的研究中碎石的重要性不可忽視。它是由在自然中形成的巖石經(jīng)過(guò)爆炸等方式被破碎而制成的，其有著外表面粗糙不平和形狀不一等優(yōu)點(diǎn)。水泥穩(wěn)定碎石混合料的原材料有粗集料和細(xì)集料兩種。

本文選擇5種不同集料粒徑的碎石，用震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)對(duì)石料進(jìn)行篩分。本文所選用的材料按照直徑分為5檔：19～31.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.75～4.75 mm、0～2.75 mm。原材料需要測(cè)定的指標(biāo)有壓碎值、針片狀顆粒含量等。

對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石混合料，粗集料的最大粒徑必須要進(jìn)行限制，因?yàn)榱皆酱?，施工就越困難，施工困難就會(huì)造成項(xiàng)目的使用費(fèi)用增加。同時(shí)，集料粒徑過(guò)大也會(huì)造成混合料離析的現(xiàn)象，使基層的強(qiáng)度得不到滿(mǎn)足，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成基層開(kāi)裂的現(xiàn)象，減少道路的使用年限。我國(guó)對(duì)高速公路水泥穩(wěn)定碎石混合料的最大粒徑做出過(guò)規(guī)定，規(guī)定最大粒徑在37.5 mm以?xún)?nèi)。然而集料的粒徑越小，其生產(chǎn)難度也就會(huì)越大，會(huì)使項(xiàng)目成本增加，因此合理選擇集料的粒徑也是集料使用過(guò)程中的重要一環(huán)。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則及要求

本文配合比設(shè)計(jì)原則主要考慮骨架的穩(wěn)定、細(xì)集料的摻配比例和施工后期相關(guān)流程。骨架密實(shí)級(jí)配理論是將集料按照粒料直徑、骨料填充形式和不同排列方式等因素進(jìn)行合理分配，使得混合料具有孔隙率和比表面積都較小的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)2種級(jí)配，分別是適用于高速公路和一級(jí)公路的C-B-2級(jí)配和適用于二級(jí)及二級(jí)以下的公路基層的C-C-2級(jí)配?；旌狭霞?jí)配分別見(jiàn)表1、表2。

表1 C-B-2級(jí)配

表2 C-C-2級(jí)配

混合料級(jí)配合成曲線如圖1、圖2所示。

圖1 C-B-2級(jí)配曲線圖

圖2 C-C-2級(jí)配曲線圖

3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(7 d)

3.1 最佳含水量確定

含水量是影響水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能的關(guān)鍵因素之一，因此確定最佳含水量是水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)。本文采用擊實(shí)試驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)定。本試驗(yàn)含水量設(shè)計(jì)為4.5%～6.5%(以0.5%為一個(gè)等級(jí)梯度)，繪制水泥穩(wěn)定碎石混合料的含水率-干密度曲線，以含水量為橫坐標(biāo)，干密度為縱坐標(biāo)并對(duì)數(shù)據(jù)用二次曲線進(jìn)行擬合,曲線的現(xiàn)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫縱坐標(biāo)分別是最佳含水量和最大干密度。

混合料含水量-干密度曲線如圖3、圖4所示。

圖3 C-B-2級(jí)配含水量-干密度曲線

圖4 C-C-2級(jí)配含水量-干密度曲線

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析畫(huà)出的擊實(shí)曲線可得知，在C-B-2級(jí)配中，不摻加纖維擊實(shí)曲線峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最佳含水量為5.5%，最大干密度為2.3 g/cm3，摻加玄武巖纖維擊實(shí)曲線峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最佳含水量為5.5%，最大干密度為2.32 g/cm3。

3.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

本節(jié)實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)比分析不摻加纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料和摻加玄武巖纖維、聚酯纖維、玻璃纖維粉、聚乙烯醇纖維、聚酯-聚乙烯醇混合纖維無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(7 d、28 d)。實(shí)驗(yàn)中纖維統(tǒng)一選用的是6 mm纖維，摻量為0.05%。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥穩(wěn)定碎石混合料性能試驗(yàn)中非常重要的一環(huán),其強(qiáng)度必須滿(mǎn)足基層對(duì)載荷的要求,若強(qiáng)度不足,將會(huì)形成路面的結(jié)構(gòu)性破壞。

本次無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)在最佳含水量和最大干密度的基礎(chǔ)上做5組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別是不摻加纖維、摻加玄武巖纖維、摻加聚酯纖維、摻加聚乙烯醇纖維、摻加玻璃纖維粉的水泥穩(wěn)定碎石混合料，每組有3個(gè)試件。

在級(jí)配C-C-2 中7 d齡期纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料，摻加纖維比不摻加纖維強(qiáng)度都有所提升。與不摻加纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料相比，摻加玻璃纖維粉水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高最大，增加了0.8 MPa，提高了15.5%；其次是摻加玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加了0.76 MPa，提高了14.7%；再次是摻加聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加了0.46 MPa，提高了8.7%；最后是摻加聚酯纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加最少，強(qiáng)度增加了0.32 MPa，提高了6.2%。

在級(jí)配C-B-2中 7 d齡期纖維水泥穩(wěn)定碎石，與不摻加纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料相比，既有強(qiáng)度提高，也有強(qiáng)度降低。提高最大的是摻加聚酯-聚乙烯醇混合纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料，其強(qiáng)度增加了0.44 MPa，強(qiáng)度提高了8.3%；其次是摻加聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料，其強(qiáng)度增加了0.33 MPa，強(qiáng)度提高了6.2%。降低最多的是摻加聚酯纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料，其強(qiáng)度減小了0.69 MPa，降低了13%；其次是摻加玻璃纖維粉水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度減小了0.33 MPa，降低了6.2%。

4 結(jié) 論

(1) 在級(jí)配C-C-2中，不摻加纖維的混合料的最佳含水量為5.30%，最大干密度為2.35 g/cm3；摻加玄武巖纖維的混合料的最佳含水量為5.40%，最大干密度為2.33 g/cm3。

(2) 在級(jí)配C-B-2中，不摻加纖維的水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量為5.5%，最大干密度為2.3 g/cm3；摻加玄武巖纖維的水泥穩(wěn)定碎石最佳含水量為5.5%，最大干密度為2.32 g/cm3。與不摻加纖維相比，摻加纖維后水泥穩(wěn)定碎石含水量、最大干密度變化值都很小。

(3) 在級(jí)配C-C-2中，摻加不同纖維后，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均明顯提高，水泥用量4.5%時(shí)，可滿(mǎn)足特重、重交通等級(jí)道路基層強(qiáng)度要求。摻加玻璃纖維粉的水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度提高最大，增加了0.8MPa，提高了15.5%。按強(qiáng)度由高到低排序，依次是：玻璃纖維粉、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、聚酯纖維。

(4) 在級(jí)配C-B-2中，水泥用量4.5%時(shí)，可滿(mǎn)足特重、重交通等級(jí)道路基層強(qiáng)度要求。摻加聚酯-聚乙烯醇混合纖維、聚乙烯醇纖維的水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度提高，而摻加聚酯纖維、玻璃纖維粉的強(qiáng)度下降了。