纖維增強水泥穩(wěn)定碎石基層材料性能試驗研究

摘要：隨著交通荷載的持續(xù)增長，原有路面結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生基層反射裂縫，因此，對基層材料的優(yōu)化改善就顯得尤為重要。文章通過將聚丙烯纖維外摻到水泥穩(wěn)定碎石材料中進行性能測試，共設計了0 mm+0%、9 mm+0.15%、9 mm+0.20%、9 mm+0.25%、12 mm+0.15%、12 mm+0.20%和12 mm+0.25%七種纖維組合方案，分別考慮了水泥穩(wěn)定碎石材料的抗壓強度、干燥收縮、溫度收縮及疲勞壽命。研究表明：9 mm+0.25%和12 mm+0.15%纖維組合方案對于水泥穩(wěn)定碎石材料性能的提升效果顯著，具有較強的應用推廣價值。

關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維;水泥穩(wěn)定碎石;性能測試;疲勞壽命

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石是道路基層典型的材料選擇方案之一，其具有骨架穩(wěn)定、造價低、適用性強等特點。然而，水泥穩(wěn)定碎石基層材料在往復的交通荷載作用下面臨著裂縫開展、內(nèi)部損傷等問題，如何緩解重載交通對基層結(jié)構(gòu)的損傷就顯得十分重要[1-3]。相關(guān)研究表明：對于基層結(jié)構(gòu)功能的優(yōu)化改善，一般可以通過改變材料組成和結(jié)構(gòu)厚度來實現(xiàn)[4-5]。其中，改變基層材料組成是常見方案，用銑刨料替代部分水泥穩(wěn)定碎石、在水泥穩(wěn)定碎石中添加外摻劑均能對水泥穩(wěn)定碎石材料的性能進行提升[6-7]。然而，水泥穩(wěn)定碎石基層病害產(chǎn)生的根源一般是收縮性能和抗疲勞性能不足[8]，本研究擬采用聚丙烯纖維外摻水泥穩(wěn)定碎石基層材料來提升材料性能，對于改善道路基層結(jié)構(gòu)性能具有一定借鑒作用。

1 原材料與試驗方案

1.1 水泥

研究采用的水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，初凝時間為60 min，終凝時間為180 min。28 d抗壓強度達到48.6 MPa，抗折強度達到8.4 MPa。

1.2 集料

試驗選用的集料為湖北產(chǎn)的石灰?guī)r，石料干凈無雜質(zhì)，壓碎值和磨耗值均滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

1.3 聚丙烯纖維

聚丙烯纖維是一種傳統(tǒng)纖維制品，可以應用于工業(yè)、航天、道路等領域。本研究選用的纖維長度分別為9 mm和12 mm兩種，纖維摻量分別為0.15%、0.20%、0.25%不等。

1.4 試驗方案

研究采用纖維長度（9 mm、12 mm）與纖維摻量（0.15%、0.20%、0.25%）正交的方式，共涉及了7組不同組合的試驗方案。制備水泥穩(wěn)定碎石基層材料試件，進行抗壓強度、干燥收縮、溫度收縮、疲勞壽命等試驗，綜合分析和比選適宜的組合方案。不同組合方案下水泥穩(wěn)定碎石材料的最佳含水量和最大干密度測試結(jié)果如表1所示。

2 水泥穩(wěn)定碎石基層材料性能試驗研究

2.1? 抗壓強度

水泥穩(wěn)定碎石基層材料的抗壓強度是表征水穩(wěn)碎石材料性能的關(guān)鍵指標之一，抗壓強度與材料承受集中荷載有關(guān)，抗壓強度越好表明材料抵抗外部荷載作用變形能力越強。研究采用無側(cè)限抗壓強度試驗進行水泥穩(wěn)定碎石材料的測試，其7 d和28 d抗壓強度試驗結(jié)果分別如圖1～2所示。

由圖1～2可知，在水泥穩(wěn)定碎石基層材料中加入聚丙烯纖維能夠明顯提升材料的抗壓強度，不同組合方案對應的7 d抗壓強度分別較普通水泥穩(wěn)定碎石提升1.87%、5.61%、7.01%、4.21%、6.31%、3.50%;

28 d抗壓強度分別較普通水泥穩(wěn)定碎石提升1.40%、3.89%、4.51%、2.02%、4.20%、1.71%，說明聚丙烯纖維的摻入能夠提升水泥穩(wěn)定碎石的早期強度。其中，9 mm+0.20%與12 mm+0.15%的聚丙烯纖維組合方案對水泥穩(wěn)定碎石基層材料性能的提升效果最為明顯。

2.2 干燥收縮

干燥收縮是水泥穩(wěn)定碎石基層材料在干燥環(huán)境下產(chǎn)生變形的表現(xiàn)，要求材料本身需要具備較好的干燥收縮能力，能夠抵抗由于干燥原因而產(chǎn)生的變形、開裂問題。研究對不同齡期下的干燥收縮應變進行統(tǒng)計，繪制相關(guān)曲線如圖3所示。

如圖3所示，隨著養(yǎng)護齡期的增長，水泥穩(wěn)定碎石基層材料的干縮應變也在不斷增長，呈現(xiàn)先快后慢的趨勢。其中，在前28 d環(huán)境下材料的干縮應變增長較快，主要原因是前28 d水泥的水化反應較為明顯，材料內(nèi)部會因為水分的蒸發(fā)而產(chǎn)生一定的收縮變形。從摻加不同長度和摻量的聚丙烯纖維水泥穩(wěn)定碎石基層材料來看，摻9 mm+0.25%聚丙烯纖維的水泥穩(wěn)定碎石材料干縮應變較小，摻12 mm+0.15%聚丙烯纖維的水泥穩(wěn)定碎石基層材料干縮應變與普通水泥穩(wěn)定碎石基層材料較為一致。水泥穩(wěn)定碎石基層材料的干縮應變越小，則材料抵抗干燥收縮變形的能力越強。研究表明，聚丙烯纖維的摻入對于水泥穩(wěn)定碎石材料的干燥收縮性能影響較大，因此，纖維長度及摻量的選擇尤為關(guān)鍵。

2.3 溫度收縮

相比于干燥收縮，水泥穩(wěn)定碎石基層材料也會面臨著服役環(huán)境溫度變化對其的變形影響。研究將水泥穩(wěn)定碎石基層材料試件置于控溫箱中進行溫度收縮試驗，溫度水平為6檔，每隔10 ℃為一檔。試驗結(jié)果如圖4所示。

如圖4所示，隨著溫度范圍的下降，水泥穩(wěn)定碎石基層材料的溫縮系數(shù)呈先下降后上升的趨勢，溫縮系數(shù)越小，則材料抵抗溫度變形的能力越強。試件在0 ℃～10 ℃下溫縮系數(shù)最小，其原因主要是此時溫度環(huán)境更貼近材料本身屬性，碎石材料內(nèi)部骨料、水泥等均處于穩(wěn)定狀態(tài)，而溫度的上升會導致材料內(nèi)部產(chǎn)生膨脹變形，溫度過低也會使材料產(chǎn)生冷縮開裂。綜合來看，9 mm+0.25%和12 mm+0.15%聚丙烯纖維對于水泥穩(wěn)定碎石材料的溫度干縮改善最為明顯。

2.4 疲勞壽命

水泥穩(wěn)定碎石作為基層典型材料，需要承受上面層傳遞的荷載作用，而基層往往易產(chǎn)生開裂反射裂縫等問題，因此，水泥穩(wěn)定碎石基層材料需要具備一定的疲勞壽命優(yōu)勢。研究將不同組合方案的聚丙烯纖維摻入水泥穩(wěn)定碎石基層材料中，研究其在不同應變水平（0.65 με、0.7 με、0.75 με、0.80 με下的疲勞壽命。試驗結(jié)果如表2所示。

將不同應變水平下不同組合方案水泥穩(wěn)定碎石基層材料的疲勞壽命數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖5～8所示。由圖可知，不同組合方案下水泥穩(wěn)定碎石基層材料對應的疲勞壽命有較大差異，其中，9 mm+0.25%和12 mm +0.15%對應的水泥穩(wěn)定碎石基層材料疲勞壽命較高。當應變水平為0.65 με時，其對應的疲勞壽命較普通水泥穩(wěn)定碎石基層材料疲勞壽命分別增長55.73%和23.39%;當應變水平為0.70 με時，其對應的疲勞壽命較普通水泥穩(wěn)定碎石基層材料疲勞壽命分別增長38.68%和23.65%?？偟膩砜矗郾├w維的摻入在一定程度上是能夠提升材料疲勞壽命及其他性能的，但需要嚴格對外摻聚丙烯纖維的長度和摻量進行研究和控制。通過對其抗壓強度、干燥收縮、溫度收縮及疲勞壽命測試結(jié)果來看，9 mm+0.25%和12 mm+0.15%纖維組合方案對材料性能的提升是有益的。

3 結(jié)語

本研究將不同長度及摻量下的聚丙烯纖維外摻到水泥穩(wěn)定碎石基層材料中，研究其對抗壓強度、干燥收縮、溫度收縮、疲勞壽命的影響。研究表明：9 mm+0.25%和12 mm+0.15%的聚丙烯纖維組合方案對于水泥穩(wěn)定碎石基層材料性能的提升具有較大影響。研究可以為水泥穩(wěn)定碎石基層材料性能綜合提升提供借鑒參考價值。

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作者簡介：韋遠思（1979—），工程師，研究方向：公路工程。