添加PVA纖維的水泥穩(wěn)定碎石混合料抗裂與耐久性能研究

李燕軍

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030619)

0 引言

水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石材料具有穩(wěn)定性好、抗凍性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)本身自成板體等優(yōu)勢(shì)，且材料來(lái)源廣泛、施工工藝成熟，因而廣泛用于各等級(jí)公路的基層和底基層，但以水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石為典型代表的半剛性基層在工程實(shí)踐中也出現(xiàn)了因抗干縮、溫縮、疲勞性能不足所致的開(kāi)裂、抗水損害不足所致的唧泥等病害，半剛性基層病害頻發(fā)并且破損后病害處治難度大，造成了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失[1-4]。聚乙烯醇纖維(Polyvinyl Alcohol Fiber，簡(jiǎn)稱 PVA 纖維)具有高強(qiáng)高模、耐磨性好以及與水泥等材料有較好的親和力和結(jié)合性等優(yōu)點(diǎn)，可有效地改善水泥基復(fù)合材料的變形和破壞特性。王永波[5]研究表明，摻加PVA纖維能有效解決混凝土的開(kāi)裂問(wèn)題。張鵬遠(yuǎn)[6]等研究表明，摻加PVA纖維能提高混凝土的抗凍和耐鹽堿腐蝕性，同時(shí)顯著提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗沖擊韌性。胡杰[7]等研究表明，摻加PVA纖維能夠提高混凝土的極限應(yīng)變，且PVA纖維混凝土性價(jià)比更高。國(guó)內(nèi)東南大學(xué)、浙江大學(xué)等高校也相繼開(kāi)展了PVA纖維超高韌性水泥基復(fù)合材料的研究工作[5-9]。受此啟發(fā)，國(guó)內(nèi)也有學(xué)者將PVA纖維摻入水泥穩(wěn)定碎石中，曹源文[10]等研究了PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石拌和均勻性檢測(cè)技術(shù)；賀亞飛[11]研究了PVA纖維水泥基材料的力學(xué)性能；李彩霞[12]研究了PVA水泥穩(wěn)定碎石基層的結(jié)構(gòu)承載能力。曾夢(mèng)瀾[13]等研究了PVA-ECC穩(wěn)定碎石混合料的自愈合性能。相關(guān)研究成果為水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石力學(xué)性能與抗裂性能改善技術(shù)在實(shí)體工程中推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)[14-15]。但是目前PVA纖維很少用在水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層中，已有研究成果主要集中在PVA纖維增強(qiáng)水泥混凝土復(fù)合材材料方面，有關(guān)PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的力學(xué)性能、變形特性、抗疲勞性能、水穩(wěn)定性能及實(shí)體工程應(yīng)用效果評(píng)價(jià)等鮮見(jiàn)研究。本文研究PVA纖維摻量和纖維長(zhǎng)度對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，分析PVA纖維對(duì)水泥穩(wěn)定碎石變形特性、疲勞性能、水穩(wěn)定性的影響，為改善水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能和抗裂性能提供新的技術(shù)選擇，通過(guò)實(shí)體工程跟蹤檢測(cè)，為PVA纖維在水泥穩(wěn)定碎石基層的推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

聚乙烯醇(PVA)纖維由山東青島國(guó)立纖維公司生產(chǎn)，外觀為淡黃色單絲條狀，直徑為6 mm，長(zhǎng)度分別為8、12、16、20、24 mm，PVA纖維的具體參數(shù)見(jiàn)表1。選用奈曼宏基水泥廠生產(chǎn)的32.5級(jí)復(fù)合礦渣硅酸鹽水泥，水泥技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，滿足通用硅酸鹽水泥相關(guān)要求。根據(jù)實(shí)體工程應(yīng)用情況，試驗(yàn)研究采用6檔集料規(guī)格分別為0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～25 mm、25～30 mm，細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，粗細(xì)集料為石灰?guī)r碎石，集料各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG /T F20-2015)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。水為飲用自來(lái)水。

表1 PVA纖維的主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indicators of PVA fiber密度/(g·m-3)彈性模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%水中軟化點(diǎn)/℃耐熱水性能/℃1.3421 8007115100

表2 水泥主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of main technical indicators of cement類別80μm篩余量/%凝結(jié)時(shí)間/min3 d強(qiáng)度/MPa28 d強(qiáng)度/MPa初凝終凝抗壓抗折抗壓抗折試驗(yàn)結(jié)果2.727035713.63.1736.36.7規(guī)范要求≤10≥10≤600≥10≥2.5≥32.5≥5.5

1.2 混合料配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)6檔集料的篩分試驗(yàn)結(jié)果，以《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG /T F20-2015)骨架密實(shí)型、懸浮密實(shí)型礦料級(jí)配中值為目標(biāo)級(jí)配，確定礦料級(jí)配見(jiàn)表3。試驗(yàn)時(shí)水泥穩(wěn)定碎石混合料最佳水泥用量取5%，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定骨架密實(shí)型(GP2)、懸浮密實(shí)型(GP1)水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水量分別為5.7%、5.1%，GP1、GP2最大干密度分別為2.272、2.367 g/cm3，根據(jù)文獻(xiàn)[4-5]研究成果，PVA纖維的摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料最佳含水量和最大干密度影響不大，故未進(jìn)行不同纖維摻量及變化纖維長(zhǎng)度條件下重型擊實(shí)試驗(yàn)，下文中GP1、GP2的水泥用量均為5%，GP1、GP2最佳含水量分別取5.7%、5.1%。

表3 水泥穩(wěn)定碎石混合料礦料級(jí)配Table 3 Cement stabilized macadam mixture mineral gradation級(jí)配類型通過(guò)下列方篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%31.526.519 1613.29.5 4.75 2.36 1.180.60 0.39.150.075GP1100857760.558.54322.515.510.56.542.5GP21007869.357.349282116.213.59.24.41.4GP1規(guī)范限值10086～8279～7372～6562～5345～3531～2222～1315～810～57～35～2GP2規(guī)范限值10068～8638～5822～3216～28 8～150～3

1.3 試驗(yàn)方案

a.采用GP1、GP2水泥穩(wěn)定碎石混合料，固定水泥摻量為5%，試驗(yàn)變化4組PVA纖維摻量為0.5、0.8、1.1、1.4 kg/m3，每組纖維摻量下變化纖維長(zhǎng)度為8、12、16、20、24 mm，對(duì)PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生齡期內(nèi)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)，以綜合評(píng)價(jià)PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度特性與力學(xué)性能，基于此優(yōu)化出適宜的PVA纖維摻配質(zhì)量及最佳的纖維長(zhǎng)度范圍，為PVA纖維的選擇提供依據(jù)。

b.采用干縮試驗(yàn)、溫縮試驗(yàn)評(píng)價(jià)PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的變形性能，并與無(wú)纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行對(duì)比，定量評(píng)價(jià)PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗裂優(yōu)勢(shì)。

c.采用控制應(yīng)力彎曲疲勞試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)研究PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗疲勞耐久性與水穩(wěn)定性。

d.基于SEM試驗(yàn)，觀察PVA纖維在水泥穩(wěn)定碎石混合料內(nèi)部的分布形態(tài)，分析PVA纖維對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的增強(qiáng)機(jī)理。

e.對(duì)試驗(yàn)路PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石使用性能進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，分析PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂效果。

1.4 試驗(yàn)方法

PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)：①無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)試驗(yàn)采用Φ100 mm×100 mm圓柱體試件，按照T0845-2009的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方法養(yǎng)生7 d(浸水養(yǎng)生24 h)，試驗(yàn)控制加載速率為1 mm/min；②劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)采用Φ150 mm×150 mm圓柱體試件，試件養(yǎng)生齡期為90 d。壓條弧面半徑75 mm、寬度18.75 mm，控制加載速率為1 mm/min；③彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×550 mm大梁試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生齡期為90 d，試驗(yàn)采用三點(diǎn)分加載方式，控制變形加載速率為50 mm/min。以上3種力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)均在CTM5504萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的變形特性試驗(yàn)：①干縮系數(shù)試驗(yàn)采用振動(dòng)成型的15 cm×15 cm×550 cm大梁試件，養(yǎng)生7 d內(nèi)間隔12 h測(cè)量1次試驗(yàn)數(shù)據(jù)(天平測(cè)試試件重量、千分表測(cè)試變形量)，養(yǎng)生7 d后間隔1～2 d記錄1次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生90 d后完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生期間，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算PVA水泥穩(wěn)定碎石混合料試件在不同養(yǎng)生齡期內(nèi)的失水率，建立PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的失水率與干縮系數(shù)之間的擬合關(guān)系，并評(píng)價(jià)PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮性能；②溫縮試驗(yàn)試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm，養(yǎng)生齡期為7 d(6 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生+1 d浸水)，根據(jù)我國(guó)西北5省近10 a年極端高低溫氣候資料及JTG E51-2009溫縮試驗(yàn)建議的試驗(yàn)溫度范圍，本文選擇-25 ℃～-15 ℃、-15 ℃～-5 ℃、-5 ℃～5 ℃、5 ℃～15 ℃、15 ℃～25 ℃、25 ℃～35 ℃、35 ℃～45 ℃、45 ℃～55 ℃等8個(gè)溫度區(qū)間，降溫速率為0.5 ℃/min，進(jìn)行下一個(gè)溫度區(qū)間前應(yīng)保溫不小于3 h。

PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的耐久性能試驗(yàn)：①采用三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗疲勞耐久性能。試驗(yàn)嚴(yán)格按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)的 T0856-2009方法進(jìn)行，將150 mm×150 mm×550 mm大梁試件養(yǎng)生在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下養(yǎng)生90 d(89 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生+1 d飽水養(yǎng)生)，MTS landmark 370.10萬(wàn)能疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，施加頻率為10 Hz的Havesive連續(xù)波，采用0.2、0.3、0.4、0.5共4個(gè)應(yīng)力比；②采用凍融循環(huán)試驗(yàn)評(píng)價(jià)PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗水損害耐久性，試驗(yàn)時(shí)制備Φ150 mm×150 mm圓柱體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生為180 d。低溫箱的凍結(jié)溫度為-18 ℃，凍結(jié)時(shí)間為16 h，凍結(jié)結(jié)束后取出試件，量高、稱重量，然后立即放入20 ℃水浴中進(jìn)行融化，融化8 h，此為1次凍融循環(huán)，總共經(jīng)歷15次凍融循環(huán)，凍融循環(huán)5、10、15次后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料力學(xué)性能

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，在工程常用的5%水泥用量條件下，骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到了7.1 MPa，比懸浮密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大了29.1%，可見(jiàn)粗集料的骨架嵌擠作用對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石強(qiáng)度貢獻(xiàn)較為明顯。摻入纖維后，PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯大于無(wú)纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石， GP1、GP2兩種PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的最大無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到7.1、8.4 MPa，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值分別比相同級(jí)配的普通水泥穩(wěn)定碎石混合料增大了29.3%、19.2%，可以發(fā)現(xiàn)，PVA纖維對(duì)懸浮密實(shí)型水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果優(yōu)于骨架密實(shí)型級(jí)配，摻加PVA纖維是增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的有效措施。隨著PVA纖維摻量和纖維長(zhǎng)度的增大，GP1、GP2兩種PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈先顯著增大后緩慢減小趨勢(shì)，因此存在最佳纖維摻量和最優(yōu)纖維長(zhǎng)度問(wèn)題，對(duì)于GP1、GP2，PVA纖維摻量為0.5 kg/m3時(shí)，隨著纖維長(zhǎng)度增大，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小趨勢(shì)，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在纖維長(zhǎng)度為16 mm時(shí)出現(xiàn)峰值，而在0.8～1.4 kg/m3PVA纖維摻量范圍內(nèi)，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在纖維長(zhǎng)度為20 mm時(shí)出現(xiàn)峰值，兩種級(jí)配的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石，在PVA纖維摻量為1.1 kg/m3+纖維長(zhǎng)度20 mm時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，分析以為，在PVA纖維摻量較少時(shí)，纖維長(zhǎng)度越大，相同質(zhì)量情況下PVA纖維的個(gè)體數(shù)量就越少，因此較難以形成空間三維亂向支撐體系，而隨著纖維質(zhì)量增大，在拌和過(guò)程中纖維的分散均勻難度增大，當(dāng)PVA纖維摻量達(dá)到飽和狀態(tài)以后，較多的纖維因分散不均勻而出現(xiàn)團(tuán)聚、干擾問(wèn)題，在水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石內(nèi)部產(chǎn)生軟弱界面，反而對(duì)強(qiáng)度不利。因此就無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度而言，PVA纖維摻量為0.8～1.1 kg/m3、纖維長(zhǎng)度為16～22 mm較為適宜。

(a) GP1水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石

2.2 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，未摻PVA纖維，GP1、GP2兩種水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的劈裂強(qiáng)度相差不大。摻入PVA纖維后，GP1、GP2兩種PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石劈裂強(qiáng)度比摻PVA前提高幅度為8%～57.6%、4.6%～46.5%。隨著PVA纖維摻量增大和纖維長(zhǎng)度增大，劈裂強(qiáng)度先顯著增大后緩慢降低，當(dāng)PVA纖維摻量為0.5 kg/m3時(shí)，纖維長(zhǎng)度為12 mm，PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石劈裂強(qiáng)度峰值達(dá)到了0.611 MPa，在纖維摻量在0.8～1.1 kg/m3、纖維長(zhǎng)度16～22 mm范圍內(nèi)劈裂強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，隨著PVA纖維摻量增大，峰值劈裂強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的纖維長(zhǎng)度有增大趨勢(shì)。以最大劈裂強(qiáng)度為原則，確定GP1適宜的纖維摻量為1.1 kg/m3、纖維長(zhǎng)度為16 mm，GP2適宜的纖維摻量為1.1 kg/m3、最佳纖維長(zhǎng)度為20 mm，可以認(rèn)為水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的最佳PVA纖維長(zhǎng)度礦料級(jí)配有關(guān)，最佳PVA纖維長(zhǎng)度隨粗集料含量增大而增大。

(a) GP1水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石

2.3 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。不摻加PVA纖維，GP1、GP2水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石彎拉強(qiáng)度為1.57、1.66 MPa，滿足JTG D50-2017水泥穩(wěn)定類材料彎拉強(qiáng)度1.5～2.0 MPa取值要求。相較普通水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石，摻加0.5～1.4 kg/m3PVA纖維的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石彎拉強(qiáng)度顯著增大，GP1、GP2兩種PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的彎拉強(qiáng)度最大可提高27.6%、31.1%。相同纖維長(zhǎng)度，隨著PVA纖維摻量增大，PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的彎拉強(qiáng)度先增大后減小，相同纖維摻量，隨著PVA纖維長(zhǎng)度增大，PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的彎拉強(qiáng)度先增大后減小，彎拉強(qiáng)度隨纖維摻量和纖維長(zhǎng)度增大所呈現(xiàn)出的變化趨勢(shì)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度相似。以峰值彎拉強(qiáng)度確定GP1最佳纖維摻量為0.8 kg/m3、最佳纖維長(zhǎng)度為20 mm，GP2最佳纖維摻量為1.1 kg/m3、最佳纖維長(zhǎng)度為20 mm。分析以為，PVA纖維對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石彎拉強(qiáng)度的增強(qiáng)作用與其分散均勻密切相關(guān)，PVA纖維所形成的三維亂向支撐體系達(dá)到飽和后，其對(duì)細(xì)密裂縫擴(kuò)張的限制作用也達(dá)到峰值，進(jìn)一步增大纖維摻量，纖維重疊、聚集而出現(xiàn)薄弱接觸面反而削弱了PVA纖維的界面增強(qiáng)作用。

(a) GP1水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石

2.4 顯著性分析

采用Origin Pro 8.5定量軟件分析PVA纖維摻量、PVA纖維長(zhǎng)度2個(gè)因素對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度的顯著性影響，結(jié)果匯總見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，纖維摻量和纖維長(zhǎng)度均對(duì)PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度有顯著影響，PVA摻量對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石力學(xué)強(qiáng)度的顯著性影響P值小于PVA長(zhǎng)度，表明纖維摻量對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石力學(xué)性能的影響更加顯著。

表4 雙因素方差分析結(jié)果Table 4 Results of two-way variance analysis因素?zé)o側(cè)限抗壓強(qiáng)度F值顯著性PPVA摻量35.749542.91089E-6PVA長(zhǎng)度10.407067.1014E-4劈裂強(qiáng)度彎拉強(qiáng)度F值顯著性PF值顯著性PF值顯著性P6.084490.0092725.877511.58877E-54.645840.0169511.018685.49006E-4注:顯著性判別標(biāo)準(zhǔn)P<0.05。

綜上可知，當(dāng)PVA纖維的摻量為0.8～1.1 kg/m3、纖維長(zhǎng)度為16～22 mm時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度3個(gè)力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)達(dá)到了強(qiáng)度峰值，工程實(shí)踐中添加0.8～1.1 kg/m3、長(zhǎng)度為16～20 mm PVA纖維可提高水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的力學(xué)性能。下文將開(kāi)展摻加0.8 kg/m3+16 mm PVA纖維(方案I)、0.8 kg/m3+20 mm PVA纖維(方案II)、1.1 kg/m3+16 mm PVA纖維(方案III)、1.1 kg/m3+20 mm PVA纖維(方案IV)4種水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的變形特性和耐久性能試驗(yàn)研究。

3 機(jī)理分析

提取彎拉試驗(yàn)試件破壞界面處的PVA水泥砂漿進(jìn)行SEM試驗(yàn)，由圖4(a)、(b)可見(jiàn)，PVA纖維表面有裹附大量的水泥膠凝材料，分析以為PVA纖維表面含有大量的羥基，使得PVA纖維與水泥膠凝材料黏附狀況良好，纖維的吸附穩(wěn)定作用和界面增強(qiáng)作用，確保了PVA纖維與水泥膠凝材料有較好的親和力和結(jié)合性，這對(duì)受荷時(shí)PVA協(xié)同受力、傳遞荷載和彌補(bǔ)水泥砂漿內(nèi)部界面黏附缺陷有重要意義。觀察圖4(c)破壞界面處PVA纖維狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在PVA纖維斷裂點(diǎn)處存在明顯的“頸縮”現(xiàn)象，斷口有拉斷痕跡，而不僅僅不是拔出，纖維根部的水泥膠凝材料隨纖維受拉而發(fā)生形變，這表明PVA纖維均參加了受力，破壞界面在開(kāi)始產(chǎn)生裂縫時(shí)，錨固在水泥膠凝材料中的PVA出現(xiàn)輕微滑動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生摩擦阻力，克服水泥砂漿顆粒之間的錯(cuò)位與滑移，起到了很好傳力、消散力、協(xié)調(diào)變形的作用，使混合料中的集中應(yīng)力分布擴(kuò)散得更均勻。由圖4(c)可見(jiàn)，均勻分散的PVA纖維相互橋接，在水泥穩(wěn)定碎石中形成了空間網(wǎng)狀支撐體系，PVA纖維的加筋作用，一方面對(duì)網(wǎng)孔范圍內(nèi)的水泥膠凝材料可以起到一種“箍鎖”作用，另一方面把受損區(qū)域進(jìn)行隔離，橫跨裂縫兩端的PVA纖維使裂紋的變形受到約束，阻礙了裂紋的繼續(xù)發(fā)展，起到了一種隔離功能，這可以很大程度減少應(yīng)力集中，延緩甚至阻止了破壞裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。

(a) PVA纖維表面水泥膠凝材料裹附狀況

4 PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料變形特性

4.1 干縮性能試驗(yàn)

按照上述確定的纖維摻量和纖維長(zhǎng)度，采用GP1進(jìn)行干縮性能試驗(yàn)研究，對(duì)照組采用普通水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石(未添加PVA纖維)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石溫縮試驗(yàn)結(jié)果Figure 5 PVA fiber cement stabilized macadam temperature shrinkage test results

由圖5試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著養(yǎng)生時(shí)間延長(zhǎng)，5種水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的干縮系數(shù)先顯著增大后趨于平緩，在養(yǎng)生7 d內(nèi)干縮系數(shù)增大最為顯著，7～28 d內(nèi)干縮系數(shù)保持緩慢增長(zhǎng)，60 d以后干縮系數(shù)趨于穩(wěn)定，這主要與試件失水速率有關(guān)。摻加PVA纖維后，PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石在養(yǎng)生3 d內(nèi)的干縮系數(shù)與普通水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石相差不大，養(yǎng)生7 d內(nèi)，4種PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的溫縮系數(shù)相差不大，但明顯小于未摻纖維的水泥穩(wěn)定碎石，分析以為，養(yǎng)生3 d內(nèi)，失水率大，水泥水化尚未完成，界面黏結(jié)、黏附強(qiáng)度仍在繼續(xù)增長(zhǎng)，PVA纖維與水泥膠凝物的機(jī)械咬合力以及PVA纖維的界面增強(qiáng)作用尚未完全形成，在養(yǎng)生3～7 d內(nèi)，失水收縮產(chǎn)生的干縮應(yīng)變大于PVA纖維對(duì)干縮應(yīng)變的抑制作用，PVA纖維的加筋錨固作用仍在增長(zhǎng)，但也起到了抑制干縮變形的作用。

養(yǎng)生90 d后，0.8 kg/m3+16 mm PVA纖維(方案I)、0.8 kg/m3+20 mm PVA纖維(方案II)、1.1 kg/m3+16 mm PVA纖維(方案III)、1.1 kg/m3+20 mm PVA纖維(方案IV)4種水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的干縮應(yīng)變比普通水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石降低了34.9%、29.4%、40.6%、52.3%，尤其是摻加1.1 kg/m3+20 mm PVA纖維(方案IV)對(duì)減少水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石干縮變形效果最明顯。PVA纖維在水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石中的抑制干縮變形效果主要表現(xiàn)在：PVA纖維空間網(wǎng)狀支撐體系所起到的界面增強(qiáng)作用能彌補(bǔ)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的界面黏結(jié)缺陷，提高了水泥砂漿與集料之間的界面黏附強(qiáng)度和機(jī)械嚙合連接力，再者，PVA纖維的錨固作用，提高了水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石承受荷載時(shí)的整體性與一致性，從而有效抑制了干縮變形。溫縮變形是半剛性基層瀝青路面反射裂縫的主要誘因之一，摻加PVA纖維可使水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石溫縮變形量降低34.9%～52.3%，可見(jiàn)加入PVA纖維能夠顯著減少瀝青路面發(fā)生反射裂縫病害。

4.2 溫縮性能試驗(yàn)

不同溫度區(qū)間的溫縮系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6試驗(yàn)結(jié)果可知，相同溫度區(qū)間內(nèi)，PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的溫縮系數(shù)明顯小于未摻加纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料，4種PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石在-25 ℃～-15 ℃、-15 ℃～-5 ℃、-5 ℃～5 ℃、5 ℃～15 ℃、15 ℃～25 ℃、25 ℃～35 ℃、35 ℃～45 ℃、45 ℃～55 ℃等8個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)的溫縮系數(shù)比普通水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石減小了23.1%～32.4%、21.5%～34.9%、26.8%～37.1%、26.9%～43.9%、30.5%～47.1%、23.9%～35.5%、39.8%～50.3%、45.9%～53.3%，摻加1.1 kg/m3+20 mm PVA纖維(方案IV)具有更優(yōu)越的抗溫縮變形特性。從平均溫縮系數(shù)來(lái)看，在-25 ℃～-15 ℃、-15 ℃～-5 ℃、-5 ℃～5 ℃、5 ℃～15 ℃、15 ℃～25 ℃、25 ℃～35 ℃、35 ℃～45 ℃、45 ℃～55 ℃等8個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，4種PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石各溫度區(qū)間內(nèi)的溫縮系數(shù)平均值比普通水泥穩(wěn)定碎石降低了26.1%、25.9%、32.8%、33.9%、35.1%、28.6%、50.2%、52.3%。

圖6 不同溫度區(qū)間平均溫縮系數(shù)Figure 6 Average temperature coefficient of different temperature intervals

5 PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料耐久性

5.1 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，采用JTG E51-2009試驗(yàn)規(guī)程推薦的應(yīng)力強(qiáng)度比-疲勞壽命對(duì)數(shù)擬合方程對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。

表5 PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Fatigue test results of PVA fiber cement stabilized macadam纖維類型以下應(yīng)力強(qiáng)度比的疲勞壽命/次0.20.30.40.5未摻加纖維50 66123 8948 7684 0130.8 kg/m3+16 mm PVA纖維(方案I)66 85734 97316 2868 0410.8 kg/m3+20 mm PVA纖維(方案II)63 30931 01915 3897 3141.1 kg/m3+16 mm PVA纖維(方案III)83 89143 88723 11111 9531.1 kg/m3+20 mm PVA纖維(方案IV)74 96438 15819 5879 988

圖7 疲勞試驗(yàn)擬合曲線Figure 7 Fatigue test fitting curve

由表5疲勞試驗(yàn)結(jié)果可知，在0.2、0.3、0.4、0.5的4個(gè)應(yīng)力比條件下，PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的疲勞壽命比普通水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石增大了24.9%～47.9%、29.8%～83.7%、75.5%～123.4%、82.3%～148.9%，應(yīng)力水平越高，PVA纖維對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石疲勞性能的改善作用越明顯。相同應(yīng)變水平，4種PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的疲勞壽命大小排序?yàn)椋悍桨涪?方案Ⅲ>方案Ⅱ>方案Ⅰ，就疲勞壽命而言，存在最佳的纖維摻量和纖維長(zhǎng)度，纖維摻量1.1 kg/m3、纖維長(zhǎng)度20 mm時(shí)，PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的疲勞壽命達(dá)到最大。擬合方程斜率絕對(duì)值越大，疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平變化越敏感，截距越大，疲勞曲線線位越高，疲勞壽命越大，截距大、斜率小，相應(yīng)的抗疲勞耐久性能越好。

由圖7擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)，摻加PVA纖維后，方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ擬合截距比未摻加纖維的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石提高了18.1%、5.1%、21.8%、37%，擬合方程斜率絕對(duì)值降低了9.3%、18.1%、14.8%、22%，分析以為，均勻分散在水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石中的PVA纖維錨固在水泥砂漿內(nèi)部，由于PVA纖維與水泥砂漿有較好的親和力和結(jié)合性，PVA纖維的“界面增強(qiáng)作用”和“加筋阻裂作用”，提高了水泥砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度及水泥砂漿與集料之間的界面黏附強(qiáng)度，從而有效阻止水泥砂漿內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，延緩了水泥砂漿與集料之間的黏附失效而產(chǎn)生的微裂紋和結(jié)構(gòu)破壞，隨著荷載作用次數(shù)增多，微裂紋逐漸擴(kuò)大，PVA纖維橋接在裂縫的兩端，有效阻止裂縫的發(fā)展或者延長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展路徑，并減小尖端應(yīng)力集中，宏觀表現(xiàn)為PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命增大。

5.2 凍融試驗(yàn)

經(jīng)歷5、10、15次凍融循環(huán)后的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料殘留抗壓強(qiáng)度及質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，5種水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的殘留無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小，而質(zhì)量損失率不斷增大，凍融循環(huán)劣化作用顯著降低了水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。在經(jīng)歷5、10、15次凍融循環(huán)后，普通水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的殘留強(qiáng)度衰減至89.7%、85.4%、76.9%，質(zhì)量損失率為3.2%、5.9%、9.9%，摻加PVA纖維的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石在經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后殘留強(qiáng)度仍大于90%，15次凍融循環(huán)后殘留強(qiáng)度大于85%，可見(jiàn)經(jīng)歷相同凍融循環(huán)作用次數(shù)，PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石比普通水泥冷再生混合料有更大的殘留強(qiáng)度和更小的質(zhì)量損失率，經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)越多，普通水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料與PVA纖維穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料水穩(wěn)定性差距越大，PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石表現(xiàn)出了更優(yōu)異的水穩(wěn)定性，這對(duì)減少服役期間水泥穩(wěn)定碎石基層翻漿等水損害有利。

表6 PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of freeze-thaw cycle of PVA fiber cement stabilized macadam%纖維類型凍融循環(huán)5次凍融循環(huán)10次凍融循環(huán)15次殘留強(qiáng)度質(zhì)量損失殘留強(qiáng)度質(zhì)量損失殘留強(qiáng)度質(zhì)量損失未摻加纖維89.73.285.45.976.99.9方案I96.72.494.54.489.55.3方案II94.62.592.44.886.56.4方案III98.41.695.63.991.24.9方案IV98.61.496.63.493.54.4

6 實(shí)體工程應(yīng)用

根據(jù)室內(nèi)研究成果，將PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石應(yīng)用于烏海繞城高速公路路面基層及底基層，試驗(yàn)段長(zhǎng)度500 m，經(jīng)過(guò)近3 a跟蹤檢測(cè)，分析實(shí)體工程應(yīng)用效果。試驗(yàn)段采用20 mm長(zhǎng)PVA纖維，摻量為1.1 kg/m3，采用JTG/T F20-2015推薦的C-B-1型礦料級(jí)配，混合料生產(chǎn)過(guò)程中增加PVA纖維與集料干拌45 s，基層水泥劑量采用5%，底基層水泥劑量為3.5%。實(shí)體工程中，普通水泥穩(wěn)定碎石造價(jià)為414.57元/t，20 mm長(zhǎng)PVA纖維單價(jià)為35 000元/t，1 t水泥穩(wěn)定碎石摻加PVA纖維為0.468 kg，考慮增加干拌時(shí)間后PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石的單價(jià)為435.62元/t，PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石比普通水泥穩(wěn)定碎石每噸造價(jià)提高了5.08%。鉆芯實(shí)測(cè)PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層、底基層的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為8.1、5.6 MPa，遠(yuǎn)大于JTG/T F20-2015高速公路基層、底基層7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度4～6、2.5～4.5 MPa的要求。PVA水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比臨近路段相同配比的普通水泥穩(wěn)定碎石芯樣高25%以上。路面結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了3個(gè)冬天及1個(gè)夏天的冰凍、春融(極端最低溫度-27 ℃，極端最高氣溫37 ℃)和行車荷載綜合作用下，服役3 a后PVA水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層瀝青路面的開(kāi)裂病害進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，試驗(yàn)段500 m范圍內(nèi)僅產(chǎn)生了4條小于0.6 mm裂縫，裂縫平均間距125 m，鉆芯發(fā)現(xiàn)裂縫主要是基層施工離析或路基不均勻沉降所致，而臨近路段半剛性基層瀝青路面橫向裂縫平均間距為34 m，鉆芯發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂是半剛性基層反射裂縫所致。由此可以初步判斷，摻加PVA纖維可以提高水泥穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)強(qiáng)度，延緩甚至阻止半剛性基層產(chǎn)生反射裂縫，延緩半剛性基層產(chǎn)生疲勞破壞，試驗(yàn)段使用效果基本達(dá)到了研究目的。相比普通水泥穩(wěn)定碎石，PVA纖維水泥碎石造價(jià)提高了5.08%，但是實(shí)體工程中PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石比普通水泥穩(wěn)定碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了46.2%，因此可通過(guò)降低水泥穩(wěn)定碎石中水泥劑量，來(lái)降低PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的綜合造價(jià)，PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料具有更好的性價(jià)比。

7 結(jié)語(yǔ)

a.隨著PVA纖維摻量和纖維長(zhǎng)度的增大，懸浮密實(shí)型和骨架密實(shí)型兩種PVA纖維水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度均呈先顯著增大后緩慢減小趨勢(shì)。PVA纖維摻量為0.8～1.1 kg/m3、纖維長(zhǎng)度為16～22 mm較為適宜。

b.PVA纖維與水泥膠凝材料黏附狀況良好，形成空間網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)的PVA纖維能夠克服水泥砂漿顆粒之間的錯(cuò)位與滑移，起到了很好傳力、消散力、協(xié)調(diào)變形的作用，橫跨裂縫兩端的PVA纖維加筋網(wǎng)使裂紋的變形受到約束，延緩了破壞裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。

c.摻加PVA纖維能減小水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的溫縮干縮變形特性，并顯著增強(qiáng)了水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的抗疲勞耐久性和抗凍融性能。推薦適宜的PVA纖維長(zhǎng)度為20 mm、纖維摻量宜為0.8～1.1 kg/m3。

d.摻加PVA纖維可以提高水泥穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)強(qiáng)度，延緩甚至阻止半剛性基層產(chǎn)生反射裂縫，延緩半剛性基層產(chǎn)生疲勞破壞，PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石基層有推廣應(yīng)用價(jià)值。