玄武巖纖維對水泥穩(wěn)定銑刨料抗壓強度和干縮性能的影響

鄒啟東，徐良軍，金鑫，賈致榮

(1. 山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255049；2. 山東魯中公路建設(shè)有限公司，山東 淄博 255000；3. 山東理工大學 建筑工程學院， 山東 淄博 255049)

隨著我國公路事業(yè)的不斷發(fā)展，早期修建的公路到了該大中修和改擴建的階段。部分道路需要將結(jié)構(gòu)層全部挖除，這將產(chǎn)生大量的廢料，僅僅舊水泥穩(wěn)定碎石的廢棄量每年就超過900萬t。而將纖維摻入到水泥穩(wěn)定銑刨料中不僅能夠改善水泥穩(wěn)定碎石材料的綜合性能，又能提高銑刨料的利用率，降低廢料對環(huán)境的污染，大大減少了對天然砂石的開采，將給社會帶來巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

水泥穩(wěn)定碎石基層是我國高等級公路基層和底基層應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。在道路材料再生利用方面，我國現(xiàn)階段對瀝青面層的冷再生利用研究已經(jīng)日趨成熟，對水泥穩(wěn)定銑刨料的利用研究相對較少。楊俊等[1]對再生集料性能的研究結(jié)果表明,再生集料各項主要指標都達到了路面基層對材料性能的要求。高磊等[2]對水泥穩(wěn)定銑刨料粗集料的物理和力學性能進行了評價，結(jié)果表明：水泥銑刨料粗集料滿足二級及二級以下公路水泥穩(wěn)定碎石的底基層粗集料的主要指標要求。林通等[3]研究了水泥穩(wěn)定瀝青路面銑刨料力學性能影響，結(jié)果表明：摻入新碎石有助于提高混合料的強度和模量,在使用合理的情況下,水泥穩(wěn)定瀝青路面銑刨料的強度能夠滿足除特重交通以外的路面基層要求。唐伯明等[4]的結(jié)果表明：集料的棱角性與粒徑大小具有一定的相關(guān)性；隨著粒徑的增大,球形度增大,粗糙度下降;再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與再生集料的棱角性線性相關(guān)。肖杰等[5]研究了水泥穩(wěn)定磚與混凝土再生集料的基層特性，試驗結(jié)果表明:隨再生集料摻量的增加,混合料的最大干密度和最佳含水率分別呈近似線性減小和增大;通過路用性能試驗和現(xiàn)場試鋪證明了磚與混凝土再生集料用作半剛性基層材料是可行的。但隨著銑刨料的摻加，也對水泥穩(wěn)定碎石混合料的收縮性能有些負面影響，比如鄒桂蓮等[6]的研究結(jié)果表明，與天然集料相比，摻加再生集料的水泥穩(wěn)定再生碎石強度提高，可以達到路面基層、底基層的強度指標要求，但水泥穩(wěn)定再生碎石的收縮顯著增大，可達到天然集料穩(wěn)定材料的1.7～2.5倍。因此，通過一些物理或化學方法對銑刨料的路用性能進行改善研究具有重要的意義。劉陵慶[7]通過化學活化的方法可顯著降低再生集料的壓碎值和吸水率。Han等[8]將土工合成材料用于改善道路再生集料力學性能和耐久性能。Li等[9]將廢食用油用來改善水泥穩(wěn)定碎石的開裂性，并用于工程路段試驗，現(xiàn)場測試應(yīng)用表明，廢食用油改性水泥穩(wěn)定碎石路基是公路建設(shè)的可接受且經(jīng)濟的替代方案。Katkhuda等[10]采用玄武巖纖維和酸處理的方法改善再生混凝土集料的力學性能。結(jié)果表明:采用短切玄武巖纖維可使混凝土混合料的抗壓強度得到最小程度的提高，但能顯著提高其抗折和劈裂抗拉強度。付魯鑫等[11]對酸處理前后銑刨料的各項性能指標進行了試驗測定,并通過工程應(yīng)用，得出結(jié)論：經(jīng)0.1 mol/L鹽酸處理的銑刨料其力學與物理性能得到改善。韋佑波等[12]通過研究玄武巖纖維在瀝青混合料中的作用機理，得出結(jié)論：玄武巖纖維的加入顯著提高了動態(tài)蠕變試驗瀝青混合料的流變次數(shù),其對混合料動穩(wěn)定度有明顯的增強作用。Ayuba等[13]和Branston等[14]通過研究玄武巖纖維在混凝土中力學性能，得出結(jié)論：在一定的纖維體積摻量情況下，纖維能最大程度的提高抗壓強度和劈裂強度。綜上所述，玄武巖纖維摻入到混凝土和瀝青混合料中的物理力學性能有良好的改善作用，但是關(guān)于玄武巖纖維在水泥穩(wěn)定碎石基層中的應(yīng)用方面研究較少。

為了加強對水泥穩(wěn)定銑刨料的回收利用和路用性能的改善效果研究，本文采用水泥穩(wěn)定銑刨料、天然集料和玄武巖纖維為試驗用料，然后通過正交試驗對玄武巖纖維水泥穩(wěn)定銑刨料的最佳纖維體積摻量、長度和銑刨料摻量的影響次序和最佳摻配比例進行研究，最后與不摻纖維的水泥穩(wěn)定銑刨料和普通水泥穩(wěn)定碎石進行不同齡期的對比試驗，評價玄武巖纖維對水泥穩(wěn)定銑刨料的抗壓強度和干縮性能的增強效果。

1 原材料

1.1 玄武巖纖維

試驗選用的玄武巖纖維經(jīng)過多家對比，選取由浙江海寧安捷復合材料有限公司所生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，纖維的技術(shù)性能指標見表1。

表1 玄武巖纖維(BF)的主要性能技術(shù)指標Tab. 1 The main performance and technical indicators of BF

1.2 集料

試驗采用的天然集料為石灰?guī)r，規(guī)格為0～5 mm石屑、5～10 mm碎石、10～20 mm碎石和20～30 mm碎石。采用的銑刨料為維特根W2000銑刨機對山東省沂源縣人民西路道路改造銑刨得到的水泥穩(wěn)定銑刨料。對試驗采用的天然集料和銑刨料進行篩分分別得到粒徑19～31.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、0～4.75 mm四種規(guī)格的集料，根據(jù)JTG/E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》分別測得天然粗、細集料和銑刨粗、細集料的技術(shù)性能指標，并與規(guī)范中對二級及二級以下公路基層粗、細集料規(guī)范要求值比較，其結(jié)果見表2、表3。對比發(fā)現(xiàn)銑刨粗集料的吸水率略高于規(guī)范要求值，這是由于銑刨料在銑刨料在破碎過程中會產(chǎn)生一定量的微裂縫，且銑刨料表面包裹著一定數(shù)量的質(zhì)量較輕，比表面積大且孔隙率大、吸水率較高的砂漿所導致的，而銑刨料的指標基本滿足規(guī)范要求值，整體而言，說明銑刨料仍然具備良好的物理力學性質(zhì)，仍然具有一定的利用價值。

表2 銑刨粗集料與天然粗集料物理性能指標對比Tab. 2 Comparison of physical properties between milled coarse aggregate and natural coarse aggregate

表3 銑刨細集料與天然細集料技術(shù)指標對比Tab. 3 Technical index comparison between recycledfine aggregate and natural fine milling

1.3 水泥

水泥采用山東鋁業(yè)集團生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，根據(jù)規(guī)范對水泥的凝結(jié)時間、強度等技術(shù)指標進行測試，與規(guī)范GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》中對水泥要求的各項指標進行對比，對比結(jié)果見表4。

表4 水泥技術(shù)指標試驗結(jié)果Tab.4 Test results of cement technical indicators

2 試驗方案

2.1 混合料的級配

為了盡量減少級配對混合料性能的影響，統(tǒng)一采用懸浮密實型結(jié)構(gòu)并選取一種級配組成。將銑刨料和天然集料進行篩分，根據(jù)規(guī)范規(guī)定的上下限調(diào)節(jié)集料的級配，使其接近級配中值，集料的合成級配見表5，其中粗集料約占70%，細集料約占30%。

表5 集料的級配組成Tab.5 Gradation composition of aggregates

2.2 試驗設(shè)計

設(shè)計正交試驗，選擇A(纖維摻量，體積分數(shù))、B(纖維長度)、C(銑刨料摻量，質(zhì)量分數(shù))作為主要影響因素，每個因素選擇三個水平，根據(jù)選擇的因素和水平，制作了因素—水平表(表6)，3因素3水平試驗且不考慮因素之間的交互作用，確定L9(34)正交表來安排試驗，確定9組試驗試件，并加1組普通水泥穩(wěn)定碎石試件做對比，正交試驗表見表7。試驗考察的性能指標為：7 d無側(cè)限抗壓強度、7 d干縮系數(shù)。

表6 因素—水平表Tab.6 Factor-level Table

在表6中，當C含量為0時，集料為30%天然細集料+70%天然粗集料；C含量為30%時，集料為30%銑刨細集料+70%天然粗集料；C含量為70%時，集料為30%天然細集料+70%銑刨粗集料；C含量為100%時，集料為30%銑刨細集料+70%銑刨粗集料。水泥劑量統(tǒng)一采用5%。通過擊實試驗確定最佳含水率和最大干密度時，確定不同銑刨料的摻量的最佳含水率和最大干密度。擊實試驗結(jié)果見表7。

表7 擊實試驗結(jié)果Tab.7 Result of beating

根據(jù)正交試驗得到的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，對比研究玄武巖纖維水泥穩(wěn)定銑刨料(FCRA)、水泥穩(wěn)定銑刨料(CRA)、水泥穩(wěn)定碎石(CNA)的7 d、28 d、90 d抗壓強度和干縮性能的變化特征。三組試驗方案中，第一組為玄武巖纖維水泥穩(wěn)定銑刨料，其纖維摻量為0.8‰，纖維長度為25 mm，銑刨料摻量為30%，即正交試驗所確定的參數(shù)；第二組為水泥穩(wěn)定銑刨料，即不摻纖維，銑刨料摻量為30%；第三組為普通水泥穩(wěn)定碎石，是全部天然集料的水泥穩(wěn)定碎石。其最佳含水率和最佳干密度的確定參照上述表7的擊實結(jié)果，試驗的其他原材料與前期試驗相同。

3 試驗方法

3.1 試件的制備及養(yǎng)護

根據(jù)JTG E51-2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中要求對粗粒土制備φ150 mm×150 mm的圓柱形試件和100 mm×100 mm×400 mm的長方體試塊，成型方法采用靜力壓實法制備，成型過程中裝模的質(zhì)量根據(jù)擊實試驗的得到的最大干密度和最佳含水率確定，壓實度為98%。試件均在溫度為(20±2)℃，濕度為98%的標準環(huán)境下養(yǎng)生，并在養(yǎng)生期最后一天按照規(guī)范要求放入恒溫水槽中進行浸水養(yǎng)護。

3.2 測試方法

試驗方法依據(jù)JTG E51-2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進行，其中擊實試驗方法參照T 0804—1994中丙法進行電動擊實試驗；無側(cè)限抗壓強度試驗方法參照T 0805-1994無機結(jié)合料穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓強度試驗方法進行，養(yǎng)生齡期為7 d、28 d、90 d；干縮試驗參照T 0854-1994中無機結(jié)合料穩(wěn)定材料干縮試驗方法對試塊進行測試, 在試驗開始后的前7 d，每天記錄千分表的讀數(shù)和試塊標準質(zhì)量，在7～30 d范圍內(nèi)每2 d記錄一次，30 d以后只記錄40 d、50 d、60 d、70 d、80 d、90 d數(shù)據(jù)。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 正交試驗結(jié)果

采用上述的試件制備以及試驗測試方法得到試驗結(jié)果，正交試驗表及結(jié)果見表8。

表8 正交試驗結(jié)果Tab.8 Orthogonal test plan and results

4.2 試驗結(jié)果直觀分析

(1)

Rj=max{K1j,K2j,K3j}-min{K1j,K2j,K3j}。

(2)

表9中，極差R值越大，說明該因素對試驗指標的影響就越大，極值的大小可看出因素所起作用的大小。由表9可得出以下結(jié)論：

1)由極差的大小可知，對于玄武巖纖維水泥穩(wěn)定銑刨料的抗壓強度和干縮系數(shù)，各因素的影響順序均為：銑刨料摻量→纖維摻量→纖維長度，其中銑刨料摻量對抗壓強度和干縮強度的影響最大，遠大于其余兩項，其次為纖維摻量，纖維長度對兩個試驗指標的影響較小。

表9 正交試驗結(jié)果直觀分析Tab.9 Visual analysis of orthogonal test results

2)在三個因素的影響下，玄武巖纖維水泥穩(wěn)定銑刨料的7 d抗壓強度、7 d干縮強度的最優(yōu)配比均為A2B3C1，各因素對試驗指標的影響如圖1、圖2所示，可以看出銑刨料摻量對混合料強度和干縮性能起主要作用，在銑刨料摻量為30%時，即銑刨細集料+天然粗集料的摻配方式對抗壓強度的增加最大，同時干縮系數(shù)最??；隨著銑刨料摻量的增加，干縮系數(shù)逐漸升高，所以銑刨料的增加會一定程度上導致混合料干縮系數(shù)的增加；從表中還可以看出纖維摻量并不是越高越好，當摻量達到最優(yōu)后，再增加纖維的摻量會導致混合料的抗壓強度和干縮性能的下降；纖維長度為25 mm時，增強效果最為顯著，若纖維長度繼續(xù)增大,會導致其在水泥穩(wěn)定碎石材料中分散性降低，容易聚團，進而導致其增強效果增加緩慢甚至降低[15]。

圖1 各因素對抗壓強度的影響Fig.1 Influence of the factors on compressive strength

圖2 各因素對干縮系數(shù)的影響Fig.2 Influence of the factors on shrinkage coefficient

4.3 試驗結(jié)果方差分析

直觀分析雖然可以直觀的分析出試驗的最優(yōu)配比，但是不能估計試驗過程以及結(jié)果測定中必然存在的誤差大小，同時也不容易判斷出試驗各因素對試驗指標影響的顯著程度，因此采用方差分析法，目的就是將試驗誤差所引起的結(jié)果差異與因素水平的改變所引起的結(jié)果差異區(qū)別開，抗壓強度方差分析見表10,干縮系數(shù)方差分析見表11。

在判斷F比時，信度α是指我們對作出的判斷大概有1-α的把握。α不是一個固定的數(shù)字，其值越小，表示在相應(yīng)的F在做判斷時，出錯的可能性越小。例如在表9中，就銑刨料摻量來說，當F比=2.836>F0.15(2,6)=2.65時，說明銑刨料摻量這一因素水平的改變對玄武巖纖維水泥穩(wěn)定混合料的抗壓強度有顯著影響的可信度為85%，對于不同的信度α，有不同的F分布表，常用的α有0.05、0.1、0.15、0.2等，根據(jù)自由度的大小，可在各種信度的F表中查得F比的臨界值，然后再將其與各因素的F值進行比較，可得到其元素的顯著性。

表10 玄武巖纖維水泥穩(wěn)定銑刨料抗壓強度方差分析表Tab.10 Variance analysis of compressive strength of basalt fiber cement sTabilized milling material

表11 玄武巖纖維水泥穩(wěn)定銑刨料干縮系數(shù)方差分析表Tab.11 Variance analysis of dry shrinkage coefficient of basalt fiber cement sTabilized milling material

從表10中通過合并誤差列，并經(jīng)過顯著性檢驗，可以看出銑刨料摻量對抗壓強度影響顯著，其次是纖維摻量，纖維長度影響最不顯著；從方差表11可以看出，銑刨料摻量對干縮系數(shù)有相對比較顯著的影響，其F值=2.89>F0.15(2,6)=2.65，它對混合料的干縮性能顯著性程度有85%的保證率，這些都與直觀分析結(jié)果符合。

因此，銑刨料摻量對水泥穩(wěn)定混合料的抗壓強度和干縮系數(shù)的影響要比纖維摻量和纖維長度顯著，對各水平以及最佳配合比中各因素影響的重要程度排序，通過誤差分析，對次要元素弱化處理，從而得出對兩個試驗指標影響下的最佳配比：A2B3C1，這與直觀分析的結(jié)果相符。

4.4 不同齡期混合料的抗壓強度和干縮性能結(jié)果及分析

FCRA、CRA和CNA三組試件在不同齡期下的抗壓強度和干縮系數(shù)進行對比分析，其試驗結(jié)果見表12。

表12 不同齡期混合料的抗壓強度和干縮系數(shù)試驗結(jié)果Tab.12 Test results of compressive strength and dry shrinkage coefficient of different age mixtures

由表12、圖3可知：

1)當銑刨料摻量為30%，也就是用銑刨料替代天然細集料時，CRA各齡期的抗壓強度高于CNA，并且這種強度優(yōu)勢在早期表現(xiàn)的更為明顯。主要原因是：水泥穩(wěn)定碎石在早期強度還未完全形成，銑刨細集料中含有一定的未水化水泥砂漿等活性物質(zhì)，可與水泥再次發(fā)生水化反應(yīng)；而天然粗集料的顆粒形狀接近球形或者立方體形較好，天然粗集料比銑刨粗集料的針片狀顆粒含量的針片狀顆粒含量高，骨架結(jié)構(gòu)更加密實。因此，當用銑刨料替代天然細集料時，抗壓強度有所提高，并且早期強度優(yōu)勢較明顯。

圖3 混合料抗壓強度隨齡期變化Fig.3 Compressive strength of mixture variation with age

2)由于纖維的摻入，水泥穩(wěn)定銑刨料的各齡期的抗壓強度均有提高，其原因是：將一定量的玄武巖纖維摻入水泥穩(wěn)定銑刨料中后，在混合料內(nèi)部形成三維亂象網(wǎng)狀體系，這種體系可以起到承托集料、協(xié)同集料的作用，類似起到一個加強的作用，當混合料基體收到外力作用時，基體將一部分作用傳遞給纖維，纖維發(fā)生變形，消耗部分應(yīng)力，提高混合料的抗壓強度。

由表12、圖4可知：由于銑刨細集料的摻入，水泥穩(wěn)定銑刨料的干縮系數(shù)顯然大于普通水泥穩(wěn)定碎石，這是因為銑刨集料的需水量大，失水率也大，導致與天然集料相比，干縮系數(shù)較大。玄武巖纖維的摻入，使水泥穩(wěn)定銑刨料的最終干縮系數(shù)降低11%左右，接近于普通水泥穩(wěn)定碎石。其機理解釋為：玄武巖纖維使試件的失水面積有所減小，從而使試件毛細管失水收縮形成的毛細管張力有所減小,同時由于纖維與基體之間產(chǎn)生的連接力、機械嚙合力以及大量纖維絲亂向分布形成的網(wǎng)狀支撐體系的共同作用,有效的約束了基體內(nèi)混合料與膠凝物的干縮形變，進而形成了摻入玄武巖纖維的玄武巖纖維水泥穩(wěn)定銑刨料試件比水泥穩(wěn)定銑刨料試件干縮系數(shù)和干縮應(yīng)變均有較大幅度減小的現(xiàn)象[16]，在最終穩(wěn)定的干縮系數(shù)接近于普通水泥穩(wěn)定碎石試件。因此，摻入玄武巖纖維能夠一定的減少水泥穩(wěn)定銑刨料的干縮開裂。

圖4 混合料干縮系數(shù)隨齡期變化Fig.4 Dry shrinkage coefficient of mixture variation with age

5 結(jié)論

1)對玄武巖纖維水泥穩(wěn)定銑刨料的抗壓強度和干縮性能按影響顯著效果的排序均為：銑刨料摻量→纖維摻量→纖維長度。

2)兩個試驗指標條件下玄武巖纖維水泥穩(wěn)定銑刨料的最優(yōu)配比為A2B3C1，即玄武巖纖維體積摻量為0.8‰、纖維長度為25 mm、銑刨料摻量為30%銑刨細集料+70%天然粗集料。

3)摻入玄武巖纖維不僅能夠提高水泥穩(wěn)定銑刨料的抗壓強度，還能使水泥穩(wěn)定銑刨的干縮系數(shù)有效降低，接近于普通水泥穩(wěn)定碎石，可以減少水泥穩(wěn)定銑刨料基層的干縮開裂。