玄武巖纖維對水穩(wěn)建筑垃圾柔化抗裂性能的改善作用

陳喬森，翟超偉

(1.廣東省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司 廣州市 510507； 2.河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司 鄭州市 451464)

0 引言

建筑垃圾在水穩(wěn)碎石基層中的大規(guī)模應用，可以節(jié)約石料資源和工程成本、減少對環(huán)境的破壞[1-2]。李萬舉等[3]認為：磚混類建筑垃圾技術指標較低，可用于二級以下公路底基層，其力學性能滿足二級及以下公路底基層指標要求。王蒙[4]、孫吉書等[5]的研究表明：建筑垃圾吸水率大、壓碎值高，隨著建筑垃圾摻量的增大，水穩(wěn)建筑垃圾的干縮抗裂性能逐漸降低。研究現(xiàn)狀表明：水穩(wěn)建筑垃圾的路用性能較差，尤其是抗裂性能差，導致水穩(wěn)建筑垃圾基層易產(chǎn)生開裂破壞、使用壽命較低。目前僅能將建筑垃圾應用于公路等級較低、交通量較小公路的基層中，且建筑垃圾摻量通常小于50%[6-8]。

水穩(wěn)碎石開裂的最重要原因就是其抵抗變形的能力不足，在荷載作用或收縮變形的作用下，混合料內(nèi)部逐漸產(chǎn)生微裂縫，微裂縫造成的損傷逐步積累，擴展為宏觀裂縫，因此，增強水穩(wěn)碎石抵抗變形的能力可以有效地降低水穩(wěn)碎石的開裂破壞[9]。楊明[10]采用玄武巖纖維改善水穩(wěn)碎石的路用性能，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對水穩(wěn)碎石的路用性能有較強的改善作用，可以顯著提高水穩(wěn)碎石的抗彎拉強度、彎曲韌性以及抗收縮能力，能夠有效地提高水穩(wěn)碎石抵抗變形的能力。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明：水穩(wěn)建筑垃圾的路用性能較差，尤其是抗裂性能不足，導致水穩(wěn)建筑垃圾基層使用壽命較短，進而限制了水穩(wěn)建筑垃圾在高等級公路基層中的應用，而玄武巖纖維能夠增強水穩(wěn)碎石的韌性，對水穩(wěn)碎石具有較好的柔化抗裂作用。通過7d抗壓強度試驗優(yōu)選出滿足重交通荷載等級高速公路基層使用要求的配合比，通過壓折比、抗彎拉韌性評價水穩(wěn)建筑垃圾抵抗變形開裂的能力。

1 試驗方案

以7d抗壓強度為指標，優(yōu)選出滿足重交通荷載等級下高速公路基層使用要求的水穩(wěn)建筑垃圾配合比，確定玄武巖纖維的較佳摻量，并通過水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比、抗彎拉韌性，研究玄武巖纖維對水穩(wěn)建筑垃圾柔化抗裂性能的影響。試件的成型、養(yǎng)生、測試參考《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)的相關規(guī)定。

1.1 壓折比

壓折比可以在一定程度上反映水穩(wěn)碎石的韌性，壓折比越低，柔韌性能越好，抵抗荷載作用開裂的能力越強，其計算公式如式(1)所示。

(1)

式中，抗壓強度與抗彎拉強度的測試齡期均為90d，單位為MPa。

1.2 抗彎拉韌性

抗彎拉韌性是評價水穩(wěn)碎石在彎拉應力下抵抗開裂能力的重要指標，表征從施加荷載開始到試件斷裂為止水穩(wěn)碎石混合料吸收的能量，能有效評價水穩(wěn)碎石混合料的抗變形能力及在彎拉荷載作用下抗斷裂的能力。參考JSCE(日本土木工程師學會)所推薦的等效彎拉強度來評價水穩(wěn)碎石的抗彎拉韌性，等效抗彎拉強度越大，表明使得水穩(wěn)碎石斷裂所需要的能量越大，水穩(wěn)碎石的抗彎拉韌性越好，抵抗變形的能力越強[16]。計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：fe—等效彎拉強度(MPa)；

Ω—從開始到撓度為L/150荷載-撓度曲線下的面積(N·mm)；

L—兩支座之間的跨度(mm)；

b—試件的寬和高(mm)；

h—試件的高度(mm)；

δ—L/150。

試驗齡期為90d。

2 原材料及組成設計

2.1 原材料

水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，建筑垃圾來源于陜西建新環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司，其物理力學性能測試結果如表1所示。

表1 建筑垃圾和天然碎石的物理力學性能

建筑垃圾混合料中細集料含量較高，在進行級配設計時要將建筑垃圾重新篩分后再調整級配，參考《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)所推薦的CB-3級配進行級配設計，如表2所示。

表2 碎石和建筑垃圾的設計級配

玄武巖纖維技術指標如表3所示。

表3 玄武巖纖維的技術指標

2.2 水穩(wěn)建筑垃圾組成設計

取建筑垃圾摻量為0、100%，水泥劑量為3.5%、4.5%、5.5%，纖維摻量為0、0.03%、0.06%、0.09%、0.12%，進行擊實試驗，并通過7d抗壓強度優(yōu)選出較佳的纖維摻量和水泥劑量。水穩(wěn)建筑垃圾的7d抗壓強度試驗結果如表4所示。

表4 7d抗壓強度試驗結果

由表4可知，隨著水泥劑量的增大，水穩(wěn)建筑垃圾的抗壓強度逐漸增大；隨著玄武巖纖維摻量的增大，水穩(wěn)建筑垃圾的抗壓強度先增大后減小，纖維摻量為0.06%時，7d抗壓強度最大；水穩(wěn)建筑垃圾的抗壓強度顯著低于普通水穩(wěn)碎石，但仍具有較高的抗壓強度。纖維摻量過小時，纖維無法在水穩(wěn)建筑垃圾內(nèi)部形成整體的亂向分布體系，無法起到連接固定的作用；纖維摻量過大時，纖維易結團、散布不均勻，且阻礙了水泥石的相互粘結，導致水穩(wěn)建筑垃圾抗壓強度下降。

參考《公路路面基層施工技術細則》JTG/T F20-2015表4.2.4可知，水穩(wěn)碎石應用于重交通荷載等級下高速公路基層的7d抗壓強度代表值為4.0～6.0MPa，公路等級較高時，推薦取上限強度標準。因此取配合比設計指標為6MPa，即水穩(wěn)建筑垃圾的7d抗壓強度大于6MPa時，認為水穩(wěn)建筑垃圾能夠滿足重交通荷載等級下高速公路基層的使用要求。建筑垃圾摻量為100%、水泥劑量為4.5%、纖維摻量為0.06%時，水穩(wěn)建筑垃圾的7d抗壓強度能夠滿足重交通荷載等級下高速公路鋪筑上層結構的要求?？紤]到水泥劑量過大會導致水穩(wěn)碎石收縮抗裂性能降低，在水穩(wěn)建筑垃圾力學性能滿足的情況下，應該盡量選取較低的水泥劑量，因此選取建筑垃圾摻量為0、100%，水泥劑量為4.5%，纖維摻量為0、0.03%、0.06%、0.09%，進行水穩(wěn)建筑垃圾的柔化抗裂性能試驗，以研究玄武巖纖維對水穩(wěn)建筑垃圾柔化抗裂性能的影響。

3 試驗結果及分析

3.1 壓折比

90d抗壓強度試驗、90d抗彎拉強度試驗結果如表5所示。

表5 壓折比試驗結果

由表5可知：隨著纖維摻量的增大，90d抗壓強度先增大后減小，90d抗彎拉強度一直增大，但增長幅度逐漸減緩。摻加玄武巖纖維后，水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比大幅度減小，且隨著纖維摻量的增大，壓折比持續(xù)減小，纖維摻量為0.06%的水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比較普通水穩(wěn)碎石減小了6.7%，不摻加纖維的水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比較普通水穩(wěn)碎石增大了16.2%。這表明摻加玄武巖纖維可以有效地增強水穩(wěn)建筑垃圾的韌性，改善其抵抗開裂的能力。

此外，《公路瀝青路面設計規(guī)范》JTG D50-2017中規(guī)定，90d抗彎拉強度應該高于0.9MPa，可見摻加纖維后，水穩(wěn)建筑垃圾的力學強度能夠滿足規(guī)范要求。纖維摻量為0.06%時，抗壓強度、抗彎拉強度最大，力學性能最佳。

3.2 抗彎拉韌性

抗彎拉韌性試驗結果如表6所示。

由表6可知，摻加纖維后，水穩(wěn)建筑垃圾的等效彎拉強度大幅度提升，且隨著纖維摻量的增大，等效彎拉強度逐漸增大，纖維摻量為0.06%的水穩(wěn)建筑垃圾的等效彎拉強度較普通水穩(wěn)碎石增大了3.9%，不摻加纖維的水穩(wěn)建筑垃圾的等效彎拉強度較普通水穩(wěn)碎石減小了29.4%。這表明摻加玄武巖纖維可以有效地改善水穩(wěn)建筑垃圾抵抗開裂的能力。

表6 等效彎拉強度計算結果

加載初期，水穩(wěn)碎石混合料作為一個整體受力，變形極小，玄武巖纖維基本不起作用；隨著荷載的增大，混合料中逐漸生成微裂縫，纖維開始起到加筋橋接的作用，承擔了部分彎拉應力；隨著微裂縫的繼續(xù)擴展，混合料中的薄弱面上開始出現(xiàn)宏觀裂縫，纖維起到了主要的連接作用；隨著繼續(xù)加載，纖維的承載能力達到了極限，部分纖維被拉斷，混合料的承載能力開始降低，裂縫繼續(xù)擴展，直到纖維全部被拉斷，形成貫通縫。

4 結論

(1)摻加玄武巖纖維后，水穩(wěn)建筑垃圾的柔化抗裂性能得到了大幅度增強，纖維摻量為0.06%時，水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比比不摻加纖維的水穩(wěn)建筑垃圾減小了19.7%、等效彎拉強度增大了47.2%。

(2)隨著玄武巖纖維摻量的增大，水穩(wěn)建筑垃圾的柔化抗裂性能的增長幅度逐漸減小，纖維摻量為0.06%時，玄武巖纖維對水穩(wěn)建筑垃圾的綜合柔化抗裂性能最佳。

(3)玄武巖纖維摻量為0.06%時，水穩(wěn)建筑垃圾的抗裂性能與普通水穩(wěn)碎石比較接近，其力學性能、抗裂性能均能滿足重交通荷載等級高速公路基層的使用要求。