摻聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能研究

羅 坤

(長沙理工大公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心，湖南 長沙 410076)

目前我國已建成的高等級(jí)公路中，水泥穩(wěn)定類半剛性材料鋪筑的基層達(dá)90%以上。主要是因?yàn)榇祟惒牧暇哂袆偠却?、?qiáng)度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。但是，水泥穩(wěn)定碎石類材料的缺點(diǎn)也十分明顯，即抗裂性能相對(duì)較差，尤其是在半剛性基層鋪筑完成后的初期，此時(shí)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度并未完全形成，因溫度變化過快、失水率過大等環(huán)境因素的改變，造成材料的溫縮應(yīng)力、干縮應(yīng)力大于自身抗拉強(qiáng)度，容易出現(xiàn)溫縮、干縮開裂現(xiàn)象，使其整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大降低。

國內(nèi)外研究表明：合適含量的纖維摻入水泥穩(wěn)定碎石混合料中，能有效抑制裂縫產(chǎn)生，改善混合料抗裂性能[1-5]。常見摻入混合料中的纖維有：鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維等。鋼纖維作為剛性纖維，剛度大且難以均勻分散;聚丙烯纖維比重小、粘結(jié)性差，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能提升幅度有限;而聚乙烯醇纖維相對(duì)其它纖維類材料，強(qiáng)度和彈性模量較高，化學(xué)穩(wěn)定性能好。本文將一定摻量的聚乙烯醇纖維摻入水泥穩(wěn)定碎石中，重點(diǎn)研究其抗裂性能改善效果。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1水泥

選取石門海螺水泥廠生產(chǎn)的P·O 32.5水泥，按照《水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)中的試驗(yàn)方法，對(duì)其常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1：

表1 水泥試驗(yàn)結(jié)果表比表面積/m2·kg-1 細(xì)度/%初凝時(shí)間/min終凝時(shí)間/min3 d抗壓強(qiáng)度/MPa28 d抗壓強(qiáng)度/MPa3461.619536024.140.8

1.1.2集料

水泥穩(wěn)定碎石中所用的粗集料、石屑均來自張家界精點(diǎn)石場(chǎng)所生產(chǎn)的石灰?guī)r，石質(zhì)潔凈、堅(jiān)硬，按照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/TF20—2015)中相關(guān)要求，對(duì)級(jí)配進(jìn)行設(shè)計(jì)，各關(guān)鍵篩孔通過率均滿足規(guī)定要求(見表2、圖1)。

圖1 合成級(jí)配曲線

1.1.3聚乙烯醇纖維

聚乙烯醇纖維(PVA纖維)是一種強(qiáng)度高、彈性模量高、耐酸堿性好的纖維材料。它具有非環(huán)形和不規(guī)則的截面，增大了與水泥基質(zhì)的成鍵面，表現(xiàn)出與水泥相容性好的特性。本文只考慮PVA纖維摻量對(duì)混合料抗裂性能的影響，故纖維直徑、纖維長度均為不變量。PVA纖維選用上海石化生產(chǎn)的高強(qiáng)、高模聚乙烯醇纖維。其技術(shù)性能為：密度1.36 g/cm3，纖維長度50 mm，纖維直徑20μm，抗拉強(qiáng)度1 500 MPa，楊氏模量40.3 GPa，極限延伸率7%。

表2 級(jí)配曲線表篩孔尺寸 / mm累計(jì)篩余 / %19～31.59.5～194.75～9.50～4.75合成級(jí)配 / %規(guī)范通過率 / %31.5100100100100100 90～100196.110010010081.267～909.50.26.399.510061.245～684.750.22.67.199.237.129～502.360.20.23.286.531.218～380.60.10.21.250.217.9 8～220.0750.10.11.19.73.7 0～7篩底100.0100.0100.0100.00注:19～31.5、9.5～19、4.75～9.5、0～4.75 mm 4檔料的比例為20∶20∶25∶35。

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究不同PVA纖維摻量對(duì)抗裂性能的影響，以5%的水泥劑量設(shè)計(jì)一組基準(zhǔn)配合比，PVA纖維摻量按混合料總質(zhì)量的0‰、0.3‰、0.6‰、0.9‰和1.2‰等5種比例摻入，分別成型5組試件,以0‰的試件為基準(zhǔn)組。試件的成型、養(yǎng)護(hù)和試驗(yàn)嚴(yán)格按照《 公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[6]中的規(guī)定進(jìn)行，其中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)采用φ150 mm的圓柱體試件，進(jìn)行7 d和90 d齡期的測(cè)試。溫縮、干縮試驗(yàn)采用 100 mm×100 mm×400 mm的中梁試件。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 重型擊實(shí)試驗(yàn)

按照上述試驗(yàn)方案，分別對(duì)5組PVA纖維摻量的混合料進(jìn)行重型擊實(shí)。得到其最佳含水率、最大干密度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。

表3 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表PVA摻量/‰最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)05.02.3530.35.02.3620.65.12.3570.95.02.3591.25.02.352

從表3可以看出：5組摻量下混合料的最佳含水率、最大干密度變動(dòng)較小。分析其原因，主要是因?yàn)槔w維材料的親水性較差，對(duì)混合料單位用水量影響小。與此同時(shí)，本試驗(yàn)中PVA纖維密度為1.36 g/cm3，低于砂石材料密度，但由于纖維用量很小，不會(huì)對(duì)混合料最大干密度造成太大影響。得出小摻量PVA纖維不會(huì)影響混合料的最佳含水率和最大干密度。

2.2 無側(cè)限強(qiáng)度、 劈裂試驗(yàn)

按照規(guī)程[6]的要求，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d和90 d齡期后，進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表PVA摻量/‰無側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa劈裂強(qiáng)度/MPa7 d90 d7 d90 d03.765.630.480.870.33.836.430.470.920.63.936.650.490.950.93.816.830.480.981.23.906.780.470.96

從上表中可以看出：PVA纖維摻入水泥穩(wěn)定碎石中，7 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度變化不大；90 d齡期的變化則較為顯著，纖維的加入使其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度均得到一定幅度提高。纖維摻量處于一定范圍內(nèi)時(shí)，90 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度都隨著PVA摻量提高而逐漸增加，隨著摻量繼續(xù)增加，強(qiáng)度增長趨于平穩(wěn)甚至逐漸減小。從表4數(shù)據(jù)得出PVA纖維摻量為0.9‰時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石90 d齡期無側(cè)限強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度分別較基準(zhǔn)組提高21.3%和12.6%。

分析其原因：主要是PVA纖維抗拉強(qiáng)度和彈性模量均較高，混合料中聚乙烯醇纖維摻入，使其內(nèi)部受力加入了纖維與水化產(chǎn)物之間的粘合力，當(dāng)混合料受力時(shí)，只有將纖維從混合料中拔出或者拉斷才能消除這部分力，宏觀表現(xiàn)為水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度性能得到提升。

2.3 溫縮、 干縮試驗(yàn)

2.3.1溫縮試驗(yàn)

根據(jù)南方地區(qū)的氣候條件，溫度控制在-10 ℃～30 ℃區(qū)間，按照規(guī)程[6]試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，平均溫縮系數(shù)按下式計(jì)算：

(1)

式中：ti為第級(jí)溫度,℃；εi為第i級(jí)溫縮應(yīng)變，%；αti為第次的溫縮系數(shù)，10-6/℃；

將試驗(yàn)結(jié)果整理出表5，并繪制出不同PVA摻量與溫縮系數(shù)的關(guān)系(見圖2)。

圖2 不同PVA摻量下溫縮系數(shù)關(guān)系圖

表5 溫縮試驗(yàn)結(jié)果表PVA摻量/‰各溫度段(℃)平均溫縮系數(shù)/(10-6·℃-1)20～3010～200～10-10～0平均值最大值020.3920.5022.5627.7422.8027.740.316.3817.6317.3522.6718.5122.670.614.8215.9215.2718.2116.0618.210.911.0612.0312.6113.5612.3213.561.210.5711.4512.0712.2311.5812.23

從表5數(shù)據(jù)可以看出：當(dāng)聚乙烯醇纖維摻量增大時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料溫縮系數(shù)平均值、最大值均逐漸減小，說明PVA纖維的摻入能有效提高混合料溫縮性能。當(dāng)PVA纖維摻量為0.9‰時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石溫縮系數(shù)較基準(zhǔn)組降低了49.2%。

2.3.2干縮試驗(yàn)

干縮試驗(yàn)按下式計(jì)算：

失水率：ωi=mi-mi+1/mp

(2)

干縮應(yīng)變：εi=δi/l

(3)

干縮系數(shù)：αdi=εi/ωi

(4)

總干縮系數(shù)：αd=∑εi∑ωi

(5)

式中：ωi為第次的失水率，%；δi為第i次的干縮量，mm；εi為第i次的干縮應(yīng)變，10-6；mi為第i次測(cè)試的質(zhì)量，g；l為初始試件的長度，mm；mp為試件烘干后的恒重，g；αdi為表示第i次的干縮系數(shù)，10-6。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出不同PVA摻量下水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)圖(見圖3)。

圖3 不同PVA摻量下干縮系數(shù)與齡期關(guān)系圖

從圖3中可以看出：① 5組摻量下的水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)均隨養(yǎng)護(hù)齡期增長，呈現(xiàn)出先顯著增加然后趨于平穩(wěn)的變化規(guī)律；② 摻入聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)均小于同齡期基準(zhǔn)組的干縮系數(shù)，當(dāng)PVA纖維摻量為0.9‰時(shí)下降幅度最大，29 d齡期的降幅達(dá)到49.6%。

分析其原因：由于纖維比表面積較大，摻入到

混合料中，在混合料的內(nèi)部形成了一種均勻、亂向支撐體系，纖維的亂向分布一定程度上削弱混合料的塑性收縮。由塑性收縮產(chǎn)生的能量被分散至亂向分布的纖維上，混合料的韌性得到增強(qiáng)，抵消了一部分由于溫度、濕度變化所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，一定程度上降低了細(xì)微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，宏觀表現(xiàn)為水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能增強(qiáng)。

3 結(jié)論

在水泥穩(wěn)定碎石中摻入不同劑量的聚乙烯醇纖維，并對(duì)其混合料的力學(xué)強(qiáng)度、溫縮、干縮性能進(jìn)行試驗(yàn)，研究摻聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料抗裂性能改善程度，研究表明：

1)小摻量的聚乙烯醇纖維摻入水泥穩(wěn)定碎石當(dāng)中，對(duì)混合料的最佳含水率、最大干密度不會(huì)造成太大影響;對(duì)混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度則有小幅度的提升作用。

2)水泥穩(wěn)定碎石混合料中摻入聚乙烯醇纖維，能夠有效降低混合料的溫縮、干縮系數(shù)，改善水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能。

3)隨著聚乙烯醇纖維摻量增加，水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能、抗裂性能均得到一定幅度提升;當(dāng)摻量繼續(xù)增加,其性能趨于穩(wěn)定甚至下降，考慮到經(jīng)濟(jì)性原則，建議最佳聚乙烯纖維摻量為0.9‰。