基于纖維增強的水穩(wěn)基層抗裂性能提升技術研究

江 臣，郭趙元，金光來，吳德磊

（1.江蘇省交通工程建設局,江蘇 南京 212100；2.江蘇中路工程技術研究院有限公司,江蘇 南京 211800）

引 言

水泥穩(wěn)定碎石作為高等級公路常用基層材料，具有良好的強度、耐水性及穩(wěn)定性等優(yōu)點［1］。但水穩(wěn)材料在使用初期往往會產(chǎn)生收縮裂縫，導致路面形成反射裂縫，破壞了路面結構的整體性能，進而嚴重影響了路面的使用性能及壽命［2］。

孫兆輝［3］通過改善配合比的方法，提出了可供工程應用水穩(wěn)材料合計方案。曾夢瀾等［4］發(fā)現(xiàn)骨架密實型結構相較于懸浮密實型結構具有更好的抗裂性能。熊茂東等［5］結合實際工程，通過所提出的抗裂指數(shù)對水穩(wěn)材料的設計級配進行了優(yōu)化設計，結果表明采用綜合抗裂指數(shù)評價水泥碎石基層的抗裂性能是一種很關鍵的指標。許志鴻等［6］分析了不同養(yǎng)生溫度對水穩(wěn)材料抗裂性能的影響，發(fā)現(xiàn)低溫條件下養(yǎng)生、施工對水穩(wěn)材料的抗裂性能有顯著提升。

綜上所述，現(xiàn)有研究大多從配合比角度出發(fā)，尋找此類問題的解決方法。但隨著交通量的增長及工作環(huán)境日益復雜化，單一從結構角度研究水穩(wěn)材料的抗裂性能無法滿足實際需求。為此，本研究通過向水穩(wěn)材料中添加玻璃纖維、聚酯纖維和聚丙烯腈纖維纖維，分別制備了三種纖維抗裂水穩(wěn)材料，利用無側限抗壓強度試驗及收縮性能試驗，對添加纖維后的水穩(wěn)材料抗裂性能進行評價。研究結果可為纖維在提升水穩(wěn)材料抗裂性能方面的應用提供一定參考依據(jù)。

1 原材料與水泥穩(wěn)定碎石混合料試件制備

1.1 原材料

根據(jù)纖維與混凝土彈性模量的關系，纖維混凝土又可以分為剛性纖維混凝土和柔性纖維混凝土兩種［7］。其中剛性纖維主要包括鋼纖維、碳纖維等，而柔性纖維主要指合成纖維（聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、聚酯纖維等）。和普通混凝土相比，剛性纖維混凝土主要具有強度高、抗變形能力強，耐久性良好等特點［8］。柔性纖維混凝土則主要在混凝土的彎曲韌性、斷裂韌性、收縮及徐變變形、抗疲勞、抗凍融、抗沖擊等方面有顯著提升［9］。

水泥穩(wěn)定碎石混合料中摻加纖維的目的主要是減少混合料的收縮裂縫，因此柔性纖維更適合用于水泥穩(wěn)定碎石中。故初定玻璃纖維、聚酯纖維和聚丙烯腈纖維等三種柔性纖維，開展纖維穩(wěn)定碎石混合料性能測試分析，三種纖維基本物理性能如表1所示。水泥為蘇州天山水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥，具體指標如表2所示。

表1 幾種纖維基本物理性能指標

表2 水泥基本性能指標

1.2 水泥穩(wěn)定碎石混合料試件制備

考慮所摻纖維的重量相對于水泥穩(wěn)定碎石材料自身重量而言可以忽略不計，且纖維增強水泥穩(wěn)定碎石是物理作用而非化學作用，故而采用“外摻法”將體積摻量為0.06%，0.07%，0.09%的聚酯纖維、聚丙烯腈纖維和體積摻量為0.12%，0.15%，0.18%分別添加到水泥穩(wěn)定碎石材料中制成試件，設置普通水泥穩(wěn)定碎石混合料為對照組。

2 纖維種類優(yōu)選

2.1 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度試驗依據(jù)《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）［10］，參考 T 0805-1994試驗方法。試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，纖維的加入可有效地提升水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側限抗壓強度。三種纖維達到最大抗壓強度時的摻量分別為0.07%，0.07%和0.15%，其中聚酯纖維和聚丙烯腈纖維在單位摻量下的提升效果明顯優(yōu)于玻璃纖維。

2.2 干縮試驗

干縮試驗采用100 mm×100 mm×400 mm的梁式試件，按混合料最大干密度和最佳含水量計算裝模質量，拌和裝入試模后進行壓實。脫模后用塑料薄膜包裹并放入標準養(yǎng)護間養(yǎng)護2 d，然后取掉塑料薄膜，對試件兩側面中間貼應變片處用水泥漿涂抹，填補表面孔隙或坑槽，處理完后重新包上塑料薄膜，放回養(yǎng)護室養(yǎng)護再養(yǎng)生4 d，然后將試件再次取出，對貼應變片處的水泥漿涂層進行打磨，將打磨完成的試件放入水中浸水一晝夜。將浸水完成后的試件取出，對試件貼應變片處再次進行打磨處理，并吹去試件表面因打磨產(chǎn)生的浮塵，粘貼應變片。最后將試件重新用塑料薄膜包好放回養(yǎng)護室養(yǎng)生1 d。每組試驗需要平行試件3個，其中3個貼應變片測干縮應變，3個用于稱質量的變化。試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，相較于普通水穩(wěn)材料，當聚酯纖維摻量為0.06%時，水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)顯著增大，7 d干縮系數(shù)增大了3.24倍。當摻量為0.07%和0.09%時，7 d以內水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)顯著減小，而超過7 d后，水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)基本與普通水穩(wěn)材料的一致，聚酯纖維最佳摻量為0.07%；當聚丙烯腈纖維摻量為0.06%時，水泥穩(wěn)定碎石混合料7 d干縮系數(shù)增大了3倍，當摻量為0.07%時，水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)顯著減小。當摻量為0.09%時，7 d以內混合料干縮系數(shù)為負數(shù)，試件表現(xiàn)為膨脹狀態(tài)，影響實際使用；玻璃纖維在三種摻量下干縮系數(shù)均為負值，因此在進行纖維選擇時，不考慮玻璃纖維。

綜合前述三種纖維的強度和干縮性能試驗結果與材料經(jīng)濟性，確定采用聚丙烯腈纖維作為改善水穩(wěn)碎石抗裂性能的纖維品種，且聚丙烯腈纖維的最佳摻量為0.07%。

3 纖維抗裂水穩(wěn)材料配合比設計

3.1 水泥穩(wěn)定碎石混合料設計級配

考慮水泥穩(wěn)定碎石材料中集料嵌擠和粘結需求，結合前人已有研究結果［11-12］，確定以骨架密實型結構設計纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料，根據(jù)《江蘇省高速公路抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層施工指導意見（試行）（蘇高技（2006）219號）》（后文簡稱《意見》）要求進行級配設計，具體設計級配如表3所示。

表3 水泥穩(wěn)定碎石混合料級配

3.2 最佳水泥用量確定

水泥劑量按3.0%，3.5%，4.0%，4.5%，5.0%五種比例制備試件，分別采用重型擊實法和振動成型法確定各組水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水量和最大干密度，試驗結果如表4所示。

表4 水泥穩(wěn)定碎石擊實試驗結果

由表4可知，振動成型法與重型擊實法得到的最大干密度之間存在一定相關性，根據(jù)上述多組水泥劑量對比試驗，對于該種級配水泥穩(wěn)定碎石混合料，建議兩者之間的比值取1.029。

根據(jù)試驗確定的最佳含水量和最大干密度，采用靜壓法和振動壓實法成型無側限抗壓強度試件。成型混合料試件在20℃±2℃，相對濕度≥95%的條件下養(yǎng)護6 d，浸水1 d后取出，進行無側限抗壓強度試驗。靜壓法成型與振動壓實法成型試件無側限抗壓強度試驗結果如表5所示。

表5 水泥穩(wěn)定碎石混合料7d無側限抗壓強度試驗結果

根據(jù)《意見》中關于水泥穩(wěn)定碎石基層靜壓法無側限抗壓強度代表值應不小于3.0 MPa，考慮到水泥穩(wěn)定碎石混合料現(xiàn)場施工存在一定程度的變異性，同時盡量限制水泥的用量以保證基層的抗裂能力，并結合施工經(jīng)驗，最佳水泥用量取3.5%。

4 纖維抗裂水穩(wěn)材料性能評價

4.1 無側限抗壓強度試驗

結合前述纖維抗裂水泥穩(wěn)定碎石配合比設計結果，成型試件并對其7 d無側限抗壓強度進行評價，結果如圖3所示。

由圖3可知，與普通水穩(wěn)材料相比，纖維抗裂水穩(wěn)材料無側限抗壓強度顯著提升，增加了14.3%，即聚丙烯腈纖維可以有效改善水穩(wěn)碎石基層強度。

4.2 干縮試驗

結合前述纖維抗裂水泥穩(wěn)定碎石配合比設計結果，成型試件并對其干縮性能進行評價，結果如圖4所示。

由4圖可知，與普通水穩(wěn)材料相比，所設計得到的纖維抗裂水穩(wěn)材料干縮性能顯著提升，7 d干縮系數(shù)降低了73%左右，即聚丙烯腈纖維可以有效改善水穩(wěn)碎石基層的溫縮性能。

4.3 溫縮試驗

溫縮試驗在高低溫交變環(huán)境箱中進行，溫度從60℃降到-15℃，溫度間隔為15℃，相鄰溫度間隔之間溫度降低時間為10 min，保持時間為2 h，降溫時間曲線如圖5所示。溫度變化由儀器溫控程序全自動控制，數(shù)據(jù)采集由應變儀自動采集，采集時間為溫度降低前10 min。試驗結果如表6所示。

表6 溫縮試驗結果

由表6可知，與普通水泥穩(wěn)定碎石相比，摻加0.07%聚丙烯腈纖維的水泥穩(wěn)定碎石平均溫縮系數(shù)降低了52%；同時，分析不同溫度區(qū)間的平均溫縮系數(shù)可以得到，摻加一定量的聚丙烯腈纖維后，水泥穩(wěn)定碎石在45～60℃溫度范圍內的平均溫縮系數(shù)最??；聚丙烯腈纖維可以有效改善水穩(wěn)碎石基層的溫縮性能。

5 結 論

（1）摻加纖維能夠提升水泥穩(wěn)定碎石的強度，三種纖維達到最大強度時的體積摻量分別為聚酯纖維0.07%，聚丙烯腈纖維0.07%，玻璃纖維0.15%，綜合成本考慮，單位摻量提升效果最顯著為聚丙烯腈纖維，7 d無側限抗壓強度提升了14.3%。

（2）一定量摻量的聚酯纖維、聚丙烯腈纖維可以有效降提升水穩(wěn)材料的干縮性能，最佳體積摻量分別為：聚酯纖維0.07%，聚丙烯腈纖維0.07%；相較于普通水穩(wěn)碎石，摻加0.07%聚丙烯腈纖維水穩(wěn)碎石混合料干縮系數(shù)降低了73%（7 d），表明聚丙烯腈纖維可以有效改善水穩(wěn)碎石基層的干縮性能；

（3）綜合考慮材料經(jīng)濟性，確定采用聚丙烯腈纖維作為改善水穩(wěn)碎石抗裂性能的纖維品種；通過水泥穩(wěn)定碎石室內配合比設計，得到水泥最佳劑量為3.5%，在此水泥用量下，建議聚丙烯腈纖維摻量為0.07%；

（4）與普通水穩(wěn)碎石相比，摻加0.07%聚丙烯腈纖維的水穩(wěn)碎石的溫縮系數(shù)降低了52%，表明聚丙烯腈纖維可以有效改善水穩(wěn)碎石基層的溫縮性能。