玄武巖纖維對(duì)水泥穩(wěn)定多孔玄武巖碎石力學(xué)性能的影響

吳啟一，姚華彥，扈惠敏，許澤寧，吳林松，鮑 犇

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009；2.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，合肥 230088)

0 引 言

多孔玄武巖是火山爆發(fā)后由火山玻璃、礦物與氣泡形成的多孔形石材，其具有質(zhì)地堅(jiān)硬，色澤暗淡，孔徑大小、孔形沒(méi)有規(guī)則，表面比較粗糙等特點(diǎn)[1-2]。由于石料表面及內(nèi)部孔隙較多，在制備各類(lèi)混合料時(shí)，相對(duì)于其他普通集料需要較多的細(xì)集料和水泥(或?yàn)r青)來(lái)裹覆和填充集料之間的孔隙和部分粗集料表面的開(kāi)口孔隙；同時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致拌和混合料時(shí)用水量具有不確定性[3-4]，其多孔的特性使得水泥穩(wěn)定多孔玄武巖力學(xué)性能降低，對(duì)水分和溫度更為敏感。面對(duì)車(chē)輛荷載和溫濕度的變化，水泥穩(wěn)定多孔玄武巖變形增大，基層更容易產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致路面損壞。目前，如何利用孔隙多和吸水率大的集料保證路面基層或面層的性能，工程界暫無(wú)統(tǒng)一的做法。針對(duì)一些石料匱乏地區(qū)，在道路施工中若能充分利用挖方石料作為路面基層，不僅可以節(jié)約工期和成本，還可以達(dá)到減少棄渣和保護(hù)環(huán)境的效果，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)環(huán)境效益。

水泥穩(wěn)定碎石基層具有強(qiáng)度高和整體性好等優(yōu)點(diǎn)，但是在道路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中車(chē)輛荷載、溫度變化和降雨等外界因素的長(zhǎng)期作用下，水泥穩(wěn)定碎石基層容易出現(xiàn)裂縫，從而引起反射裂縫，降低路面的使用性能[5-7]。為了解決水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫產(chǎn)生的問(wèn)題，學(xué)者運(yùn)用不同手段進(jìn)行了大量的研究。Sun等[8]在水泥穩(wěn)定碎石中摻加橡膠粉，試驗(yàn)結(jié)果表明摻入橡膠粉可以顯著提高水泥穩(wěn)定碎石的抗收縮能力，但是也會(huì)使其抗壓強(qiáng)度降低。盛燕萍等[9]研究了在不同養(yǎng)護(hù)條件下?lián)郊有滦驮鐝?qiáng)低收縮外加劑(ELA)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石性能的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻加ELA可以改善水泥穩(wěn)定碎石在低溫和變溫養(yǎng)護(hù)條件下的力學(xué)強(qiáng)度，并且可以降低基層的收縮開(kāi)裂程度。盛燕萍等[10]研究了摻入煤氣化渣對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層材料性能影響，試驗(yàn)表明摻加煤氣化渣對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的抗收縮能力有明顯的提高。李雪連等[11]在集料中加入地溝油拌和后再制備水泥穩(wěn)定碎石，結(jié)果表明地溝油的摻入會(huì)降低集料的力學(xué)強(qiáng)度，但在增加混合料的柔韌性能方面效果明顯。呂松濤等[12]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)橡膠顆?？梢院芎玫卦鰪?qiáng)水泥穩(wěn)定碎石的變形能力從而提高抗裂性能。Ma等[13]通過(guò)在水泥穩(wěn)定碎石中摻入聚丙烯纖維增強(qiáng)了其抗彎疲勞性能。不少學(xué)者[14-18]通過(guò)在水泥穩(wěn)定碎石中摻入聚乙烯醇(PVA)纖維提高了混合料的抗裂性能。程培峰等[19]通過(guò)在水泥穩(wěn)定碎石中摻入玄武巖纖維提高了水泥穩(wěn)定碎石在溫縮試驗(yàn)中的抗裂性能。Sheng等[20]在水泥穩(wěn)定碎石中加入水鎂石纖維和早強(qiáng)劑提高了材料的抗凍害能力。

本論文結(jié)合安徽省滁(州)-天(長(zhǎng))高速路建設(shè)的實(shí)際情況，以挖方段石料破碎得到的多孔玄武巖碎石替代普通碎石，制備水泥穩(wěn)定碎石混合料。對(duì)混合料進(jìn)行不同齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和彎拉試驗(yàn)研究，并摻入玄武巖短切纖維改善其力學(xué)性能。本研究可以為多孔玄武巖集料在高速公路基層中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

圖1 多孔玄武巖碎石Fig.1 Porous basalt macadam

1.1 原材料

試驗(yàn)所用多孔玄武巖碎石如圖1所示，按粒徑分為0～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm和19～31.5 mm五檔，其主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，表中“%”均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。與普通碎石相比[9]，多孔玄武巖碎石的表觀密度較低，但針片狀含量和軟石含量偏高，而且多孔玄武巖碎石的吸水率遠(yuǎn)高于普通碎石。水泥選用全椒海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其相關(guān)性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

表1 多孔玄武巖碎石的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of porous basalt macadam

續(xù)表

玄武巖短切纖維采用江蘇天龍公司生產(chǎn)的玄武巖纖維，纖維的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 玄武巖纖維的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of basalt fiber

1.2 配合比

對(duì)所用五檔粒徑的多孔玄武巖碎石進(jìn)行篩分試驗(yàn)，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，配制骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石材料。通過(guò)調(diào)整使得合成級(jí)配位于級(jí)配上限和級(jí)配下限之間，集料合成級(jí)配如表3所示。本試驗(yàn)采用外摻法摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%的水泥，依據(jù)《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)中T0804—1994節(jié)的丙法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。試驗(yàn)所得最大干密度為2.305 g·cm-3，其對(duì)應(yīng)的最佳含水量為7.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

表3 集料合成級(jí)配Table 3 Synthetic gradation of aggregate

表4 擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)Table 4 Parameters of compaction test

1.3 試件制備方法

首先按設(shè)計(jì)配合比稱量烘干后的集料，加入玄武巖纖維進(jìn)行干拌，如圖2所示。集料拌和均勻后，加入部分水拌和，并將所得混合料裝入塑料袋悶料2 h。然后加入水泥和剩余的水再次進(jìn)行拌和，如圖3所示。拌和均勻后采用靜壓成型的方法制備φ150 mm×150 mm圓柱形試件和100 mm×100 mm×400 mm中梁試件，最后將試件放入塑料袋中密封并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。在到達(dá)指定齡期的前一天，將試件放入水中浸泡24 h后進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 干拌后混合料Fig.2 Mixture after dry mixing

圖3 加水拌和后混合料Fig.3 Mixture after wet mixing

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維長(zhǎng)度及纖維摻量對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)將3種不同長(zhǎng)度(12 mm、18 mm和24 mm)的玄武巖纖維分別以試件總碎石質(zhì)量的0.05%、0.10%和0.15%摻入到水泥穩(wěn)定多孔玄武巖碎石中?；旌狭贤ㄟ^(guò)靜壓成型的方法制備φ150 mm×150 mm圓柱形試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)6 d之后，第7天將試件放入水中浸泡24 h后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，如圖4所示。圖5為不同纖維摻量、長(zhǎng)度對(duì)混合料劈裂強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 劈裂試驗(yàn)Fig.4 Splitting test

圖5 纖維摻量和長(zhǎng)度對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響Fig.5 Effects of fiber content and length on splitting strength

由圖5可以看出，混合料中摻加玄武巖纖維后，7 d 劈裂強(qiáng)度均有明顯的提升?？傮w趨勢(shì)表明，隨著纖維摻量增加,混合料的7 d劈裂強(qiáng)度先增大后減小。但對(duì)于不同長(zhǎng)度的纖維，對(duì)劈裂強(qiáng)度增強(qiáng)規(guī)律不一致。劈裂強(qiáng)度增強(qiáng)最大的是纖維摻量為0.10%、長(zhǎng)度為18 mm的一組，達(dá)到0.47 MPa，而未摻纖維混合料的劈裂強(qiáng)度為0.35 MPa，增幅達(dá)34.3%。長(zhǎng)度為12 mm和18 mm的玄武巖纖維相較24 mm的纖維對(duì)水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度的增強(qiáng)效果更好。長(zhǎng)度為12 mm的纖維的最佳摻量在0.10%～0.15%；長(zhǎng)度為18 mm的纖維的最佳摻量在0.05%～0.10%。相對(duì)而言，纖維長(zhǎng)度18 mm時(shí)增強(qiáng)效果優(yōu)于12 mm時(shí)，且用量更少。纖維的摻入可以在混合料中起到加筋作用，在材料受力過(guò)程中分擔(dān)部分應(yīng)力，從而抑制水泥穩(wěn)定碎石的開(kāi)裂，達(dá)到提高材料強(qiáng)度的效果[21]。但是纖維過(guò)長(zhǎng)和摻量過(guò)大，會(huì)使得混合料拌和難度增加，導(dǎo)致材料密實(shí)度降低從而影響材料強(qiáng)度。同時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石材料孔隙較多，較短的纖維會(huì)降低加筋橋接作用，使得纖維不能充分發(fā)揮對(duì)混合料強(qiáng)度的增強(qiáng)作用[22]。

綜合上述試驗(yàn)表明，長(zhǎng)度為18 mm的纖維對(duì)水泥穩(wěn)定多孔玄武巖碎石的抗裂性能增強(qiáng)效果最為顯著。因此，以下試驗(yàn)主要結(jié)合摻加18 mm玄武巖纖維的水泥穩(wěn)定碎石開(kāi)展。

2.2 纖維摻量對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

圖6 纖維摻量對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of fiber content on splitting strength

制備φ150 mm×150 mm圓柱形試件，纖維長(zhǎng)度僅考慮18 mm的情況，摻量分別為試件總碎石質(zhì)量的0.05%、0.10%和0.15%，開(kāi)展7 d、28 d、60 d和90 d不同齡期的劈裂試驗(yàn)。

圖6為纖維摻量對(duì)劈裂強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，纖維增強(qiáng)混合料劈裂強(qiáng)度的效果顯著，在齡期為7 d時(shí)，摻纖維組比不摻纖維組強(qiáng)度提高了11.4%～34.3%。劈裂強(qiáng)度最高點(diǎn)出現(xiàn)在齡期為90 d，纖維摻量為0.10%時(shí)，劈裂強(qiáng)度為1.03 MPa。在纖維摻量不大于0.10%的情況下，混合料的劈裂強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加而增加；當(dāng)纖維摻量達(dá)到0.15%時(shí)，混合料的劈裂強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這表明纖維摻量為0.10%時(shí)對(duì)混合料劈裂強(qiáng)度增強(qiáng)效果最好?；旌狭系呐褟?qiáng)度均隨著齡期的延長(zhǎng)而增加。在前28 d，混合料的劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，28 d后劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)速度變緩。這說(shuō)明隨著混合料水化反應(yīng)的進(jìn)行，混合料劈裂強(qiáng)度也隨之增加。

2.3 纖維摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

對(duì)纖維長(zhǎng)度為18 mm、摻量為試件總碎石質(zhì)量0.05%、0.10%、和0.15%的混合料開(kāi)展7 d、28 d、60 d和90 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試樣為φ150 mm×150 mm圓柱形試件，無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)如圖7所示。

圖8為纖維摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。摻加了玄武巖纖維的試樣7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)中高速公路、一級(jí)公路各交通等級(jí)對(duì)水泥穩(wěn)定類(lèi)基層的強(qiáng)度要求。在養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，隨著纖維摻量的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小。其中纖維摻量為0.10%時(shí)，混合料強(qiáng)度增強(qiáng)效果最佳。在齡期為7 d時(shí)，摻纖維組比不摻纖維組強(qiáng)度提高了0.7%～5.4%，其中纖維摻量為0.10%時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到了5.67 MPa，比沒(méi)有摻纖維試樣僅提高了5.4%；在齡期為90 d時(shí)，纖維摻量為0.10%時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)到了8.32 MPa。在纖維摻量相同條件下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增加：在前28 d混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較快，28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比7 d時(shí)增長(zhǎng)了17%～27%；在28 d后混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率緩慢，養(yǎng)護(hù)90 d試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比60 d時(shí)僅增長(zhǎng)了3%～5%。

圖7 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)Fig.7 Unconfined compression test

圖8 纖維摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of fiber content on unconfined compressive strength

2.4 纖維摻量對(duì)彎拉強(qiáng)度的影響

將混合料通過(guò)靜壓成型的方法制備100 mm×100 mm×400 mm中梁試件，采用三分點(diǎn)加載的方法對(duì)纖維長(zhǎng)度為18 mm、摻量為試件總碎石質(zhì)量0.05%、0.10%、和0.15%的混合料進(jìn)行齡期為7 d、28 d、60 d和90 d的彎拉試驗(yàn)，如圖9所示。

圖10為纖維摻量對(duì)彎拉強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。摻加玄武巖纖維的試樣彎拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)中對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度要求，纖維對(duì)混合料的彎拉強(qiáng)度有明顯的提升?？梢钥闯觯谙嗤g期的條件下，纖維可以增強(qiáng)混合料的彎拉強(qiáng)度。在齡期為7 d時(shí)，摻纖維組比沒(méi)有摻纖維組強(qiáng)度提高了6.9%～20.4%；當(dāng)齡期達(dá)到28 d時(shí)，纖維摻量為0.10%時(shí)的彎拉強(qiáng)度比沒(méi)有摻纖維時(shí)提高了37.9%，強(qiáng)度增強(qiáng)效果顯著。在纖維摻量不超過(guò)0.10%時(shí)，彎拉強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加而提高，當(dāng)摻量達(dá)到0.15%時(shí)，彎拉強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。彎拉強(qiáng)度最高點(diǎn)出現(xiàn)在齡期為90 d，纖維摻量為0.10%時(shí)，彎拉強(qiáng)度為3.72 MPa，纖維摻量為0.15%時(shí)彎拉強(qiáng)度次之。在前90 d混合料的彎拉強(qiáng)度隨著齡期的增加而不斷提高，且彎拉強(qiáng)度呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。在7 d齡期時(shí)，纖維摻量為0.10%組的彎拉強(qiáng)度比沒(méi)有摻纖維組提高了20.4%；在90 d齡期時(shí)，彎拉強(qiáng)度提高了31.2%；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，纖維對(duì)混合料彎拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果不斷增強(qiáng)，玄武巖纖維的摻入對(duì)混合料的彎拉強(qiáng)度具有顯著的增強(qiáng)效果。

圖9 彎拉試驗(yàn)Fig.9 Flexural-tensile test

圖10 纖維摻量對(duì)彎拉強(qiáng)度的影響Fig.10 Effect of fiber content on flexural-tensile strength

3 結(jié) 論

(1)玄武巖短切纖維對(duì)水泥穩(wěn)定多孔玄武巖碎石的劈裂強(qiáng)度具有顯著的改善效果。齡期為7 d的混合料劈裂試驗(yàn)表明，長(zhǎng)度為18 mm的纖維對(duì)混合料劈裂強(qiáng)度的增強(qiáng)效果優(yōu)于長(zhǎng)度為12 mm、24 mm的纖維。

(2)纖維摻量和齡期對(duì)水泥穩(wěn)定多孔玄武巖碎石的劈裂強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度均有影響，且在摻入纖維長(zhǎng)度為18 mm、摻量為0.10%時(shí)各項(xiàng)力學(xué)性能的增強(qiáng)效果最好。在7 d齡期時(shí)，添加最佳纖維長(zhǎng)度和纖維摻量的水泥穩(wěn)定多孔玄武巖碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度比未摻纖維時(shí)分別提高了5.4%、34.3%和20.4%。

(3)隨著齡期的增長(zhǎng)，水泥穩(wěn)定多孔玄武巖碎石力學(xué)性能不斷提升；一般在28 d以前，混合料力學(xué)性能增長(zhǎng)較快，28 d以后則增長(zhǎng)緩慢。

(4)不同纖維摻量的水泥穩(wěn)定多孔玄武巖碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于5 MPa，滿足規(guī)程上的強(qiáng)度要求；摻加纖維對(duì)混合料的抗拉強(qiáng)度也均有顯著增強(qiáng)效果。這表明摻玄武巖纖維的水泥穩(wěn)定多孔玄武巖碎石可用于高等級(jí)道路基層。