玄武巖纖維對(duì)水泥碎石銑刨料的路用性能影響研究

常江峰

（新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

對(duì)舊水泥穩(wěn)定碎石銑刨料回收再用于路面建設(shè)，既能夠解決廢棄材料處理難的問(wèn)題，又能減少天然砂石原材料的消耗，還能節(jié)約道路建設(shè)成本。但銑刨料回收利用循環(huán)次數(shù)過(guò)多就有可能導(dǎo)致其水泥穩(wěn)定料用于路面建設(shè)時(shí)出現(xiàn)干縮開裂，凍融循環(huán)壽命低的現(xiàn)象。因此提升水泥穩(wěn)定銑刨料路用性能，合理將銑刨料用于公路建設(shè)是目前比較重要的一門研究課題。針對(duì)水泥穩(wěn)定銑刨料路用性能提升問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行了一系列研究，如付魯鑫等人嘗試提前將銑刨料進(jìn)行酸處理，以增加其性能，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)證實(shí)了當(dāng)水泥劑量為3%~7%時(shí)，采用酸處理銑刨料所制備的水泥穩(wěn)定再生集料，其抗壓強(qiáng)度，劈裂強(qiáng)度均能滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路基層強(qiáng)度要求，可以用作二級(jí)及二級(jí)以下公路基層集料；田源則從銑刨料摻量出發(fā)，證實(shí)水泥穩(wěn)定再生料混合物路用性能與銑刨料摻量有很大關(guān)系，合理選擇銑刨料摻量能夠增加水泥再生料使用壽命。以上專家的研究在一定程度上提升了銑刨再生料的路用性能，但并未解決銑刨料干縮開裂，抗凍融壽命短的問(wèn)題?；诖耍疚膰L試以玄武巖纖維為主要原料，對(duì)銑刨料的路用性能進(jìn)行優(yōu)化，為銑刨料道路建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)所用主要材料為：水泥（河南昊耐建材有限公司，P.O42.5）；玄武巖纖維（山東浩森新材料有限公司，長(zhǎng)度18 mm）；銑刨料（福州八方道路工程有限公司，規(guī)范）；普通砂（靈壽縣盛飛礦產(chǎn)品加工廠，一級(jí)）。

本試驗(yàn)所用主要設(shè)備為：萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南川佰儀器設(shè)備有限公司，WEW）；混凝土收縮儀（滄州億軒試驗(yàn)儀器有限公司，HSP-355）；鼓風(fēng)干燥箱（河北朵麥信息科技有限公司，101-2A）；快速凍融試驗(yàn)箱（獻(xiàn)縣天健儀器有限公司，TDR-1）。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)Tab.1 Design of test match ratio

其中銑刨料摻量為銑刨細(xì)集料與天然粗集料摻配方式。FCRA代表玄武巖纖維水泥穩(wěn)定銑刨料；CRA代表水泥穩(wěn)定銑刨料（無(wú)纖維）；CNA代表普通水泥穩(wěn)定碎石（無(wú)纖維、無(wú)銑刨料）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）按照配合比計(jì)算每種原材料的質(zhì)量，然后進(jìn)行稱重；

（2）采取人工拌和的方式， 提前將粗集料和細(xì)集料混合均勻，干拌30 s后加入玄武巖纖維，繼續(xù)攪拌2 min；

（3）在拌合物中加入水泥，繼續(xù)干拌1 min，待拌合物攪拌均勻后，加入全部用水量，繼續(xù)攪拌1 min，裝入模具。攪拌流程如圖1所示。

圖1 水泥試件攪拌流程圖Fig.1 Flow chart of cement sample mixing

（1）靜壓法圓柱形試件制備。

提前在模具內(nèi)側(cè)和墊片周圍涂抹少量的液壓油，將厚度為2 cm的墊片放入模具兩邊筒壁，分3次倒入攪拌均勻的拌合物。倒入一層后用搗棒由內(nèi)而外搗實(shí)，然后用WEW型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行靜壓，加載速率為1 mm/min。待兩個(gè)墊片完全壓入石墨套筒后，穩(wěn)定2 min后將試件從萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)取下。將試件移至干燥通風(fēng)處放置5 h以上。將脫模試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至指定齡期， 養(yǎng)護(hù)溫度和相對(duì)濕度分別為20℃和98%。在養(yǎng)護(hù)齡期最后一天進(jìn)行浸水養(yǎng)護(hù)，浸水溫度為20℃，在浸水時(shí)要注意保證水面高于試件2.5 cm左右。

（2）振動(dòng)擊實(shí)成型梁形試件制備。

提前在模具內(nèi)涂刷一層液壓油，并鋪墊一層塑料薄膜。分5次將混合物料進(jìn)行填料，每次填料都需要震實(shí)后再次填料擊實(shí)。試件成型后，干燥通風(fēng)處放置6 h以上，試件養(yǎng)護(hù)與圓形試件養(yǎng)護(hù)一致。

1.4 性能測(cè)定

參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)方法對(duì)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。具體步驟為：

（1）以靜壓法制備壓實(shí)度為98%，尺寸為φ150 mm×150 mm的圓柱形試件每組13個(gè)。按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)至指定齡期；

（2）將WEW型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)設(shè)置為位移控制，控制速度為1 mm/min、目標(biāo)值為300 kN；

（3）將試件放在WEW型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上壓片與試件接觸。設(shè)置萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)為位移控制，調(diào)整試件位置后打開萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，開始對(duì)試件施加荷載，速度和目標(biāo)值為1 mm/min，300 kN。待試件破壞后，停止施加荷載，記錄試件承受的最大荷載；

（4）抗壓強(qiáng)度代表值以95%保證率進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算方式為：

式中：表示試件破壞時(shí)最大荷載；表示試件截面積，這里取17 662.5 mm；R表示試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；R表示一組平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；C表示變異系數(shù)；表示一組試件的標(biāo)準(zhǔn)差；R表示95%保證率的抗壓強(qiáng)度代表值。

參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)定試件干縮性能。具體步驟為：

（1）以振動(dòng)擊實(shí)成型的方法制備尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的梁形試件，每組6個(gè)。按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)至指定齡期；

（2）擦拭試件，并稱重。然后放在混凝土收縮儀上，并將千分表固定在試件上；

（3）將試件和收縮儀置于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室內(nèi)，室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度分別20℃和65%。7 d前每天記錄千分表讀數(shù)和試件質(zhì)量變化。7~30 d，隔兩天記錄千分表讀數(shù)和試件質(zhì)量變化；后期每10 d記錄一次讀數(shù)和質(zhì)量變化；

（4）干縮觀測(cè)結(jié)束后，將試件置于101-2A型鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干至恒重。

干縮性能表達(dá)式為：

式中：w表示第次失水率；表示第i次干縮應(yīng)變；m表示第次標(biāo)準(zhǔn)試件稱重質(zhì)量；表示第次觀測(cè)干縮量；ɑ表示第i次干縮系數(shù)；l表示標(biāo)準(zhǔn)試件長(zhǎng)度；X 表示第次測(cè)試第個(gè)千分表讀數(shù)；m表示標(biāo)準(zhǔn)試件烘干后質(zhì)量。

參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中凍融試驗(yàn)方法進(jìn)行凍融試驗(yàn)。具體步驟為：

（1）以靜壓法制備φ150 mm×150 mm，壓實(shí)度98%，圓柱形試件。按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)至指定齡期；

（2）將需要凍融的試件置于TDR-1型快速凍融試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行低溫凍結(jié)，凍結(jié)溫度和時(shí)間分別為-18℃和16 h。在放置試件時(shí)，試件間間隙為20 mm；

（3）將凍融試件取出后立刻放入水中，水面離與試件頂距離為20 mm，融化時(shí)間為8 h，所有步驟結(jié)束后為一個(gè)循環(huán)，同樣方式循環(huán)5次，完成試驗(yàn)；

（4）測(cè)定不凍融試件的飽水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度?？箖鲋笜?biāo)表達(dá)式為：

式中，表示凍融循環(huán)后，試件抗壓強(qiáng)度損失；R表示不動(dòng)容試件飽水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；R表示5次凍融循環(huán)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖2為不同齡期試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知，3種混合料試件抗壓強(qiáng)度均隨齡期的增加而增加。養(yǎng)護(hù)早期（28 d前），所有混合料試件抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快，且隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，增長(zhǎng)速率變緩。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為60 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)最終強(qiáng)度的95%。這是因?yàn)樵陴B(yǎng)護(hù)早期，混凝土內(nèi)部發(fā)生劇烈水化反應(yīng)，生成硅酸鈣膠凝材料，得到纖維板塊晶體，使得混合料變成整體，使得抗壓強(qiáng)度增加。養(yǎng)護(hù)齡期超過(guò)28 d后，水泥水化反應(yīng)減弱，因此抗壓強(qiáng)度逐漸趨于平緩。

圖2 不同齡期混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.2 Unconfined compressive strength of mixture at different ages

分別對(duì)比3種混合料強(qiáng)度變化可知，F(xiàn)CRA比CRA各齡期抗壓強(qiáng)度均有所增強(qiáng)，但增強(qiáng)效果不是很明顯，且隨齡期的變化，兩者變化趨勢(shì)一致。在養(yǎng)護(hù)齡期60 d前，F(xiàn)CRA和CRA的抗壓強(qiáng)度均明顯高于CNA，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到60 d時(shí)，雖然FCRA和CRA抗壓強(qiáng)度仍舊高于CNA，但3個(gè)混合料抗壓強(qiáng)度值接近，且變化逐漸趨于一致。這就說(shuō)明銑刨料對(duì)混合物早期抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)作用較為明顯，纖維對(duì)混合物抗壓強(qiáng)度有一定增強(qiáng)作用，但增強(qiáng)效果不大。

2.2 干縮試驗(yàn)結(jié)果

圖3、圖4分別表示混合料失水率和干縮系數(shù)隨齡期變化情況。

圖3 失水率變化Fig.3 Change of water loss rate

圖4 干縮系數(shù)變化Fig.4 Variation of drying shrinkage coefficien

結(jié)合圖3、圖4可知，混合料失水率和干縮系數(shù)隨齡期的增加，變化趨勢(shì)幾乎一致。以28 d為明顯分界線，在28 d前，增長(zhǎng)幅度較高，28 d后，基本趨于平緩。這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)齡期28 d前，混合料強(qiáng)度未固定，同時(shí)受內(nèi)外環(huán)境影響，因此失水率和干縮系數(shù)變化較為明顯；養(yǎng)護(hù)齡期28 d后，混合料強(qiáng)度幾乎已經(jīng)固定，內(nèi)部自由水基本消失，對(duì)干縮變形有一定約束，因此失水率和干縮系數(shù)逐漸趨于平緩。

對(duì)比3種混合料失水率和干縮系數(shù)變化可知，CRA和CNA 90 d干縮系數(shù)分別為（128.65×10）%和（110.4×10）%；CRA混合料干縮系數(shù)比CNA混合料干縮系數(shù)高16%左右，證明銑刨料對(duì)混合料干縮性能有一定影響，可能引起混合料干縮開裂。而FCRA 90 d干縮系數(shù)為（115.68×10）%，比CRA 90 d干縮系數(shù)降低12%左右，證實(shí)摻入纖維后，能夠改善銑刨料帶來(lái)的干縮開裂的問(wèn)題，使得混合料的干縮系數(shù)與普通水泥穩(wěn)定碎石接近。

2.3 凍融試驗(yàn)結(jié)果

圖5為的3種混合料凍融循環(huán)前后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化。

圖5 凍融循環(huán)結(jié)果Fig.5 Results of freeze-thaw cycle

由圖5可知，經(jīng)凍融循環(huán)后，3種混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都有所下降。這是因?yàn)樵趦鋈谘h(huán)過(guò)程中，在混合料內(nèi)部空隙中有大量自由水滯留，在凍融結(jié)冰時(shí)，混合料內(nèi)部自由水產(chǎn)生較大體積膨脹，出現(xiàn)擠壓應(yīng)力，對(duì)混合料整體結(jié)構(gòu)與內(nèi)部連接作用力產(chǎn)生一定破壞。5次循環(huán)后，對(duì)試件強(qiáng)度造成一定損失。

分別對(duì)比3種混合料凍融強(qiáng)度損失，CNA抗壓強(qiáng)度損失為13.72%；CRA抗壓強(qiáng)度損失為25.06%。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因?yàn)椋恒娕倭媳忍烊患峡障堵瘦^高且吸水率相對(duì)較大，因此在凍融循環(huán)過(guò)程中，水結(jié)冰產(chǎn)生膨脹應(yīng)力較大，更容易破壞混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使銑刨混合料抗凍融性能較弱。而摻加纖維后，F(xiàn)CRA混合料的抗壓強(qiáng)度損失僅為10.32%。這是因?yàn)槔w維能夠填充水泥和集料間的孔隙，進(jìn)而減少混合料內(nèi)部孔隙水的含量，使得內(nèi)部水結(jié)冰形成的應(yīng)力有所降低；另外，加入纖維后，纖維與集料間嵌擠和摩擦作用對(duì)膠體整體性和穩(wěn)定性都有增強(qiáng)作用，進(jìn)而增強(qiáng)了混合料的抗凍性能，彌補(bǔ)了銑刨料對(duì)抗凍融性能的不良影響。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以摻加玄武巖纖維的方式對(duì)銑刨料水泥穩(wěn)定路用性能進(jìn)行優(yōu)化。并考察了對(duì)其性能的影響因素。具體結(jié)論如下：

（1）隨齡期的增加，3種混合料試件抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，滿足半剛性基層材料的特點(diǎn)。早期刨銑料試件抗壓強(qiáng)度明顯高于天然集料試件，后期強(qiáng)度趨于一致，證實(shí)銑刨料對(duì)混合物早期抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)作用較為明顯；

（2）銑刨料試件90 d干縮系數(shù)為（128.4×10）%，比天然集料試件干縮系數(shù)高約16%，可能造成干縮開裂現(xiàn)象。摻入纖維后，干縮系數(shù)降至（115.68×10）%。說(shuō)明纖維能夠有效改善銑刨料干縮開裂現(xiàn)象；

（3）銑刨料試件抗凍融試驗(yàn)后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率高達(dá)25.06%；摻入玄武巖纖維后，強(qiáng)度損失降低至10.32%。不僅彌補(bǔ)了銑刨料對(duì)試件抗凍融性能的影響，還進(jìn)一步增強(qiáng)了水泥穩(wěn)定混合料的抗凍性能。

綜上所述，在水泥穩(wěn)定銑刨混合料中摻加一定質(zhì)量的玄武巖纖維，能夠有效提升混合料路用性能。增強(qiáng)其抗凍性能，改善其干縮開裂現(xiàn)象。