聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石的疲勞性能研究

熊延華，屈會朋，陽應(yīng)榮，汪曉洪

(1.貴州省公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，貴陽 550000；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112)

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石材料作為半剛性基層廣泛應(yīng)用于我國各等級道路工程中，具有強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)、水穩(wěn)定性好、承載力大的優(yōu)勢。水泥穩(wěn)定碎石材料的應(yīng)用，有效改善了道路結(jié)構(gòu)層的受力狀況，使得我國瀝青路面結(jié)構(gòu)中的瀝青層厚度較歐美地區(qū)道路大幅降低[1-2]，節(jié)約了大量的建設(shè)資金。然而，較低的水泥劑量導(dǎo)致其抗拉性能和變形能力較差，交通荷載和環(huán)境因素耦合作用下導(dǎo)致的疲勞開裂成為半剛性基層的主要病害[3]。半剛性基層的疲勞開裂不僅造成其自身承載能力下降，同時(shí)，隨著裂縫逐漸發(fā)展，會導(dǎo)致瀝青面層產(chǎn)生反射裂縫，使路面水進(jìn)入道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部，造成面層與基層材料的水損害。半剛性基層開裂導(dǎo)致的路面病害一直是困擾我國高速公路建養(yǎng)的重要問題之一。

近年來，纖維、鋼渣、風(fēng)積沙、橡膠顆粒等大量外摻材料被引入水泥穩(wěn)定碎石材料中，以期獲得力學(xué)性能、收縮性能和疲勞性能的提升[4-6]。同時(shí)，為了解決我國砂石資源日益短缺的資源問題和建筑垃圾造成的環(huán)境難題，相關(guān)學(xué)者對建筑垃圾在水泥穩(wěn)定碎石材料中的應(yīng)用開展了大量的研究[4,7-8],為克服材料自身缺點(diǎn)、減少半剛性基層病害、延長道路使用壽命提供了切實(shí)可行的理論支持。半剛性基層疲勞性能欠佳引起的自身開裂及反射裂縫，是水泥穩(wěn)定碎石材料在應(yīng)用中亟待解決的問題。纖維增強(qiáng)技術(shù)是指在水穩(wěn)材料中添加聚丙烯纖維、玄武巖纖維或聚酯纖維等，一方面，纖維的加入起到加筋作用，提高材料的力學(xué)強(qiáng)度[9-10]，另一方面，纖維的加入對水化過程中的失水機(jī)理產(chǎn)生影響，能夠改善材料的干縮效應(yīng)[11-13]。

Zhang等[14]研究了聚丙烯纖維對水穩(wěn)碎石力學(xué)性能和收縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)纖維的加入可以提高材料的強(qiáng)度，降低抗折彈性模量且能有效降低水泥穩(wěn)定碎石的平均干縮系數(shù)和平均溫縮系數(shù)。Zhao等[12]通過室內(nèi)抗壓試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)研究了聚乙烯醇(polyvinyl alcohol， PVA)纖維長度和摻量對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明不同長度的纖維均能提高抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，試驗(yàn)中所用水泥穩(wěn)定碎石材料的PVA纖維長度為12～24 mm,摻量為0.6～0.9 kg/m3。中國礦業(yè)大學(xué)的劉志軍等[15-16]通過收縮和力學(xué)試驗(yàn)探究了摻加聚酯纖維水泥穩(wěn)定碎石的失水率、收縮系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、破裂強(qiáng)度和壓縮回彈模量隨材料齡期及纖維摻量的變化規(guī)律，根據(jù)失水率確定的最佳纖維摻量為0.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，其他性能方面均優(yōu)于不摻纖維的水泥穩(wěn)定碎石材料，另外將纖維對水泥穩(wěn)定碎石失水的影響分為兩個(gè)方面“失水表面效應(yīng)”和“失水孔洞效應(yīng)”，分別會加大或減小其干縮。Ma等[17-18]通過凍融試驗(yàn)和疲勞彎曲探究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的摻入提高了凍融抗壓強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度，并大大降低了質(zhì)量損失率，且在同等應(yīng)力水平下的疲勞壽命較普通水穩(wěn)碎石提高1.0～4.2倍。Yuan等[19]研究了PVA纖維分散度對水泥穩(wěn)定碎石路用性能的影響，并對纖維分散度進(jìn)行表征。Zhao等[13]研究了PVA纖維增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂和力學(xué)性能，并利用抗裂指數(shù)對其抗裂性能進(jìn)行評價(jià)。

PVA纖維具有強(qiáng)度高和模量高的特點(diǎn)，將其用于改善水泥穩(wěn)定碎石材料性能，可以提高其抗折強(qiáng)度和抗裂性能，延長半剛性基層的使用壽命。根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的總結(jié)，目前有關(guān)水泥穩(wěn)定碎石纖維增強(qiáng)技術(shù)的研究主要集中在分散性、力學(xué)性能、收縮性能和路用性能上，對疲勞性能的研究尚不多見。本文基于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定PVA纖維的最佳長度和摻量，基于劈裂試驗(yàn)開展PVA纖維對水泥穩(wěn)定碎石疲勞性能的研究，為PVA纖維在水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

選用的PVA纖維為銀白色，直徑約為5 mm。其技術(shù)指標(biāo)見表1。選用強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果如表2所示，均符合規(guī)范[20]要求。

表1 聚乙烯醇纖維技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of polyvinyl alcohol fiber

表2 普通硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)Tbale 2 Technical index of ordinary portland cement

1.2 級 配

采用集料為陜西料場生產(chǎn)的石灰?guī)r集料，經(jīng)檢測其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求。采用規(guī)范推薦的骨架密實(shí)級配范圍中值，具體級配見表3。

表3 水泥穩(wěn)定碎石材料級配Table 3 Gradation of cement stabilized crushed stone materials

1.3 試驗(yàn)方法

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)均采用MTS810型萬能試驗(yàn)機(jī)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《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)[21]，通過7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律確定纖維最佳摻量和長度。試驗(yàn)所用水泥用量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，纖維摻量分別為0%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，纖維長度分別為12 mm、18 mm、24 mm、30 mm。

在疲勞試驗(yàn)中，加載方式選擇與實(shí)際工況較為吻合且具有良好重現(xiàn)性的應(yīng)力控制模式。試驗(yàn)溫度為15 ℃，荷載作用頻率選擇10 Hz，荷載加載波形為半正矢正弦波形，循環(huán)特征值為0.1，即循環(huán)應(yīng)力最小值與最大值的比值。選擇應(yīng)力水平0.70、0.75、0.80、0.85進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)力比定義為循環(huán)應(yīng)力最大值與極限劈裂強(qiáng)度的比值。根據(jù)《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)對無纖維普通水泥穩(wěn)定碎石和PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石在3%和4%的水泥用量下進(jìn)行室內(nèi)劈裂疲勞試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)齡期為90 d，纖維長度和摻量分別為24 mm和0.06%。

2 結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對不同纖維長度和摻量的水泥穩(wěn)定碎石材料進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 纖維長度、摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度三維擬合圖Fig.1 Three dimensional fitting diagram of fiber length,content and unconfined compressive strength

從纖維摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度兩個(gè)維度的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維長度固定不變時(shí)，隨著纖維摻量的增加水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸升高，達(dá)到最大值后出現(xiàn)下降，纖維摻量存在最佳值；類似地，從纖維長度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度兩個(gè)維度的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維摻量不變時(shí)，PVA纖維水穩(wěn)碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度同樣是先升高后降低，且存在峰值，各摻量的峰值均出現(xiàn)在纖維長度24 mm附近。從纖維長度、摻量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的三維關(guān)系來看，曲面呈現(xiàn)四周低中間高的單峰形狀，PVA纖維的最佳長度和摻量分別是24 mm和0.06%，在最佳長度和摻量下，PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較不摻加纖維的普通水泥穩(wěn)定碎石提高24%。

水泥穩(wěn)定碎石基層材料是由骨料、水化產(chǎn)物、孔隙組成的一種多相材料，其強(qiáng)度來源主要是水泥水化產(chǎn)物的粘聚力和集料之間的嵌擠力。將強(qiáng)度高、韌性好的PVA纖維摻入水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料，分散的纖維在水化產(chǎn)物中起到加筋作用，當(dāng)材料受拉時(shí)，鑲嵌在各個(gè)位置和方向的PVA纖維產(chǎn)生與破壞方向相反的阻力，從而提高材料的抗裂性能。PVA纖維長度的增加導(dǎo)致其與水穩(wěn)材料的接觸面積增大，進(jìn)而提高了單根纖維與水泥穩(wěn)定材料的摩擦力，使其更加牢固地鑲嵌在半剛性材料中，因此在一定范圍內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維長度的增加有所提高。另外，在纖維長度一定的條件下增加纖維摻量，意味著單位體積內(nèi)纖維數(shù)量增加，這時(shí)分擔(dān)在每一束纖維上的應(yīng)力下降，從整體來看，水泥穩(wěn)定碎石材料的力學(xué)性能得到增強(qiáng)。但PVA纖維過多或長度過長時(shí)，會導(dǎo)致其在水泥穩(wěn)定碎石中的分散性變差，纏繞在一起出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，阻滯了纖維的加筋作用。

根據(jù)圖1所示的試驗(yàn)結(jié)果，PVA纖維對水泥穩(wěn)定碎石性能改善存在極值，纖維最佳摻量為0.06%，最佳長度為24 mm。

2.2 劈裂試驗(yàn)

對兩種水泥穩(wěn)定碎石材料進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，結(jié)果見表4。由表4可知，水泥用量的增加和纖維摻量的增加均可提高水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度，且相比不摻纖維的普通水泥穩(wěn)定碎石，最佳摻量和長度下的PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度增長約26%?？梢姡琍VA纖維的摻加對水泥穩(wěn)定碎石材料抗拉性能具有較好的改善效果。這是因?yàn)镻VA纖維均勻分散在膠凝材料中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在材料產(chǎn)生受到劈裂作用有開裂傾向或產(chǎn)生微裂縫時(shí)，PVA纖維承擔(dān)一部分拉力阻止材料繼續(xù)開裂,起到了加筋作用。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在摻加PVA纖維條件下，水泥用量的增加對材料劈裂性能的提升更加明顯。究其原因，水泥用量的增加使水穩(wěn)碎石中的膠凝材料占比增大，PVA纖維更牢固地鑲嵌其中，減少了纖維由于摩擦力不足發(fā)生相對滑移的現(xiàn)象，因此水泥用量的增加和纖維作用的發(fā)揮具有協(xié)同增強(qiáng)效果。

表4 劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Splitting test results

2.3 疲勞試驗(yàn)及基于威布爾分布的結(jié)果分析

對普通水泥穩(wěn)定碎石和最佳PVA纖維長度、摻量下的水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Fatigue test results

從表5可以看出，疲勞壽命(N)隨應(yīng)力水平(S)的變化呈相同的趨勢，隨應(yīng)力水平增大，疲勞壽命逐漸降低。并且，疲勞壽命與應(yīng)力水平之間離散性較大，因此，疲勞數(shù)據(jù)難以分析。研究表明，Weibull分布可以有效地對混合料疲勞壽命進(jìn)行分析。因此本文采用Weibull分布中的兩參數(shù)方程對疲勞壽命與應(yīng)力水平關(guān)系進(jìn)行分析，失效概率(P)必須滿足疲勞方程,如式(1)所示。

(1)

通過對數(shù)變換將式(1)轉(zhuǎn)換為式(2)。

(2)

將表5中疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式(2)，得到m0、lnt和R2，如表6所示。將表6中回歸系數(shù)的值代入式(2)，得到不同應(yīng)力水平下試樣的等效疲勞壽命，如表7所示。

表6 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Weibull分布檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of Weibull distribution of fatigue test data

表7 不同應(yīng)力水平下試樣的等效疲勞壽命Table 7 Equivalent fatigue life of samples under different stress levels

建立疲勞方程,水穩(wěn)碎石疲勞壽命與應(yīng)力水平呈線性關(guān)系，如式(3)所示。

lgN=a-blgS

(3)

疲勞方程中系數(shù)a和b分別為直線的截距和斜率。系數(shù)a為疲勞曲線的截距，疲勞壽命N隨著a值增大而增加，即a值越大，混合料疲勞性能越好；系數(shù)b反映疲勞壽命受應(yīng)力水平變化影響的敏感性，即b值越小，疲勞性能越好。疲勞方程參數(shù)和相關(guān)系數(shù)見表8。

表8 不同失效概率下疲勞方程參數(shù)及相關(guān)系數(shù)Table 8 Fatigue equation parameters and correlation coefficients under different failure probabilities

根據(jù)表8中所列的回歸系數(shù)，在水泥用量為4%的情況下，建立了5%和50%失效概率下的疲勞方程，如式(4)～(7)所示。

PT-5：

lgN=-10.703 lgS+1.415 6

(4)

PT-50：

lgN=-10.102 lgS+1.745 4

(5)

PVA-5：

lgN=-9.279 3 lgS+2.535 1

(6)

PVA-50：

lgN=-9.168 1 lgS+2.689 9

(7)

圖2顯示了根據(jù)式(4)～(7)得到的普通水泥穩(wěn)定碎石和PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石在5%和50%失效概率下的疲勞曲線。疲勞方程中回歸系數(shù)a越大，回歸系數(shù)b越小，水泥穩(wěn)定碎石在應(yīng)力作用下的疲勞性能越好。

從表8和圖2可以看出，在不同的失效概率下，lgS和lgN呈線性趨勢，相關(guān)系數(shù)R2>0.9。在失效概率下，PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石回歸系數(shù)a較大，回歸系數(shù)b較小，在水泥用量為4%時(shí)，摻PVA纖維與不摻纖維水泥穩(wěn)定碎石斜率b之比為0.94～0.99，截距a之比為1.06～1.23，結(jié)果證明了PVA纖維可以較為顯著地提高水穩(wěn)碎石的疲勞壽命。

圖2 試樣的疲勞曲線Fig.2 Fatigue curves of samples

PVA纖維在混合料中會分散開，使得水泥穩(wěn)定碎石材料在外部壓力作用下產(chǎn)生橫向膨脹約束,從而使水泥碎石材料破壞過程延遲,在一定程度上緩解了外部壓力的不利影響。PVA纖維能夠增強(qiáng)水穩(wěn)碎石材料界面的薄弱層,提升材料的抗變形能力。當(dāng)水穩(wěn)碎石基層在橫向受到拉應(yīng)力時(shí)，纖維在混合料中起到了加筋阻滯作用，降低了裂縫的擴(kuò)展速率，當(dāng)應(yīng)力消失時(shí)，纖維自身良好的彈性特性使得其能恢復(fù)變形。因此，PVA纖維可以很好地改善水穩(wěn)碎石的疲勞性能。

從表8還可以看出，疲勞方程參數(shù)a、b受水泥因子影響明顯，水泥用量增加，a增大，b減小，此時(shí)試件的抗疲勞性能更優(yōu)越。水泥用量的提高可以一定程度上增加水泥石的膠結(jié)性,從而使水泥石和集料表面之間的粘結(jié)性進(jìn)一步加強(qiáng),間接提升了水穩(wěn)碎石的強(qiáng)度，并增強(qiáng)其抗變形能力。水泥用量的變化對PVA水泥穩(wěn)定碎石的疲勞性能影響較為靈敏和顯著。

3 結(jié) 論

(1)PVA纖維對水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度有明顯的改善效果，但纖維摻量和長度有一定的范圍限制，當(dāng)水泥用量為4%時(shí)，PVA纖維最佳摻量為0.06%，最佳長度應(yīng)不超過24 mm。

(2)與普通水泥穩(wěn)定碎石相比，在PVA纖維最佳摻量和長度下，PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高約24%，劈裂強(qiáng)度提高約26%。

(3)在不同失效概率下，摻PVA纖維的水泥穩(wěn)定碎石疲勞性能優(yōu)于普通水泥穩(wěn)定碎石，體現(xiàn)在水泥用量為4%時(shí)，PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石與普通水泥穩(wěn)定碎石的疲勞方程斜率b之比為0.94～0.99，截距a之比為1.06～1.23，表明PVA纖維可以顯著提高水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命。