聚丙烯纖維對(duì)多孔水泥穩(wěn)定碎石路用性能的影響

段志勇 周義生 劉東杰 彭凱 吳燾 謝禮群

（江西省交通供應(yīng)鏈有限公司，江西 南昌 330000）

多孔水泥穩(wěn)定碎石基層是消除路面雨水滲漏的解決方案之一[1，2]。多孔水泥穩(wěn)定碎石作為一種透水材料，具有“儲(chǔ)滲”功能，也適用于“海綿路”和“海綿城市”施工[3]。因此，多孔水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)和研究引起了工程師們的注意。目前，多孔水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)主要基于《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中的指導(dǎo)性規(guī)定或試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)[4]，添加纖維以改善多孔水泥穩(wěn)定骨料的性能也鮮有報(bào)道。為了解決多孔水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)問題，提高多孔水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度性能，本文提出了一種基于Bailey法和Taibal法的多孔水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)方法[5，6]。將該方法應(yīng)用于多孔水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)研究分析了聚丙烯纖維對(duì)多孔水泥穩(wěn)定碎石性能的影響。

一、多孔水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)

根據(jù)Bailey法，多孔水泥穩(wěn)定碎石分為粗骨料和細(xì)骨料。粗骨料形成骨架，細(xì)骨料填充骨架。粗骨料形成骨架間隙VCA采用下式：

本文使用的礫石來自京滬高速擴(kuò)建項(xiàng)目，所有參數(shù)均符合規(guī)范要求。骨料的最大粒徑為31.5mm，標(biāo)稱粒徑（NMPS）為26.5mm。根據(jù)Bailey法，粗骨料和細(xì)骨料的邊界篩為0.22NMPS和4.75mm。根據(jù)Taibal方法，每個(gè)篩子的通過率計(jì)算如下：

式中：D為骨料的最大粒徑；d為篩徑；m為級(jí)配指數(shù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)中使用的骨料，根據(jù)Taibal計(jì)算混合料等級(jí)如表1所示。根據(jù)各級(jí)篩的篩分質(zhì)量，控制混合料的混合。

根據(jù)表1中粗骨料的級(jí)配，混合粗骨料，粗骨料的實(shí)測(cè)體積密度為2.753g/cm3。振動(dòng)用于成型。粗骨料的實(shí)測(cè)密度為1.887g/cm3，材料骨架間隙為31.5%。由于粗骨料形成骨架，當(dāng)混合物的體積為V時(shí)，粗骨料量mc為：

表1 多孔水泥穩(wěn)定碎石材料的級(jí)配

水泥水化需要將其自身質(zhì)量的25%的水結(jié)合起來，以形成長(zhǎng)效物質(zhì)，其體積吸收75%的自由水體積（Czernin，W.，1991）。水泥與γce、水泥質(zhì)量mce和水泥體積Vce的比值：

根據(jù)需要設(shè)置目標(biāo)孔隙率n，Vce可通過公式（6）計(jì)算得到。

在試驗(yàn)中，試件直徑為15cm，高度為15cm。根據(jù)公式（3），一個(gè)樣本的粗骨料約為5kg。由于多孔水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)的推薦水泥設(shè)計(jì)（JTG D40-2011）為9.5%～11%，水泥含量取10%。在試驗(yàn)中，為了達(dá)到最大孔隙率，采用細(xì)骨料的含量為0。則根據(jù)公式（6），混合物的理論孔隙率為27.9%；級(jí)配設(shè)計(jì)完全按照Taibo法，此時(shí)孔隙率最小?？紫堵蕿?.5%，粗骨料與細(xì)骨料的質(zhì)量比為3.14，理論空隙率設(shè)置為20%。此時(shí)，粗骨料與細(xì)骨料的質(zhì)量比為9.27。

二、試驗(yàn)方案

制作試驗(yàn)的水泥使用32.5普通硅酸鹽水泥，并根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法確定試驗(yàn)中的粗骨料、細(xì)骨料和水泥的用量。根據(jù)27.9%、20%和4.5%的理論孔隙率設(shè)計(jì)了孔隙型水泥穩(wěn)定碎石試件，并記錄為1號(hào)試件、2號(hào)試件和3號(hào)試件。為了分析纖維摻雜對(duì)混合物性能的影響，試驗(yàn)中摻加了聚丙烯纖維。聚丙烯纖維的參數(shù)如表2所示。在實(shí)驗(yàn)中，分析了纖維長(zhǎng)度和纖維含量（體積含量）對(duì)混合物性能的影響。本文所采用的纖維長(zhǎng)度分別為6mm、12mm和18mm。而纖維摻量則分比為1‰、1.5‰和2‰。試驗(yàn)方案如表3所示，由于纖維含量較?。?‰～2‰），故不計(jì)算纖維體積。

表2 纖維參數(shù)

本文采用振動(dòng)法制備試件，根據(jù)半剛性材料的主要性能要求和發(fā)揮透水、蓄水和排水功能的需要，試驗(yàn)指標(biāo)采用控制有效孔隙度（連通孔隙度）、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂力量孔隙率等指標(biāo)制備多孔水泥穩(wěn)定碎石。

三、試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)樣品用于測(cè)定有效孔隙度、7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和28d劈裂強(qiáng)度。結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用該方法所設(shè)計(jì)的無纖維多孔水泥穩(wěn)定碎石（1～3號(hào)試件）的有效孔隙率與理論孔隙率呈現(xiàn)正相關(guān)，3組試件的有效孔隙度與理論孔隙度之比分別為66.3%、56.5%和68.9%。其主要原因是，隨著理論孔隙率的降低，混合料中的細(xì)集料增加，而連通孔隙則隨之降低，可以認(rèn)為在以理論孔隙率作為無纖維多孔水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，其是可以滿足多孔水泥穩(wěn)定碎石對(duì)有效孔隙率的技術(shù)要求。

對(duì)于摻加纖維的多孔水泥穩(wěn)定碎石（4號(hào)～8號(hào)試件），其有效孔隙度與理論孔隙度的比值分別為54.5%、56.9%、55.2%、54.5%和58.2%，且該比值通常低于未摻加纖維的多孔水泥穩(wěn)定碎石試件（1號(hào)～3號(hào)試件）的比值。這說明著隨著纖維的加入，多孔水泥穩(wěn)定碎石材料內(nèi)部的連通孔隙率降低。但從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，纖維長(zhǎng)度和纖維含量對(duì)有效孔隙率則并沒有顯著影響，這是因?yàn)槔w維含量相對(duì)較?。?‰～2‰）的緣故。因此，在小摻量纖維的多孔水泥穩(wěn)定碎石混合料的設(shè)計(jì)方法也適用。

隨著有效孔隙率的增加，多孔水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度降低。當(dāng)試件的有效孔隙度從3.1%增加到19.7%時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值降低了75.9%，而其劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)值則降低了69.0%。可以看出，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與孔隙率密切相關(guān)，孔隙率大，細(xì)骨料含量小，骨料之間的接觸面積就小，導(dǎo)致水泥的穩(wěn)定性受到了限制，進(jìn)而導(dǎo)致其強(qiáng)度有所降低。

另一方面，當(dāng)試件的有效孔隙率從3.1%增加到11.3%時(shí)，有效孔隙度增加了約264.5%，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值降低了25.6%，其劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)值卻僅降低了6.0%。當(dāng)有效孔隙率從11.3%增加到19.7%時(shí)，孔隙率增加了約74.3%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低了67.6%，劈裂強(qiáng)度下降了67.0%?？梢钥闯?，多孔水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度隨著細(xì)骨料比重的增加而增加，但隨著細(xì)骨料的增加，細(xì)骨料對(duì)強(qiáng)度的影響也逐漸減弱。

而聚丙烯纖維的加入則可以有效地提高多孔水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。在試驗(yàn)中，摻加纖維的試樣表現(xiàn)出明顯的塑性破壞特征，即其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后的試樣仍保持良好的完整性，無明顯開裂；而劈裂強(qiáng)度試件在斷裂時(shí)，裂紋兩側(cè)通過纖維連接，表明其仍具有一定的抗拉強(qiáng)度。

分析纖維含量時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維含量從0增加到1‰時(shí)，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值增加了90.8%，劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)值增加了144.0%；而當(dāng)纖維含量從1‰增加到1.5‰時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值僅增加了6.1%，劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)值也僅僅增加了8.2%。當(dāng)纖維含量從1.5‰增加到2‰時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值增加了1.1%，劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)值增加了2.8%。這是由于添加了纖維可以增強(qiáng)多孔水泥穩(wěn)定碎石試件的完整性，即隨機(jī)分散的纖維具有較高的拉伸強(qiáng)度，對(duì)骨架具有一定的約束作用，可以分擔(dān)部分載荷；但當(dāng)纖維含量超過1.5‰時(shí)，增加纖維含量對(duì)多孔水泥穩(wěn)定碎石試件強(qiáng)度的影響將不再顯著。

多孔水泥穩(wěn)定碎石試件

當(dāng)纖維長(zhǎng)度從6mm增加到12mm時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值增加了0.1%，劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)值增加了22.8%；而當(dāng)纖維長(zhǎng)度從12mm增加到18mm時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值增加了1.3%，劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)值增加了6.8%。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，纖維長(zhǎng)度對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響相對(duì)較小，而其對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響則較大。原因在于，劈裂強(qiáng)度更依賴于纖維所能施加的拉伸強(qiáng)度，纖維施加的拉伸強(qiáng)度取決于纖維和礦物之間的連接及纖維本身的拉伸強(qiáng)度。由于聚丙烯纖維的高拉伸強(qiáng)度，纖維和礦物材料之間的聯(lián)結(jié)力成為限制纖維拉伸強(qiáng)度的因素。纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，纖維與礦物材料之間的連接力越大。

四、結(jié)語

本文所提出的多孔水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)方法可用于無纖維多孔水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)和纖維填充多孔水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)。無論水泥穩(wěn)定碎石材料中有無纖維，理論孔隙度與有效孔隙率之間都存在明顯的正相關(guān)關(guān)系；孔隙率對(duì)無纖維水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度影響很大，隨著理論孔隙率的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度顯著降低；聚丙烯纖維可以顯著提高多孔水泥穩(wěn)定集料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，本文建議纖維含量取1.5‰；纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，劈裂強(qiáng)度越大，在纖維量相同的情況下，纖維越長(zhǎng)，纖維數(shù)量越少，本文纖維長(zhǎng)度應(yīng)取18mm。