纖維強化水穩(wěn)再生料力學曲線分析

曹紅紅，張萍，趙曉敏，周浩

（1.無棣縣公路事業(yè)發(fā)展中心，山東濱州 251900；2.濱州安泰路橋工程有限公司，山東濱州 251900；3.山東建筑大學，山東濟南 250101）

0 引言

隨著我國公路建設里程的突飛猛進，道路施工過程中消耗了大量的石料、瀝青、水泥等基本材料，導致石料等原材料獲取難度逐步變大，成本日益提高；加之目前環(huán)保要求的提高，未來道路施工中越來越難以獲得優(yōu)質(zhì)集料，對舊有道路材料進行再生利用是未來道路工程發(fā)展的趨勢[1-2]。半剛性基層的水泥穩(wěn)定再生料的基本力學和路用性能接近水穩(wěn)碎石。由于服務期和銑刨過程中集料受到的荷載和環(huán)境作用，其強度和顆粒完整性有一定損失，級配也有一定程度的衰減，導致其強度略有降低；更重要的是銑刨再生料粉料中水泥石含量偏大，粉類成分也可能偏高，基層再生料的抗收縮性能一般低于普通新拌水穩(wěn)碎石。為了提高作為半剛性基層的水穩(wěn)再生料的性能，道路工作者展開了大量的研究工作[3-4]。水穩(wěn)再生料的優(yōu)點是強度較高、承載力很強且成本較低；缺點是變形能力較差、收縮系數(shù)較大，導致易于收縮開裂，進而引發(fā)瀝青路面的反射裂縫。提高半剛性基層的水穩(wěn)再生料的性能的根本途徑是改善其變形能力，而摻入有機固化劑或適量纖維一般對其強度有一定的改善作用，而對其變形能力有顯著的改善作用。通過添加聚丙烯纖維[5-7]對水穩(wěn)再生料進行強化，并通過水穩(wěn)再生料力學曲線分析合理的再生基層變形能力評價指標，確定合理的高聚物纖維用量，評價纖維對基層再生料性能的改善效果。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗材料

本文所用水泥為42.5的硅酸鹽水泥，各項指標性能參數(shù)經(jīng)過測試符合規(guī)范要求，該試驗水泥劑量為5%。為完全利用再生銑刨料，該試驗研究將銑刨料分為粗、中、細三檔，然后按一定比例形成合理級配，且未添加新碎石；銑刨料合成級配接近懸浮密實結(jié)構(gòu)水穩(wěn)碎石的級配范圍。此次試驗所用纖維為聚丙烯纖維，根據(jù)前期試驗結(jié)果，較大的纖維有利于提高混合料的強度，但纖維長度過長不利于纖維的分散，可能導致嚴重的纖維團聚從而降低材料整體強度，一般情況下，最佳纖維長度是12mm，而纖維摻量分別為0、0.5‰、1‰、2‰、4‰。

1.2 試驗方法

該項目按照標準養(yǎng)生法制作再生試件，并進行無側(cè)限抗壓試驗，但在抗壓試驗過程中對荷載-變形曲線進行深入分析。試驗中按照試驗規(guī)程《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTGE51—2009）中的《無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試件制作方法（圓柱形）》（T0843—2009）方法成型徑高比為1∶1的圓柱形試件，試模選用φ50mm×150mm，壓實度為98%，靜壓成型。無側(cè)限抗壓強度是水泥穩(wěn)定再生料試件在無側(cè)向壓力的條件下，抵抗軸向壓力的極限強度，這是無機結(jié)合料穩(wěn)定料組成設計的核心指標，可以綜合反映材料的力學性能和路用性能。本文通過荷載-變形曲線峰值的荷載值反映再生料的力學強度，以峰值點的變形值以及峰值50%荷載值、25%荷載值對應的變形值評價再生料的變形能力，并通過曲線面積計算材料破壞所需的壓縮能量，以此評價道路材料抵抗荷載的能力。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 荷載-變形曲線與纖維強化原理

研究纖維對水穩(wěn)再生料的影響，不應局限于強度研究，而應該對水穩(wěn)再生料荷載-變形曲線進行深入分析[8]。

無側(cè)限抗壓強度試驗表明，隨著纖維用量的增加，水泥穩(wěn)定再生料的強度先上升后降低，存在最佳用量；而其荷載-變形曲線逐步變得平緩，表明其脆性減弱，韌性增強；峰值對應變形值逐步向右移動說明混合料承受變形的能力逐步加強。纖維的加入顯著改變了水泥穩(wěn)定碎石的穩(wěn)定再生料的力學性能。

這是因為當纖維摻加水穩(wěn)再生料并均勻分散后，隨著水泥的水化反應不斷進行，每根高聚物纖維絲都會與水泥基體緊密黏結(jié)，并形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增加集料-水泥石-纖維復合材料整體的強度，且纖維自身變形能力很強、抗變形能力很強、能夠承受很大的變形。當集料-水泥石結(jié)構(gòu)受力破壞產(chǎn)生微裂縫后，纖維絲束仍然能將再生混合料聯(lián)系成一個整體，所以集料-水泥石-纖維復合材料有較強的變形能力。但纖維用量過大或分散不均勻，則纖維過于密集的局部反而會阻礙水泥石與集料黏結(jié)，從而降低再生料的力學強度。

2.2 荷載-變形曲線峰值分析

峰值點荷載與變形決定不同纖維摻量下再生料能承受的極限應力與對應應變值，是其最重要的性能參數(shù)之一，具體試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 纖維摻量對再生料峰值荷載與變形的影響

從圖1中可以知道，隨著纖維用量的提高，再生料的峰值強度的變化規(guī)律基本呈現(xiàn)拋物線形狀。纖維用量0～1‰過程中再生料強度隨纖維增加而提高；當其用量為1‰時強度最高，比不添加纖維時可以提高24%，有顯著改善；用量超過1‰后，混合料強度逐步降低，這是因為纖維太多會發(fā)生團聚現(xiàn)象，阻礙水泥石與集料的黏結(jié)。再生料的變形值隨纖維用量而增加而提高，當纖維用量為1‰和2‰時極限應變分別提高約30%和80%，由此可知摻入纖維可顯著改善再生料的變形能力。為了深入研究纖維對再生料力學性能影響，本文對再生料峰值承載能力、變形能力與纖維用量的關(guān)系進行定量研究。

水穩(wěn)再生料的承載能力與纖維摻量的關(guān)系如公式（1）所示，較為接近二次拋物線。

式（1）中：B為承載能力（kN）；X為纖維用量（‰）。

而水泥穩(wěn)定再生料的峰值對應變形值會隨纖維用量的增加單調(diào)上升，且呈現(xiàn)線性增長規(guī)律，具體關(guān)系如式（2）所示，從變形能力角度看纖維值用量越高越好。

式（2）中：D為變形能力（mm）；X為纖維用量（‰）。

從力學強度角度看，水穩(wěn)再生料的最佳纖維用量是1‰，而從變形能力角度，纖維用量越高越好。

2.3 破壞能量

2.3.1 應變能基本理論

基層再生混合料試件被破壞的根本原因是試件受到壓力作功而產(chǎn)生的壓縮能超過材料自身能承載能力。在無側(cè)限抗壓試驗中這種能量就是壓縮應變能，也就是當荷載從0到相應的應力應變過程中所圍成的面積，如圖2中的OAε，其計算公式（3）為：

圖2 峰值壓縮能

峰值A點處的變形值為ε0，荷載值為Bmax，此時的能量為：

如圖2中OAε0所圍成陰影面積即為無側(cè)限抗壓強度試驗過程中的荷載-變形曲線壓縮能，也就是破壞試件過程中需要施加的能量。

一般情況下，荷載-變形曲線的峰值、峰值50%荷載值、25%荷載值及其對應的變形值是荷載-變形曲線分析的關(guān)鍵點。也有研究以峰值對應應變的3倍應變值作為關(guān)鍵分析點。但根據(jù)水泥穩(wěn)定料疲勞過程中動態(tài)模量分析，水穩(wěn)材料的強度下降到初始強度35%后，疲勞壽命會迅速下降；強度下降到初始強度25%時，材料基本失去承載能力，并可能立刻破壞；當強度下降到初始強度35%后水穩(wěn)再生料疲勞壽命較短，且隨機性較大。為了對水穩(wěn)再生混合料性能較為可靠的階段進行研究，本文以荷載-變形曲線的峰值、峰值50%荷載值、35%荷載值及其對應的變形值，作為關(guān)鍵點進行壓縮應變能分析。不同纖維用量和不同荷載值情況下的壓縮能計算結(jié)果，如圖3所示。

圖3 纖維用量對壓縮能的影響

2.3.2 纖維用量對壓縮能的影響

由圖3可知，第一，隨著纖維用量的提高，所有的壓縮能都會提高。壓縮能最大的增幅出現(xiàn)在纖維用量從1‰提高到2‰時，而當纖維用量超過2‰以后，壓縮能提高幅度很小，這是因為纖維用量過高導致再生料強度明顯降低，從而降低了壓縮能的提高程度。第二，在纖維用量從0提高到2‰的過程中，峰值、峰值50%荷載、35%荷載對應的壓縮能分別提高了81N·m、154N·m、192N·m；纖維用量從0提高到2‰，其在35%荷載條件下的壓縮能提高約100%。這是因為水穩(wěn)再生料的纖維用量越大，其荷載-變形曲線在峰值點后的部分面積越大，這就是水穩(wěn)再生料變形能力和韌性提高的根本原因。

2.3.3 不同壓縮能分析

水穩(wěn)再生料不同荷載下的壓縮能以及纖維用量的影響如圖4所示。

圖4 不同荷載下的壓縮能及纖維用量的影響

由圖4可知，第一，壓縮能的增長，主要發(fā)生在峰值、峰值50%荷載過程中，峰值50%荷載到35%荷載過程增幅相對較小，這是因為此過程中材料強度較低、實際承載能力下降。第二，從不同纖維用量的壓縮能曲線對比再次表明，壓縮能增長幅值主要發(fā)生在纖維1‰增長到2‰的過程中。第三，當纖維用量小于1‰時，峰值50%荷載到峰值35%過程中的壓縮能增長很小，但當纖維用量大于2‰時，峰值50%荷載到峰值35%過程中的壓縮能仍有相對明顯的增長。這表明較高的纖維用量，對延長再生基層材料服務后期壽命仍有較為明顯的作用。

從水穩(wěn)再生料壓縮能的角度，纖維最佳用量是2‰，超過2‰后效果不明顯且不經(jīng)濟。

綜合破壞能量和強度分析，并考慮經(jīng)濟性問題，1‰～2‰為合理纖維用量，超過2‰后增加纖維用量，對纖維強化水穩(wěn)再生料的力學性能改善效果不明顯，且不經(jīng)濟。

3 結(jié)論

本文通過荷載-變形曲線分析了水穩(wěn)再生料的力學性能以及纖維的改善效果，具體結(jié)論如下：

一是基于荷載-變形曲線，對水穩(wěn)再生料的承載能力、變形能力，以及峰值、峰值50%荷載、35%荷載對應的壓縮能進行分析，可以對纖維對水穩(wěn)再生料的強化作用進行更全面的研究。

二是摻入合理用量纖維可以將再生料強度提高24%，并顯著提高其變形能力和壓縮能。

三是確定了峰值變形值和荷載值與纖維用量的關(guān)系模型，分別為線性模型和拋物線模型。

四是從力學強度角度，最佳纖維用量是1‰；從變形能力角度，纖維用量越高越好；從破壞能量角度，最佳纖維用量是1‰～2‰。