探究聚乙烯醇纖維對(duì)水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能的影響

摘要 為改善水泥穩(wěn)定碎石基層的應(yīng)用性能，文章從溫縮性能、干縮性能和力學(xué)強(qiáng)度性能等指標(biāo)出發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析不同聚乙烯醇纖維摻量下水泥穩(wěn)定碎石性能的改良效果。結(jié)果顯示，水泥穩(wěn)定碎石混合料加入聚乙烯醇纖維后，劈裂強(qiáng)度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均得到顯著提升，同時(shí)干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)均明顯下降；建議采用0.9%為聚乙烯醇纖維摻量，此時(shí)水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)性能和抗裂性能均能達(dá)到較高水平，且經(jīng)濟(jì)性良好。

關(guān)鍵詞 聚乙烯醇纖維；水泥穩(wěn)定碎石；抗裂性能；干燥收縮；性能改良

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) 2096-8949（2025）05-0094-03

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石基層是目前國內(nèi)高等級(jí)公路建設(shè)中常用的一種基層結(jié)構(gòu)類型，該類基層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高，強(qiáng)度性能和剛度均處于較高水平[1-2]，但由該類材料成形的公路基層抗裂性能不足，尤其是常用的半剛性基層結(jié)構(gòu)施工完成后，受水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度形成較慢等因素影響，加上結(jié)構(gòu)失水、材料溫度驟變等環(huán)境作用，水泥穩(wěn)定碎石基層極易產(chǎn)生明顯的干縮應(yīng)力和溫縮應(yīng)力[3]，而當(dāng)應(yīng)力水平大于結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致基層干縮開裂和溫縮開裂等問題，將嚴(yán)重影響已建成公路的正常運(yùn)營，帶來潛在安全隱患的同時(shí)也增加維修保養(yǎng)費(fèi)用。

已有研究[4-6]發(fā)現(xiàn)，適量摻加纖維有助于改善水泥穩(wěn)定碎石混合料性能，提升結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和抗裂性能。目前工程實(shí)踐中已逐漸嘗試使用聚乙烯醇纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維等材料改善水泥穩(wěn)定碎石混合料性能[7-8]。其中，鋼纖維剛度較大，摻入水泥穩(wěn)定碎石混合料中的分散效果不佳；聚丙烯纖維黏性不足，雖能提升混合料性能，但幅度較??；聚乙烯醇纖維化學(xué)穩(wěn)定性良好，強(qiáng)度較高且具有良好的彈性模量，適用于改善水泥穩(wěn)定碎石性能[9]。綜上所述，將聚乙烯醇纖維以合理的方式摻入水泥穩(wěn)定碎石混合料，是改善水泥穩(wěn)定碎石基層性能的有效途徑之一，具有重要的研究價(jià)值。

鑒于此，該文以京滬高速公路淮安至江都段改擴(kuò)建工程（K943+524.000～K969+534.000區(qū)段）為例，為提高瀝青混凝土路面工程中所用水泥穩(wěn)定碎石基層的施工質(zhì)量，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究不同聚乙烯醇纖維摻量下水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)性能和抗裂性能改善效果，分析最適宜的聚乙烯醇纖維摻量及其對(duì)應(yīng)的水泥穩(wěn)定碎石混合料的性能發(fā)展規(guī)律。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用水泥均采購自石門海螺水泥廠，類別為P·O 32.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥，結(jié)合工程規(guī)范設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試水泥的主要性能，結(jié)果均滿足要求。實(shí)驗(yàn)所用的石屑、粗集料均采購自當(dāng)?shù)啬巢墒瘓錾a(chǎn)的石灰?guī)r，其質(zhì)地堅(jiān)硬、表面潔凈，依托《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）中的相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)材料級(jí)配，具體如表1、圖1所示：

實(shí)驗(yàn)所用的纖維材料為高強(qiáng)、高模聚乙烯醇纖維，該纖維材料耐酸性、耐堿性良好，強(qiáng)度較高且具有良好的彈性模量。纖維材料具有不規(guī)則非環(huán)形截面，能夠和水泥基質(zhì)保持足夠的成建面，因而和水泥材料的相容性較好。實(shí)驗(yàn)所用聚乙烯醇纖維密度為1.37 g/cm3，直徑和長度分別為20 μm和50 mm，楊氏模量為41.2 GPa，抗拉強(qiáng)度為1 540 MPa。

1.2 試驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究不同聚乙烯醇纖維用于改善水泥穩(wěn)定碎石混合料抗裂性能的效果差異，取混合料質(zhì)量的0%、0.3%、0.6%、0.9%和1.2%作為聚乙烯醇纖維摻量，并分別配置水泥穩(wěn)定碎石混合料，以《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3441—2024）中相關(guān)規(guī)范要求分別成形試件并養(yǎng)護(hù)至指定齡期。其中，制作φ150 mm×150 mm圓柱體試件養(yǎng)護(hù)至7 d齡期和90 d齡期，在不同齡期下分別測(cè)試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度；制作尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的中梁試件，養(yǎng)護(hù)至指定齡期后測(cè)試材料的干縮性能和溫縮性能。

2 結(jié)果及分析

2.1 重型擊實(shí)試驗(yàn)

結(jié)合前文內(nèi)容配置各組水泥穩(wěn)定碎石混合料并進(jìn)行重型擊實(shí)，測(cè)試不同纖維摻量下混合料的最佳含水率及最大干密度，所得結(jié)果如表2所示：

由表2可知，不同聚乙烯醇纖維摻量下水泥穩(wěn)定碎石混合料的最大干密度和最佳含水率之間差異較小，其原因在于聚乙烯醇纖維親水性較弱，不會(huì)明顯影響水泥穩(wěn)定碎石混合料的用水量。實(shí)驗(yàn)中所用的聚乙烯醇纖維密度為1.37 g/cm3，明顯低于常規(guī)砂石材料，而纖維用量較少，因此不會(huì)明顯影響材料的最大干密度。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度

制作φ150 mm×150 mm圓柱體試件，分別養(yǎng)護(hù)至7 d齡期和90 d齡期，在不同齡期下分別測(cè)試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，所得結(jié)果如表3所示：

由表3可知，水泥穩(wěn)定碎石混合料中摻加聚乙烯醇纖維后，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)的劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度并未得到明顯改善，但延長養(yǎng)護(hù)齡期至90 d則兩項(xiàng)性能均得到顯著改善。在一定纖維摻量范圍內(nèi)，養(yǎng)護(hù)齡期為90 d的水泥穩(wěn)定碎石混合料的劈裂強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均會(huì)隨纖維摻量的增加而逐漸提升，但在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高纖維摻量則強(qiáng)度增長幅度逐漸放緩，并逐漸趨于平穩(wěn)。其中，摻加0.9%聚乙烯醇纖維時(shí)的水泥穩(wěn)定碎石基層，在養(yǎng)護(hù)齡期為90 d時(shí)的劈裂強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均達(dá)到較高水平，分別相對(duì)未摻纖維組提升12.7%和21.4%。

分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生原因，該文認(rèn)為是聚乙烯醇纖維具有較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，摻入水泥穩(wěn)定碎石混合料后能夠和水泥水化產(chǎn)物保持良好的黏結(jié)作用，外力作用于混合料時(shí)需要將纖維拉斷或拔出，因而混合料的整體力學(xué)性能得到了明顯改善。

2.3 溫縮試驗(yàn)及干縮試驗(yàn)

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)溫度取-10～30℃，測(cè)試不同溫度下混合料的溫縮應(yīng)變，并計(jì)算平均溫縮系數(shù)，所得結(jié)果如表4、圖2所示。

結(jié)合上述內(nèi)容可知，水泥穩(wěn)定碎石混合料溫縮系數(shù)的最大值和平均值均隨聚乙烯醇纖維摻量的增加而逐漸降低，其中摻加0.9%聚乙烯醇纖維時(shí)混合料的平均溫縮系數(shù)相對(duì)未摻加纖維的對(duì)照組混合料降低49.3%，這一結(jié)果說明聚乙烯醇纖維有助于改善水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮性能。

測(cè)試不同組混合料在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的失水率和干縮應(yīng)變，計(jì)算獲得干縮系數(shù)，并繪制不同聚乙烯醇纖維摻量下水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)曲線，所得結(jié)果如圖3所示：

結(jié)合圖3中的內(nèi)容可知，不同聚乙烯醇纖維摻量下，水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)均會(huì)隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而逐漸增加，且早期增加趨勢(shì)十分明顯，養(yǎng)護(hù)齡期在一定天數(shù)后的增長趨勢(shì)逐漸放緩，并最終趨于平穩(wěn)。相同齡期下，摻加聚乙烯醇纖維的各組水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)明顯低于未摻加纖維的對(duì)照組，其中摻加0.9%聚乙烯醇纖維時(shí)水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)下降最明顯，幅度達(dá)49.8%。結(jié)合上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的發(fā)展規(guī)律，說明聚乙烯醇纖維有助于改善水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能，降低干縮系數(shù)。

分析上述現(xiàn)象成因，該文認(rèn)為聚乙烯醇纖維自身的表面積較大，將其加入水泥穩(wěn)定碎石混合料后能夠和水泥基質(zhì)之間黏結(jié)良好，并形成亂向分布的空間結(jié)構(gòu)體系，以抵消部分溫度、濕度變化引發(fā)的應(yīng)力，吸收塑性收縮能量，并緩解混合料受應(yīng)力產(chǎn)生的塑性收縮問題，最終表現(xiàn)為混合料抗裂性能的提升。

3 結(jié)語

水泥穩(wěn)定碎石材料是當(dāng)前高等級(jí)公路基層施工時(shí)所用的主要材料之一，但應(yīng)用時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)干縮開裂、溫縮開裂等問題。該文以京滬高速公路淮安至江都段改擴(kuò)建工程為例，為改善路面工程中水泥穩(wěn)定碎石基層的應(yīng)用性能，分析聚乙烯醇纖維用于改善水泥穩(wěn)定碎石性能的效果，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同聚乙烯醇纖維摻量下纖維水泥穩(wěn)定碎石的溫縮性能、干縮性能和力學(xué)強(qiáng)度性能，得到結(jié)果如下：

摻入適量聚乙烯醇纖維時(shí)，纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料的最大干密度和最佳含水率不會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)。

水泥穩(wěn)定碎石混合料加入聚乙烯醇纖維后，其劈裂強(qiáng)度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到顯著提升，同時(shí)干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)均明顯下降，說明聚乙烯醇纖維有助于改善水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能和強(qiáng)度性能。

水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗裂性能和力學(xué)性能均隨聚乙烯醇纖維摻量的提升而逐漸提升，但摻量達(dá)到一定量后，進(jìn)一步提高纖維摻量混合料性能的改良效果則逐漸削弱，最終性能趨于穩(wěn)定。

建議采用0.9%為聚乙烯醇纖維摻量，此時(shí)水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)性能和抗裂性能均達(dá)到較高水平，且經(jīng)濟(jì)性良好。

參考資料

[1]黃春暉，張喆，錢若霖.建筑垃圾再生料在路基施工中的應(yīng)用[J].粘接， 2021（8）：80-83+88.

[2]張偉，張釗，曹暉，等.表面預(yù)處理PVA纖維改性瀝青的高溫流變特性[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）， 2022（4）： 409-416.

[3]趙陽，賈曉東，梁乃興，等.基于分散技術(shù)的聚乙烯醇纖維瀝青膠漿疲勞性能分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程， 2021（32）：13886-13892.

[4]熊延華，屈會(huì)朋，陽應(yīng)榮，等.聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石的疲勞性能研究[J].硅酸鹽通報(bào)， 2022（10）：3493-3500.

[5]羅坤.摻聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能研究[J].湖南交通科技， 2021（3）：63-65+97.

[6]劉紅彪，李鵬展，張路剛，等.聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度數(shù)值預(yù)測(cè)方法研究[J].水道港口， 2021（4）：538-544.

[7]古麗加娜提·巴塔宜.不同攤鋪工藝下纖維水泥碎石基層路用性能研究[J].工程機(jī)械與維修， 2022（3）：154-156.

[8]文彬.不同纖維增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能與耐久性研究[J].新型建筑材料， 2021（3）：57-62.

[9]李楠.纖維復(fù)合改性瀝青混合料抗老化路用性能研究[J].交通世界（中旬刊）， 2022（12）：24-26.