聚酯纖維增強型水泥穩定砂礫抗壓強度試驗研究

侯兆軍, 馮立群, 李林萍

(1.新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆交通科學研究院 道路橋梁研究所，新疆 烏魯木齊 830047)

瀝青混凝土路面半剛性基層剛度相對較大，面層層底彎拉應力及基層層底彎拉應力小，可增加面層在重復荷載作用下的疲勞抗力；半剛性基層板體性好，利于機械化施工；取材方便，造價低，已經成為目前我國高等級公路路面基層的主要形式[1]。而無機結合料穩定材料抗沖刷能力差，隨溫度和濕度變化易產生溫縮和干縮等非荷載型裂縫；無機結合料基層抗拉強度低，基底彎拉應力大于抗拉強度即可在基層底部產生荷載疲勞裂縫，并不斷向面層擴展，致使瀝青路面產生反射裂縫。

為了改善半剛性基層性能，特別是減小半剛性基層材料的收縮性，通過研究不同級配對基層性能的影響確定最適配比，通過改善半剛性基層材料各組成成分的性能來增強基層抗裂性。20世紀90年代開始，我國學者開始關注合成纖維在路面上的應用[2]。陳燁，等[3]于21世紀90年代初開始對聚丙烯纖維增強石灰水泥土和石灰粉煤灰兩種基層材料進行初步應用研究，啟發了科研人員對柔性纖維在路面基層上應用價值的思考，但其研究僅限于石灰水泥土和石灰粉煤灰兩種半剛性基層材料，對纖維在應用較廣泛的水泥穩定材料中應用研究較少。鑒于摻加纖維可提高半剛性基層性能，筆者研究了摻加拉伸強度和斷裂伸長率均較高的聚酯纖維水泥穩定砂礫強度特性，取不同纖維長度和不同摻量兩個變量因素，選用L934正交水平表，研究纖維摻量、纖維長度和養護齡期對水泥穩定砂礫強度影響規律。

1 原材料

定義聚酯纖維無機結合料穩定砂礫為：對具有規定級配的天然砂礫，用水泥等無機結合料進行穩定，在拌和過程中摻加一定量的聚酯纖維，經碾壓成型，形成具有一定強度的水泥穩定砂礫，聚酯纖維主要起阻裂、增強和增韌作用，纖維的拌和方法推薦使用干拌法。

1)選擇新疆阿勒泰產砂礫，所選料場易溶鹽含量0.365%，分類定名為亞硫酸鹽非鹽漬土。

經試驗，所選擇砂礫壓碎值為16.9%，相對表觀密度為2 703，針片狀含量為14.8%，弱顆粒含量為3.6%，表明所選砂礫性能良好。

2)選用山東某公司生產的聚酯纖維。選用6，12，15 mm等3種長度聚酯纖維，摻量分別為2‰，4‰及6‰。按照JT/T 525—2004《公路水泥混凝土纖維材料 聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維》對所選聚酯纖維進行試驗，結果見表1。

表1 聚酯纖維性能試驗 Table 1 Test results of polyester fiber properties

3)半剛性基層厚度一般為15～40 cm，水泥穩定砂礫結構層應用12 t以上壓路機碾壓，每層的壓實厚度不應超過15 cm[4-5]，半剛性基層一般為分層碾壓。為了保證分層攤鋪的上、下兩層能有效結合成整體及基層的鉆芯取樣完整性，選用緩凝效果較好的P.C.32.5復合硅酸鹽水泥，水泥劑量為4.5%。水泥試驗結果見表2。

表2 P.C.32.5復合硅酸鹽水泥試驗結果

Table 2 Test results of composite portland cement P.C.32.5

4)試驗用水選用飲用水。

2 試驗方案設計

2.1 級 配

根據基層材料中粗集料和細集料的分布狀態，將基層材料的結構劃分為骨架密實、骨架空隙、懸浮密實和均勻密實4種類型。由于骨架密實結構是粗集料形成相互嵌擠的骨架，細集料以充分密實的狀態填充到骨架間的空隙里，其粗骨料較多，基層抗壓強度較高、抗裂性和抗沖刷性較好[6-7]。筆者選用骨架密實型級配，并根據JTG D 50—2006《公路瀝青路面設計規范》規定的骨架密實型水泥穩定砂礫級配范圍配成接近級配中值的合成級配，見表3。

表3 集料級配

Table 3 Aggregates grade

2.2 正交試驗

選擇纖維長度和纖維摻量為兩個因素，每種因素均有3個水平，考核指標是7 d和28 d無側限抗壓強度，選擇正交試驗表L934，見表4。

表4 影響因素及水平 Table 4 Influence factors and levels

3 試驗研究

3.1 擊實試驗

對摻纖維水泥穩定碎石的電動擊實試驗研究表明[8-9]，纖維的摻入對水穩碎石擊實特性影響較小；文獻[10-12]的研究忽略纖維對水泥穩定碎石最大干密度和最佳含水量的影響。本試驗纖維摻量小，所以不考慮纖維的摻加對水穩材料擊實性能的影響，僅對水穩砂礫進行電動擊實試驗。

根據JTG E 51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行擊實試驗，由于集料中大于19 mm的顆粒含量為19.9%(>10%)，且原材料最大公稱粒徑26.5 mm，小于《試驗規程》中規定的丙法容許最大公稱粒徑37.5 mm，故采用丙法進行電動擊實儀擊實試驗，并繪制聚酯纖維水泥穩定砂礫的含水量-干密度關系曲線，從而確定其最佳含水量和最大干密度分別為5.2%和2.35 g/cm3，如圖1。

圖1 擊實曲線Fig.1 Compaction curve

3.2 拌和工藝

纖維水穩砂礫的拌和工藝不同，直接影響混合料強度性能[2]，拌和方法、放料順序和拌和時間是決定纖維是否發揮作用的關鍵因素。據實際情況采用人工干拌法，使纖維充分分散于水穩砂礫材料中。拌和流程見圖2。

圖2 纖維水穩砂礫人工拌和流程Fig.2 Artificial mixing process of fiber cement stabilized gravel

3.3 試件制作及養護

根據《試驗規程》，選用φ150 mm × 150 mm圓柱體試模，用YES-2000B數顯式壓力機靜壓成型試件，12 h后脫模，然后將試件放入標準養護室分別養護7，28 d，最后一天浸水24 h。測試時，將試件從水池取出，用軟布擦去可見水，立即進行無側限壓強度試驗。

3.4 無側限抗壓強度試驗

用WE-1000型萬能材料試驗機進行無側限抗壓試驗。共測試9組，每組9個平行試件，剔除異常值后取其平均值。試驗結果見表5。

表5 無側限抗壓強度試驗結果 Table 5 Test result of unconfined compress

4 各因素對抗壓強度影響規律分析

4.1 極差分析

從表6聚酯纖維水泥穩定砂礫無側限抗壓強度值看出，其7 d的強度極差R長度(0.864)>R摻量(0.627)，即纖維長度對混合料7 d無側限抗壓強度的影響大于纖維摻量的影響；而28 d的強度極差R長度(0.707)

表6 直觀分析(極差分析)

Table 6 Visual analysis (range analysis)

4.2 趨勢圖分析

4.2.1 聚酯纖維摻量對無側限抗壓強度的影響

由圖3可見，隨著聚酯纖維摻量的增加，試件的7 d和28 d無側限抗壓強度均增加。隨著摻量的增加，對于6 mm的聚酯纖維，試件的7 d，28 d抗壓強度分別增加了11.8%，13.6%；對于12 mm的聚酯纖維，試件的7 d，28 d抗壓強度分別增加了5.9%，12.1%；對于15 mm的聚酯纖維，試件的7 d，28 d抗壓強度分別增加了20.0%，31%。

圖3 聚酯纖維摻量對7 ，28 d無側限抗壓強度的影響Fig.3 Effect of polyester fiber content on unconfined compressive strength of 7 d, 28 d

4.2.2 聚酯纖維長度對無側限抗壓強度的影響

由圖4可見，試件的7 d和28 d無側限抗壓強度隨著纖維長度的增加而降低。隨著纖維長度的增加，摻量為2‰的纖維水穩砂礫，7 d降低18%，28 d降低17.8%；摻量為4‰的纖維水穩砂礫，7d降低13.6%，28 d降低11.4%；摻量為6‰的纖維水穩砂礫，7 d增加12.4%，28 d降低5.2%。

圖4 聚酯纖維長度對7 ，28 d無側限抗壓強度的影響Fig.4 Effect of polyester fiber length on unconfined compressive strength of 7 d, 28 d

4.2.3 養護齡期對無側限抗壓強度的影響

聚酯纖維水泥穩定砂礫強度的增長主要產生于7 d養護齡期內，如圖5。摻加相同長度和相同摻量的聚酯纖維，水穩砂礫養護齡期從7 ～28 d期間，無側限抗壓強度平均增加12.3%，增加幅度較小。

圖5 不同長度纖維水泥穩定砂礫3，7d無側限抗壓強度Fig.5 7 d, 28 d unconfined compressive strengths of cemsent stabilized gravel mixing lengths fiber

4.3 復合材料理論的解釋

聚酯纖維水泥穩定砂礫是一種復合材料，由聚酯纖維和水泥穩定砂礫兩相組成，其性能為兩相性能的疊加[13]。

壓力機上壓頭對試塊施加豎向荷載時(圖6)，圓柱體試塊內部產生微裂縫，裂縫擴展過程中，纖維附近的反向應力場消弱裂縫尖端應力[14]，降低了裂縫附近應力集中程度，使裂縫的擴展受到約束。

圖6 試塊受壓Fig.6 Compression test

若纖維所承擔的拉應力小于自身極限抗拉強度，則裂縫尖端繞過纖維而繼續擴展，由于纖維附近的反向應力場作用，裂縫尖端應力強度不斷被消弱，直到該應力強度小于材料極限強度，裂縫停止擴展。圓柱體試塊的受壓破壞過程中，內部裂縫擴展受纖維的約束是無側限抗壓強度提高的根本原因。

由上述描述可知，纖維摻量越大，在基體內部的亂向不連續性越明顯，纖維對裂縫的擴展的約束作用越強，該結論與試驗結果吻合。

5 結 論

1)在本試驗研究纖維長度范圍(6～15 mm)和摻量范圍(質量百分比2‰～6‰)內，浸水無側限抗壓強度試驗表明，聚酯纖維水泥穩定砂礫的強度主要形成于7 d養護齡期內，7～28 d抗壓強度增加緩慢。

2)聚酯纖維長度不變，纖維水穩砂礫的強度與纖維摻量呈正相關關系；摻量不變，纖維水穩砂礫的7 d和28 d浸水無側限抗壓強度與纖維長度呈負相關關系。

3)通過正交分析，相對于纖維摻量，纖維長度對水泥穩定砂礫混合料設計強度標準影響較大，故所摻纖維長度的選擇對纖維水穩砂礫半剛性基層強度和混合料設計的影響至關重要。

4)對于纖維水穩砂礫，采用干拌法進行人工拌和，即將纖維與砂石料在加水之前進行充分拌和，避免或減少加水后纖維結團，使聚酯纖維充分分散于砂石料之間，充分發揮纖維的增強和增韌作用。

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