纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的收縮性能試驗研究

閆利峰，李具文

(天津高速公路集團有限公司，天津 300384)

0 前 言

應用半剛性基層材料，實現(xiàn)瀝青路面結(jié)構(gòu)體系的“強擊薄面”一直是我國公路設(shè)計建設(shè)領(lǐng)域的常規(guī)方法，而水泥穩(wěn)定碎石的強度提升速度快、施工方法簡單，是最為常用的半剛性基層材料，在我國公路建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。但是，以水泥穩(wěn)定碎石為首的半剛性基層材料在養(yǎng)護和使用的過程中，因失水而造成的干燥收縮以及溫度變化而引起的收縮會產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，其開裂發(fā)展到面層就會引起路面的反射裂縫，這是半剛性基層材料難以解決的頑疾。為了預防半剛性基層材料的開裂，廣大科研工作者進行了大量的研究，比如：減少半剛性基層材料中的水泥含量，在碎石中摻入一定數(shù)量的纖維進行加強等，并且試驗研究了纖維級配碎石的力學特性等技術(shù)指標。

本文首先試驗分析纖維摻量和長度對水泥穩(wěn)定碎石抗壓強度的影響規(guī)律，而后試驗研究纖維摻量對水泥穩(wěn)定干縮、溫縮等路用性能指標的影響規(guī)律，為預防和減少水泥穩(wěn)定碎石的開裂問題提供試驗數(shù)據(jù)的參考。

1 原材料性質(zhì)

1.1 水泥

水泥采用P.O.325普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標詳見表1。

表1 試驗用水泥的主要技術(shù)指標

1.2 碎石

公路工程用水泥穩(wěn)定碎石需要有良好的級配，本次纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的級配組成詳見表2。碎石的各項技術(shù)指標均滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

表2 碎石的級配組成

1.3 纖維

本文試驗用的纖維為聚丙烯纖維，這種纖維的強度高、韌性好、密度小，是一種優(yōu)質(zhì)的加筋增強填料，密度約為0.9 g/cm。

2 試驗方案

按照本文表2中確定的碎石級配，均采用5%的水泥含量，分別在水泥穩(wěn)定碎石中摻入不同劑量(0～0.3%)和不同長度(0.5～2 cm)的纖維，拌和均勻后，參照規(guī)范的相關(guān)方法成型并養(yǎng)護試驗試件至規(guī)劃的齡期。然后試驗測定纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的強度、收縮特性等路用性能指標。試驗中首先確定纖維的最佳摻量和最佳長度，進行收縮試驗時，按照纖維的最佳長度摻加。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度

根據(jù)選定的試驗方案，制作試件，試驗測得不同纖維摻量及長度情況下，纖維增強水泥穩(wěn)定碎石7 d齡期無側(cè)限抗壓強度，分別繪出纖維摻量及纖維長度對抗壓強度的影響曲線如圖1、圖2所示。

圖1 不同纖維摻量時水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度

圖2 不同纖維長度時水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度

圖1的抗壓強度試驗結(jié)果表明，纖維的摻入可以有效提高水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度。同時，在相同的纖維長度情況下，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度具有先增后減的趨勢，在纖維摻量為0.15%時，纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強強度值達到最大。圖2的試驗結(jié)果表明了纖維長度對水泥穩(wěn)定碎石的影響規(guī)律，在相同的纖維摻量時，在纖維長度為1 cm時，纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強強度值達到最大。因為纖維的摻入，提高了碎石之間的相互作用力，利用纖維的加筋作用，提高了水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度，但是，當纖維摻量過多或者長度過大時，纖維與級配碎石之間很難攪拌均勻，經(jīng)常出現(xiàn)纖維分別不均勻的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)纖維的“結(jié)團”，反而會影響到水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度。

因而，就抗壓強度指標而言，應對控制纖維的摻入量和纖維長度，本試驗獲得的纖維最佳摻量為0.15%，纖維長度為1 cm。

3.2 纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能

干燥收縮開裂一直是水泥穩(wěn)定碎石的通病，需要進一步研究結(jié)果。本文按照試驗確定的纖維最佳長度，制作水泥穩(wěn)定碎石的干縮試驗試件，試驗測得纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的干燥收縮性能，如圖3所示。

圖3 纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的干縮特性

從圖3的干縮試驗結(jié)果可以看出，纖維的摻入可以有效降低水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)，纖維摻入量分別為0.1%、0.2%和0.3%時，水泥穩(wěn)定碎石14 d齡期(336 h)的干縮系數(shù)分別降低了12.1%、23.4%和35.8%。這主要是因為纖維的摻入有效提高了水泥穩(wěn)定碎石各部分石料之間的相互摩擦作用，提高了強度的同時，增加了材料的韌性，進而使得其干燥收縮率減小，干縮系數(shù)降低，有助于提高水泥穩(wěn)定碎石材料的抗裂性能。

另外，不同纖維摻量的水泥穩(wěn)定碎石干燥收縮系數(shù)所時間的變化規(guī)律相似，基本上是材料成型之后的24 h之內(nèi)快速增大，之后干縮系數(shù)的增大速度放緩，主是因為材料成型前期，水分蒸發(fā)損失較快、而后期隨著材料強度的形成，混合料中的自由水分減少，失水速度降低的原因造成的。因而，水泥穩(wěn)定碎石的施工成型早期，必須注意做好灑水養(yǎng)生。

3.3 纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的溫縮性能

本文按照試驗確定的纖維最佳長度，制作水泥穩(wěn)定碎石的溫縮試驗試件，養(yǎng)護至90 d齡期，試驗測得纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的溫縮性能，如表3所示。

表3 纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的溫縮試驗結(jié)果

表3的試驗結(jié)果表明，在本文的試驗范圍內(nèi)，纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)隨著纖維摻入量的增大而降低，相對于不摻纖維的水泥穩(wěn)定碎石，摻入0.1%、0.2%和0.3%的纖維后，其平均溫縮系數(shù)分別降低了10.5%、15.0%和19.2%，其原因與干縮系數(shù)的變化原因相似，均為纖維加筋增強作用的體現(xiàn)。可見，摻入一定量的纖維可以有效提高水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能。

4 結(jié) 論

本文試驗研究了纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度及干縮、溫縮性能及其影響規(guī)律，試驗結(jié)果表明，摻入一定量的纖維，可以有效提高水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能。

(1)纖維的摻入可以有效提高水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度。在相同的纖維長度情況下，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度具有先增后減的趨勢，在纖維摻量為0.15%時，纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強強度值達到最大；在相同的纖維摻量時，在纖維長度為1 cm時，纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強強度值達到最大。

(2)纖維的摻入可以有效降低水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)，纖維摻入量分別為0.1%、0.2%和0.3%時，水泥穩(wěn)定碎石14 d齡期(336 h)的干縮系數(shù)分別降低了12.1%、23.4%和35.8%。

(3)纖維增強水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)隨著纖維摻入量的增大而降低，相對于不摻纖維的水泥穩(wěn)定碎石，摻入0.1%、0.2%和0.3%的纖維后，其平均溫縮系數(shù)分別降低了10.5%、15.0%和19.2%。