纖維水泥穩定碎石混合料配合比設計

張澤川， 高 攀， 黃 歡

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著我國經濟的發展，至2020年，全國公路總里程達到近500萬km。我國公路中常用的基層類型主要包括石灰穩定類基層和水泥穩定類基層。水泥穩定碎石基層材料在整體性、耐水性、抗凍性等方面都優于石灰穩定類材料。水泥穩定類基層被廣泛地應用于高等級公路基層、底基層結構。

本文在查閱相關研究文獻的基礎上，探究在水泥穩定碎石類基層材料中摻加不同種類的纖維，研究其對混合料力學性能的影響，探究纖維對提高水泥穩定碎石基層性能的最佳效果。在路用性能方面，關注的核心指標是提升其抗裂性能。本文的研究成果，對于提升水泥穩定碎石的抗裂性能，具有良好的借鑒作用。

國外有關 PVA 纖維增強混凝土的研究中，以日本研究人員居多。可樂麗公司的試驗結果表明：PVA 纖維在水泥基體中具有較好的分散性，并且與水泥的黏結程度明顯優于鋼筋，增強效果顯著[1]。國外對于水泥穩定類材料的研究較國內要早，美國波蘭水泥協會在研究水泥穩定類材料強度與齡期的關系曲線后得出：在半對數坐標關系曲線上，水泥穩定類材料的抗壓強度與養生時間呈直線關系[2]。格里默認為：水泥穩定類材料的抗壓強度與最大干密度在普通直角坐標上呈曲線關系，在對數坐標上卻呈直線關系。凱茲迪通過研究水泥穩定類材料的抗壓強度和變形特性后得出：可以用直線來表示強度與硬化時間的對數函數[3]。

蔣應軍[4]通過研究不同結構類型的水泥穩定碎石的路用性能試驗得出：骨架密實結構在力學性能、抗裂性能以及抗凍性能方面明顯優于懸浮結構和骨架空隙結構，能明顯減小基層的收縮量、增大其抗裂系數50%左右。Dias等[5]對玄武巖纖維增強不同水泥基層材料的改善效果進行了研究，并將研究結果與普通硅酸鹽水泥材料進行對比，結果發現玄武巖纖維能顯著改善水泥混凝土的斷裂性。2014年,中國海洋大學的李淑[6]率先提出對于玄武巖纖維增強水泥穩定碎石的配合比時應用均勻設計進行確定的試驗研究，確定了特定情況下的玄武巖纖維的最優選擇摻量，同時結果展示出水泥穩定碎石中摻加玄武巖纖維可在不降低基層強度的前提下提高抗凍性能和減少裂縫。

2016年重慶交通大學的賀亞飛[7]首次將聚乙烯醇纖維(PVA)應用到水泥穩定碎石中，并對其力學性能和抗裂性能進行深入研究，得出結論，PVA可使得水泥穩定碎石的抗壓、抗劈裂和抗彎拉等方面的強度以及阻裂方面的性能改善且存在差異性，而對收縮性能影響不一。董蘇波等[8]等通過將玻璃纖維添加到二灰穩定碎石中，并對其強度和剛度進行了試驗研究，得出玻璃纖維可增加二灰碎石材料的強度，減少其剛度，且可有效改善基層的韌性，這對提高其抗裂性能是十分有利的，玻璃纖維的增強作用隨著齡期的增加而顯著增強。

早在20世紀初，美國的Porte[9]就已提出將鋼纖維較為均勻地撒在混凝土中以強化材料性能的設想。Gao等[10]對鋼纖維增強混凝土的彈性模量、泊松比、抗壓強度等多方面性能進行了大量的實驗研究。結果顯示，摻加鋼纖維的混凝土壓折比(抗壓強度與抗折強度之比)明顯減小，而且混凝土的彈性模量和泊松比受到鋼纖維影響較大，但混凝土抗壓強度受影響較小。

1 原材料

碎石在水泥穩定碎石混合料中起著非常重要的骨架作用，水泥穩定碎石的宏觀強度主要都是由其承擔，所以在水泥穩定碎石的路用性能的研究中碎石的重要性不可忽視。它是由在自然中形成的巖石經過爆炸等方式被破碎而制成的，其有著外表面粗糙不平和形狀不一等優點。水泥穩定碎石混合料的原材料有粗集料和細集料兩種。

本文選擇5種不同集料粒徑的碎石，用震擊式標準振篩機對石料進行篩分。本文所選用的材料按照直徑分為5檔：19～31.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.75～4.75 mm、0～2.75 mm。原材料需要測定的指標有壓碎值、針片狀顆粒含量等。

對于水泥穩定碎石混合料，粗集料的最大粒徑必須要進行限制，因為粒徑越大，施工就越困難，施工困難就會造成項目的使用費用增加。同時，集料粒徑過大也會造成混合料離析的現象，使基層的強度得不到滿足，嚴重時可能會造成基層開裂的現象，減少道路的使用年限。我國對高速公路水泥穩定碎石混合料的最大粒徑做出過規定，規定最大粒徑在37.5 mm以內。然而集料的粒徑越小，其生產難度也就會越大，會使項目成本增加，因此合理選擇集料的粒徑也是集料使用過程中的重要一環。

2 配合比設計

2.1 設計原則及要求

本文配合比設計原則主要考慮骨架的穩定、細集料的摻配比例和施工后期相關流程。骨架密實級配理論是將集料按照粒料直徑、骨料填充形式和不同排列方式等因素進行合理分配，使得混合料具有孔隙率和比表面積都較小的優點。

2.2 級配設計

本文設計2種級配，分別是適用于高速公路和一級公路的C-B-2級配和適用于二級及二級以下的公路基層的C-C-2級配。混合料級配分別見表1、表2。

表1 C-B-2級配

表2 C-C-2級配

混合料級配合成曲線如圖1、圖2所示。

圖1 C-B-2級配曲線圖

圖2 C-C-2級配曲線圖

3 無側限抗壓強度(7 d)

3.1 最佳含水量確定

含水量是影響水泥穩定碎石混合料路用性能的關鍵因素之一，因此確定最佳含水量是水泥穩定碎石混合料級配設計的關鍵一環。本文采用擊實試驗法進行測定。本試驗含水量設計為4.5%～6.5%(以0.5%為一個等級梯度)，繪制水泥穩定碎石混合料的含水率-干密度曲線，以含水量為橫坐標，干密度為縱坐標并對數據用二次曲線進行擬合,曲線的現峰值點對應的橫縱坐標分別是最佳含水量和最大干密度。

混合料含水量-干密度曲線如圖3、圖4所示。

圖3 C-B-2級配含水量-干密度曲線

圖4 C-C-2級配含水量-干密度曲線

由實驗數據分析畫出的擊實曲線可得知，在C-B-2級配中，不摻加纖維擊實曲線峰值點對應的最佳含水量為5.5%，最大干密度為2.3 g/cm3，摻加玄武巖纖維擊實曲線峰值點對應的最佳含水量為5.5%，最大干密度為2.32 g/cm3。

3.2 強度試驗

本節實驗主要是對比分析不摻加纖維水泥穩定碎石混合料和摻加玄武巖纖維、聚酯纖維、玻璃纖維粉、聚乙烯醇纖維、聚酯-聚乙烯醇混合纖維無側限抗壓強度(7 d、28 d)。實驗中纖維統一選用的是6 mm纖維，摻量為0.05%。無側限抗壓強度是水泥穩定碎石混合料性能試驗中非常重要的一環,其強度必須滿足基層對載荷的要求,若強度不足,將會形成路面的結構性破壞。

本次無側限抗壓強度實驗在最佳含水量和最大干密度的基礎上做5組對比實驗，分別是不摻加纖維、摻加玄武巖纖維、摻加聚酯纖維、摻加聚乙烯醇纖維、摻加玻璃纖維粉的水泥穩定碎石混合料，每組有3個試件。

在級配C-C-2 中7 d齡期纖維水泥穩定碎石混合料，摻加纖維比不摻加纖維強度都有所提升。與不摻加纖維水泥穩定碎石混合料相比，摻加玻璃纖維粉水泥穩定碎石的無側限抗壓強度提高最大，增加了0.8 MPa，提高了15.5%；其次是摻加玄武巖纖維水泥穩定碎石混合料，其無側限抗壓強度增加了0.76 MPa，提高了14.7%；再次是摻加聚乙烯醇纖維水泥穩定碎石，其無側限抗壓強度增加了0.46 MPa，提高了8.7%；最后是摻加聚酯纖維水泥穩定碎石混合料，其無側限抗壓強度增加最少，強度增加了0.32 MPa，提高了6.2%。

在級配C-B-2中 7 d齡期纖維水泥穩定碎石，與不摻加纖維水泥穩定碎石混合料相比，既有強度提高，也有強度降低。提高最大的是摻加聚酯-聚乙烯醇混合纖維水泥穩定碎石混合料，其強度增加了0.44 MPa，強度提高了8.3%；其次是摻加聚乙烯醇纖維水泥穩定碎石混合料，其強度增加了0.33 MPa，強度提高了6.2%。降低最多的是摻加聚酯纖維水泥穩定碎石混合料，其強度減小了0.69 MPa，降低了13%；其次是摻加玻璃纖維粉水泥穩定碎石混合料強度減小了0.33 MPa，降低了6.2%。

4 結 論

(1) 在級配C-C-2中，不摻加纖維的混合料的最佳含水量為5.30%，最大干密度為2.35 g/cm3；摻加玄武巖纖維的混合料的最佳含水量為5.40%，最大干密度為2.33 g/cm3。

(2) 在級配C-B-2中，不摻加纖維的水泥穩定碎石的最佳含水量為5.5%，最大干密度為2.3 g/cm3；摻加玄武巖纖維的水泥穩定碎石最佳含水量為5.5%，最大干密度為2.32 g/cm3。與不摻加纖維相比，摻加纖維后水泥穩定碎石含水量、最大干密度變化值都很小。

(3) 在級配C-C-2中，摻加不同纖維后，7 d無側限抗壓強度均明顯提高，水泥用量4.5%時，可滿足特重、重交通等級道路基層強度要求。摻加玻璃纖維粉的水泥穩定碎石的抗壓強度提高最大，增加了0.8MPa，提高了15.5%。按強度由高到低排序，依次是：玻璃纖維粉、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、聚酯纖維。

(4) 在級配C-B-2中，水泥用量4.5%時，可滿足特重、重交通等級道路基層強度要求。摻加聚酯-聚乙烯醇混合纖維、聚乙烯醇纖維的水泥穩定碎石的強度提高，而摻加聚酯纖維、玻璃纖維粉的強度下降了。