纖維增強水泥穩定碎石基層材料性能試驗研究

摘要：隨著交通荷載的持續增長，原有路面結構易產生基層反射裂縫，因此，對基層材料的優化改善就顯得尤為重要。文章通過將聚丙烯纖維外摻到水泥穩定碎石材料中進行性能測試，共設計了0 mm+0%、9 mm+0.15%、9 mm+0.20%、9 mm+0.25%、12 mm+0.15%、12 mm+0.20%和12 mm+0.25%七種纖維組合方案，分別考慮了水泥穩定碎石材料的抗壓強度、干燥收縮、溫度收縮及疲勞壽命。研究表明：9 mm+0.25%和12 mm+0.15%纖維組合方案對于水泥穩定碎石材料性能的提升效果顯著，具有較強的應用推廣價值。

關鍵詞：聚丙烯纖維;水泥穩定碎石;性能測試;疲勞壽命

0 引言

水泥穩定碎石是道路基層典型的材料選擇方案之一，其具有骨架穩定、造價低、適用性強等特點。然而，水泥穩定碎石基層材料在往復的交通荷載作用下面臨著裂縫開展、內部損傷等問題，如何緩解重載交通對基層結構的損傷就顯得十分重要[1-3]。相關研究表明：對于基層結構功能的優化改善，一般可以通過改變材料組成和結構厚度來實現[4-5]。其中，改變基層材料組成是常見方案，用銑刨料替代部分水泥穩定碎石、在水泥穩定碎石中添加外摻劑均能對水泥穩定碎石材料的性能進行提升[6-7]。然而，水泥穩定碎石基層病害產生的根源一般是收縮性能和抗疲勞性能不足[8]，本研究擬采用聚丙烯纖維外摻水泥穩定碎石基層材料來提升材料性能，對于改善道路基層結構性能具有一定借鑒作用。

1 原材料與試驗方案

1.1 水泥

研究采用的水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，初凝時間為60 min，終凝時間為180 min。28 d抗壓強度達到48.6 MPa，抗折強度達到8.4 MPa。

1.2 集料

試驗選用的集料為湖北產的石灰巖，石料干凈無雜質，壓碎值和磨耗值均滿足《公路路面基層施工技術規范》的要求。

1.3 聚丙烯纖維

聚丙烯纖維是一種傳統纖維制品，可以應用于工業、航天、道路等領域。本研究選用的纖維長度分別為9 mm和12 mm兩種，纖維摻量分別為0.15%、0.20%、0.25%不等。

1.4 試驗方案

研究采用纖維長度（9 mm、12 mm）與纖維摻量（0.15%、0.20%、0.25%）正交的方式，共涉及了7組不同組合的試驗方案。制備水泥穩定碎石基層材料試件，進行抗壓強度、干燥收縮、溫度收縮、疲勞壽命等試驗，綜合分析和比選適宜的組合方案。不同組合方案下水泥穩定碎石材料的最佳含水量和最大干密度測試結果如表1所示。

2 水泥穩定碎石基層材料性能試驗研究

2.1? 抗壓強度

水泥穩定碎石基層材料的抗壓強度是表征水穩碎石材料性能的關鍵指標之一，抗壓強度與材料承受集中荷載有關，抗壓強度越好表明材料抵抗外部荷載作用變形能力越強。研究采用無側限抗壓強度試驗進行水泥穩定碎石材料的測試，其7 d和28 d抗壓強度試驗結果分別如圖1～2所示。

由圖1～2可知，在水泥穩定碎石基層材料中加入聚丙烯纖維能夠明顯提升材料的抗壓強度，不同組合方案對應的7 d抗壓強度分別較普通水泥穩定碎石提升1.87%、5.61%、7.01%、4.21%、6.31%、3.50%;

28 d抗壓強度分別較普通水泥穩定碎石提升1.40%、3.89%、4.51%、2.02%、4.20%、1.71%，說明聚丙烯纖維的摻入能夠提升水泥穩定碎石的早期強度。其中，9 mm+0.20%與12 mm+0.15%的聚丙烯纖維組合方案對水泥穩定碎石基層材料性能的提升效果最為明顯。

2.2 干燥收縮

干燥收縮是水泥穩定碎石基層材料在干燥環境下產生變形的表現，要求材料本身需要具備較好的干燥收縮能力，能夠抵抗由于干燥原因而產生的變形、開裂問題。研究對不同齡期下的干燥收縮應變進行統計，繪制相關曲線如圖3所示。

如圖3所示，隨著養護齡期的增長，水泥穩定碎石基層材料的干縮應變也在不斷增長，呈現先快后慢的趨勢。其中，在前28 d環境下材料的干縮應變增長較快，主要原因是前28 d水泥的水化反應較為明顯，材料內部會因為水分的蒸發而產生一定的收縮變形。從摻加不同長度和摻量的聚丙烯纖維水泥穩定碎石基層材料來看，摻9 mm+0.25%聚丙烯纖維的水泥穩定碎石材料干縮應變較小，摻12 mm+0.15%聚丙烯纖維的水泥穩定碎石基層材料干縮應變與普通水泥穩定碎石基層材料較為一致。水泥穩定碎石基層材料的干縮應變越小，則材料抵抗干燥收縮變形的能力越強。研究表明，聚丙烯纖維的摻入對于水泥穩定碎石材料的干燥收縮性能影響較大，因此，纖維長度及摻量的選擇尤為關鍵。

2.3 溫度收縮

相比于干燥收縮，水泥穩定碎石基層材料也會面臨著服役環境溫度變化對其的變形影響。研究將水泥穩定碎石基層材料試件置于控溫箱中進行溫度收縮試驗，溫度水平為6檔，每隔10 ℃為一檔。試驗結果如圖4所示。

如圖4所示，隨著溫度范圍的下降，水泥穩定碎石基層材料的溫縮系數呈先下降后上升的趨勢，溫縮系數越小，則材料抵抗溫度變形的能力越強。試件在0 ℃～10 ℃下溫縮系數最小，其原因主要是此時溫度環境更貼近材料本身屬性，碎石材料內部骨料、水泥等均處于穩定狀態，而溫度的上升會導致材料內部產生膨脹變形，溫度過低也會使材料產生冷縮開裂。綜合來看，9 mm+0.25%和12 mm+0.15%聚丙烯纖維對于水泥穩定碎石材料的溫度干縮改善最為明顯。

2.4 疲勞壽命

水泥穩定碎石作為基層典型材料，需要承受上面層傳遞的荷載作用，而基層往往易產生開裂反射裂縫等問題，因此，水泥穩定碎石基層材料需要具備一定的疲勞壽命優勢。研究將不同組合方案的聚丙烯纖維摻入水泥穩定碎石基層材料中，研究其在不同應變水平（0.65 με、0.7 με、0.75 με、0.80 με下的疲勞壽命。試驗結果如表2所示。

將不同應變水平下不同組合方案水泥穩定碎石基層材料的疲勞壽命數據繪制成圖，如圖5～8所示。由圖可知，不同組合方案下水泥穩定碎石基層材料對應的疲勞壽命有較大差異，其中，9 mm+0.25%和12 mm +0.15%對應的水泥穩定碎石基層材料疲勞壽命較高。當應變水平為0.65 με時，其對應的疲勞壽命較普通水泥穩定碎石基層材料疲勞壽命分別增長55.73%和23.39%;當應變水平為0.70 με時，其對應的疲勞壽命較普通水泥穩定碎石基層材料疲勞壽命分別增長38.68%和23.65%。總的來看，聚丙烯纖維的摻入在一定程度上是能夠提升材料疲勞壽命及其他性能的，但需要嚴格對外摻聚丙烯纖維的長度和摻量進行研究和控制。通過對其抗壓強度、干燥收縮、溫度收縮及疲勞壽命測試結果來看，9 mm+0.25%和12 mm+0.15%纖維組合方案對材料性能的提升是有益的。

3 結語

本研究將不同長度及摻量下的聚丙烯纖維外摻到水泥穩定碎石基層材料中，研究其對抗壓強度、干燥收縮、溫度收縮、疲勞壽命的影響。研究表明：9 mm+0.25%和12 mm+0.15%的聚丙烯纖維組合方案對于水泥穩定碎石基層材料性能的提升具有較大影響。研究可以為水泥穩定碎石基層材料性能綜合提升提供借鑒參考價值。

參考文獻：

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作者簡介：韋遠思（1979—），工程師，研究方向：公路工程。