聚丙烯纖維改善水泥穩(wěn)定建筑垃圾收縮抗裂性能研究

黃小芬

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州市 510507)

0 引言

將建筑垃圾應(yīng)用于水穩(wěn)碎石基層中，不但能減少建筑垃圾對環(huán)境的污染，還能降低天然石料資源的耗費(fèi)，具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。然而，建筑垃圾壓碎值大、吸水率高，對水泥穩(wěn)定建筑垃圾的路用性能造成不利的影響，進(jìn)而限制了建筑垃圾的實(shí)際應(yīng)用[1-3]。肖杰[4]、孫吉書[5]的研究表明：建筑垃圾吸水率大、壓碎值高，隨著建筑垃圾摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的路用性能逐漸降低；但其力學(xué)性能仍能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，而其抗裂性能、耐久性能限制了水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的應(yīng)用。馬士賓[6]、楊明[7]等人發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石中摻加聚丙烯纖維可以較為經(jīng)濟(jì)、強(qiáng)效地改善其路用性能。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明：建筑垃圾的物理力學(xué)性能較低，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定建筑垃圾的路用性能較差，尤其是水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗裂性能較差，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的使用壽命較短，容易出現(xiàn)開裂病害。因此，目前水泥穩(wěn)定建筑垃圾多用于二級及以下道路的基層或高速公路、一級公路的底基層中，對建筑垃圾在高速公路基層中的應(yīng)用研究還較少，建筑垃圾的摻量也較低[8-9]。通過7d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)優(yōu)選聚丙烯纖維的較佳摻量和長度，并通過干縮抗裂性能試驗(yàn)、溫縮抗裂性能試驗(yàn)，研究摻加聚丙烯纖維對水泥穩(wěn)定建筑垃圾收縮抗裂性的影響，為增大建筑垃圾的摻量、提高水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的使用壽命、推廣水泥穩(wěn)定建筑垃圾在高等級公路基層中的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)所用的水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，建筑垃圾的技術(shù)性質(zhì)測試結(jié)果如表1所示。

表1 建筑垃圾和天然碎石的物理力學(xué)性能

建筑垃圾中的細(xì)集料含量較高，在進(jìn)行水泥穩(wěn)定建筑垃圾的級配設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該將建筑垃圾重新篩分后再調(diào)整級配，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的級配如表2所示。

表2 碎石和建筑垃圾的級配

所用聚丙烯纖維彈性模量為2.9GPa，斷裂延伸率為21%，具有無吸水性、耐腐蝕、成本低、與水穩(wěn)碎石結(jié)合性好等特點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)方案

通過水泥穩(wěn)定建筑垃圾的組成設(shè)計(jì)試驗(yàn)優(yōu)選出聚丙烯纖維的摻量和長度，并通過干縮抗裂性能試驗(yàn)、溫縮抗裂性能試驗(yàn)，研究纖維對水泥穩(wěn)定建筑垃圾路用性能的影響。試驗(yàn)方法均參考《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)，其中，干縮抗裂性能試驗(yàn)齡期為28d，溫縮性能試驗(yàn)齡期為7d，溫縮試驗(yàn)采用平均溫縮系數(shù)來評價(jià)，溫度范圍為30～-10℃。

2 水泥穩(wěn)定建筑垃圾混合料組成設(shè)計(jì)

取建筑垃圾摻量為100%，水泥劑量為4.5%，聚丙烯纖維摻量為0.06%、0.09%、0.12%、0.15%，纖維長度為9mm、15mm、24mm，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，并通過7d抗壓強(qiáng)度優(yōu)選出較佳的纖維摻量和長度。水泥穩(wěn)定建筑垃圾的7d抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表3所示。

表3 水泥穩(wěn)定建筑垃圾7d抗壓強(qiáng)度(MPa)

由表3可知，隨著纖維長度的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的7d抗壓強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)纖維長度為15mm時(shí)，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的7d抗壓強(qiáng)度最大。纖維長度較短時(shí)，纖維對不同的水泥水化產(chǎn)物不能充分地包裹連接，對水穩(wěn)碎石的整體強(qiáng)度影響較小；纖維長度較大時(shí)，纖維的數(shù)量也變少，且較長的纖維難以拌和均勻，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。隨著纖維摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，纖維摻量為0.09%時(shí)，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗壓強(qiáng)度最大。纖維摻量過小時(shí)，纖維無法在水穩(wěn)碎石內(nèi)部形成整體的亂向分布體系，無法起到連接固定的作用；纖維摻量過大時(shí)，纖維易結(jié)團(tuán)、散布不均勻，且阻礙了水泥石的相互粘結(jié)，導(dǎo)致水穩(wěn)碎石強(qiáng)度下降。

基于以上研究，選取建筑垃圾摻量為0、25%、50%、75%、100%，水泥劑量為4.5%，纖維長度為15mm，纖維摻量為0、0.09%，進(jìn)行水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗裂性能試驗(yàn)研究。

3 收縮抗裂性能試驗(yàn)

3.1 干縮抗裂性能試驗(yàn)

干縮抗裂試驗(yàn)結(jié)果如表4、圖1所示。

表4 水泥穩(wěn)定建筑垃圾的干縮抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

由表4、圖1可知，隨著建筑垃圾摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28d干縮系數(shù)逐漸增大。不摻加纖維時(shí)，100%建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28d干縮系數(shù)比普通水穩(wěn)碎石增大了36.1%。建筑垃圾的吸水率遠(yuǎn)高于普通碎石，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定建筑垃圾的早期失水率偏大，對水泥穩(wěn)定建筑垃圾的干縮抗裂性能造成了不利的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)重視水泥穩(wěn)定建筑垃圾混合料的早期養(yǎng)生，以控制混合料的干縮變形。摻加纖維后，不同建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28d干縮系數(shù)均降低，建筑垃圾摻量為100%時(shí)，摻纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28d干縮系數(shù)比不摻纖維的水泥穩(wěn)定建筑垃圾降低了19.4%。摻加纖維后，水穩(wěn)碎石的空隙率降低，水分散失速度降低，進(jìn)而降低了水泥穩(wěn)定建筑垃圾的失水收縮變形；此外，聚丙烯纖維出色的抗變形能力也降低了水泥穩(wěn)定建筑垃圾的收縮變形，進(jìn)而大幅度改善了水穩(wěn)碎石的干縮抗裂性能。

3.2 溫縮抗裂性能試驗(yàn)

溫縮抗裂試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖2所示。

表5 水泥穩(wěn)定建筑垃圾的溫縮抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

由表5、圖2可知：隨著建筑垃圾摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的平均溫縮系數(shù)逐漸增大。不摻加纖維時(shí)，100%建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾的平均溫縮系數(shù)比普通水穩(wěn)碎石增大了31%。建筑垃圾中含有大量水泥砂漿、磚塊等，這些物質(zhì)的溫度膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于碎石，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定建筑垃圾的溫縮性能較差。摻加纖維后，不同建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾的平均溫縮系數(shù)均降低，建筑垃圾摻量為100%時(shí)，摻纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾的平均溫縮系數(shù)比不摻纖維的水泥穩(wěn)定建筑垃圾降低了7.3%。摻加纖維后，聚丙烯纖維出色的抗變形能力也降低了水泥穩(wěn)定建筑垃圾的收縮變形，進(jìn)而改善了水泥穩(wěn)定建筑垃圾的溫抗裂性能。

4 結(jié)論

(1)摻加聚丙烯纖維后，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗壓強(qiáng)度增大，纖維摻量為0.09%、長度為15mm時(shí)，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的7d抗壓強(qiáng)度最高。

(2)摻加聚丙烯纖維后，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的收縮抗裂性能均有不同程度的提高。建筑垃圾摻量為100%時(shí)，摻纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28d干縮系數(shù)、7d溫縮系數(shù)分別比不摻加纖維的水泥穩(wěn)定建筑垃圾降低了19.4%、7.3%。

(3)隨著建筑垃圾摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的收縮抗裂性能逐漸降低。不摻加纖維時(shí)，100%建筑垃圾摻量的水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28d干縮系數(shù)、7d溫縮系數(shù)分別比普通水穩(wěn)碎石增大了36.1%、31%。