玄武巖纖維對(duì)水穩(wěn)建筑垃圾柔化抗裂性能的改善作用

陳喬森，翟超偉

(1.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； 2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 鄭州市 451464)

0 引言

建筑垃圾在水穩(wěn)碎石基層中的大規(guī)模應(yīng)用，可以節(jié)約石料資源和工程成本、減少對(duì)環(huán)境的破壞[1-2]。李萬舉等[3]認(rèn)為：磚混類建筑垃圾技術(shù)指標(biāo)較低，可用于二級(jí)以下公路底基層，其力學(xué)性能滿足二級(jí)及以下公路底基層指標(biāo)要求。王蒙[4]、孫吉書等[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，水穩(wěn)建筑垃圾的干縮抗裂性能逐漸降低。研究現(xiàn)狀表明：水穩(wěn)建筑垃圾的路用性能較差，尤其是抗裂性能差，導(dǎo)致水穩(wěn)建筑垃圾基層易產(chǎn)生開裂破壞、使用壽命較低。目前僅能將建筑垃圾應(yīng)用于公路等級(jí)較低、交通量較小公路的基層中，且建筑垃圾摻量通常小于50%[6-8]。

水穩(wěn)碎石開裂的最重要原因就是其抵抗變形的能力不足，在荷載作用或收縮變形的作用下，混合料內(nèi)部逐漸產(chǎn)生微裂縫，微裂縫造成的損傷逐步積累，擴(kuò)展為宏觀裂縫，因此，增強(qiáng)水穩(wěn)碎石抵抗變形的能力可以有效地降低水穩(wěn)碎石的開裂破壞[9]。楊明[10]采用玄武巖纖維改善水穩(wěn)碎石的路用性能，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對(duì)水穩(wěn)碎石的路用性能有較強(qiáng)的改善作用，可以顯著提高水穩(wěn)碎石的抗彎拉強(qiáng)度、彎曲韌性以及抗收縮能力，能夠有效地提高水穩(wěn)碎石抵抗變形的能力。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明：水穩(wěn)建筑垃圾的路用性能較差，尤其是抗裂性能不足，導(dǎo)致水穩(wěn)建筑垃圾基層使用壽命較短，進(jìn)而限制了水穩(wěn)建筑垃圾在高等級(jí)公路基層中的應(yīng)用，而玄武巖纖維能夠增強(qiáng)水穩(wěn)碎石的韌性，對(duì)水穩(wěn)碎石具有較好的柔化抗裂作用。通過7d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)優(yōu)選出滿足重交通荷載等級(jí)高速公路基層使用要求的配合比，通過壓折比、抗彎拉韌性評(píng)價(jià)水穩(wěn)建筑垃圾抵抗變形開裂的能力。

1 試驗(yàn)方案

以7d抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，優(yōu)選出滿足重交通荷載等級(jí)下高速公路基層使用要求的水穩(wěn)建筑垃圾配合比，確定玄武巖纖維的較佳摻量，并通過水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比、抗彎拉韌性，研究玄武巖纖維對(duì)水穩(wěn)建筑垃圾柔化抗裂性能的影響。試件的成型、養(yǎng)生、測(cè)試參考《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)的相關(guān)規(guī)定。

1.1 壓折比

壓折比可以在一定程度上反映水穩(wěn)碎石的韌性，壓折比越低，柔韌性能越好，抵抗荷載作用開裂的能力越強(qiáng)，其計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中，抗壓強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度的測(cè)試齡期均為90d，單位為MPa。

1.2 抗彎拉韌性

抗彎拉韌性是評(píng)價(jià)水穩(wěn)碎石在彎拉應(yīng)力下抵抗開裂能力的重要指標(biāo)，表征從施加荷載開始到試件斷裂為止水穩(wěn)碎石混合料吸收的能量，能有效評(píng)價(jià)水穩(wěn)碎石混合料的抗變形能力及在彎拉荷載作用下抗斷裂的能力。參考JSCE(日本土木工程師學(xué)會(huì))所推薦的等效彎拉強(qiáng)度來評(píng)價(jià)水穩(wěn)碎石的抗彎拉韌性，等效抗彎拉強(qiáng)度越大，表明使得水穩(wěn)碎石斷裂所需要的能量越大，水穩(wěn)碎石的抗彎拉韌性越好，抵抗變形的能力越強(qiáng)[16]。計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中：fe—等效彎拉強(qiáng)度(MPa)；

Ω—從開始到撓度為L/150荷載-撓度曲線下的面積(N·mm)；

L—兩支座之間的跨度(mm)；

b—試件的寬和高(mm)；

h—試件的高度(mm)；

δ—L/150。

試驗(yàn)齡期為90d。

2 原材料及組成設(shè)計(jì)

2.1 原材料

水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，建筑垃圾來源于陜西建新環(huán)保科技發(fā)展有限公司，其物理力學(xué)性能測(cè)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

建筑垃圾混合料中細(xì)集料含量較高，在進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)要將建筑垃圾重新篩分后再調(diào)整級(jí)配，參考《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)所推薦的CB-3級(jí)配進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，如表2所示。

表2 碎石和建筑垃圾的設(shè)計(jì)級(jí)配

玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 玄武巖纖維的技術(shù)指標(biāo)

2.2 水穩(wěn)建筑垃圾組成設(shè)計(jì)

取建筑垃圾摻量為0、100%，水泥劑量為3.5%、4.5%、5.5%，纖維摻量為0、0.03%、0.06%、0.09%、0.12%，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水泥劑量。水穩(wěn)建筑垃圾的7d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 7d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，隨著水泥劑量的增大，水穩(wěn)建筑垃圾的抗壓強(qiáng)度逐漸增大；隨著玄武巖纖維摻量的增大，水穩(wěn)建筑垃圾的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，纖維摻量為0.06%時(shí)，7d抗壓強(qiáng)度最大；水穩(wěn)建筑垃圾的抗壓強(qiáng)度顯著低于普通水穩(wěn)碎石，但仍具有較高的抗壓強(qiáng)度。纖維摻量過小時(shí)，纖維無法在水穩(wěn)建筑垃圾內(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)建筑垃圾抗壓強(qiáng)度下降。

參考《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》JTG/T F20-2015表4.2.4可知，水穩(wěn)碎石應(yīng)用于重交通荷載等級(jí)下高速公路基層的7d抗壓強(qiáng)度代表值為4.0～6.0MPa，公路等級(jí)較高時(shí)，推薦取上限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。因此取配合比設(shè)計(jì)指標(biāo)為6MPa，即水穩(wěn)建筑垃圾的7d抗壓強(qiáng)度大于6MPa時(shí)，認(rèn)為水穩(wěn)建筑垃圾能夠滿足重交通荷載等級(jí)下高速公路基層的使用要求。建筑垃圾摻量為100%、水泥劑量為4.5%、纖維摻量為0.06%時(shí)，水穩(wěn)建筑垃圾的7d抗壓強(qiáng)度能夠滿足重交通荷載等級(jí)下高速公路鋪筑上層結(jié)構(gòu)的要求。考慮到水泥劑量過大會(huì)導(dǎo)致水穩(wěn)碎石收縮抗裂性能降低，在水穩(wěn)建筑垃圾力學(xué)性能滿足的情況下，應(yīng)該盡量選取較低的水泥劑量，因此選取建筑垃圾摻量為0、100%，水泥劑量為4.5%，纖維摻量為0、0.03%、0.06%、0.09%，進(jìn)行水穩(wěn)建筑垃圾的柔化抗裂性能試驗(yàn)，以研究玄武巖纖維對(duì)水穩(wěn)建筑垃圾柔化抗裂性能的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 壓折比

90d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、90d抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 壓折比試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知：隨著纖維摻量的增大，90d抗壓強(qiáng)度先增大后減小，90d抗彎拉強(qiáng)度一直增大，但增長幅度逐漸減緩。摻加玄武巖纖維后，水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比大幅度減小，且隨著纖維摻量的增大，壓折比持續(xù)減小，纖維摻量為0.06%的水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比較普通水穩(wěn)碎石減小了6.7%，不摻加纖維的水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比較普通水穩(wěn)碎石增大了16.2%。這表明摻加玄武巖纖維可以有效地增強(qiáng)水穩(wěn)建筑垃圾的韌性，改善其抵抗開裂的能力。

此外，《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50-2017中規(guī)定，90d抗彎拉強(qiáng)度應(yīng)該高于0.9MPa，可見摻加纖維后，水穩(wěn)建筑垃圾的力學(xué)強(qiáng)度能夠滿足規(guī)范要求。纖維摻量為0.06%時(shí)，抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度最大，力學(xué)性能最佳。

3.2 抗彎拉韌性

抗彎拉韌性試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知，摻加纖維后，水穩(wěn)建筑垃圾的等效彎拉強(qiáng)度大幅度提升，且隨著纖維摻量的增大，等效彎拉強(qiáng)度逐漸增大，纖維摻量為0.06%的水穩(wěn)建筑垃圾的等效彎拉強(qiáng)度較普通水穩(wěn)碎石增大了3.9%，不摻加纖維的水穩(wěn)建筑垃圾的等效彎拉強(qiáng)度較普通水穩(wěn)碎石減小了29.4%。這表明摻加玄武巖纖維可以有效地改善水穩(wěn)建筑垃圾抵抗開裂的能力。

表6 等效彎拉強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

加載初期，水穩(wěn)碎石混合料作為一個(gè)整體受力，變形極小，玄武巖纖維基本不起作用；隨著荷載的增大，混合料中逐漸生成微裂縫，纖維開始起到加筋橋接的作用，承擔(dān)了部分彎拉應(yīng)力；隨著微裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展，混合料中的薄弱面上開始出現(xiàn)宏觀裂縫，纖維起到了主要的連接作用；隨著繼續(xù)加載，纖維的承載能力達(dá)到了極限，部分纖維被拉斷，混合料的承載能力開始降低，裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，直到纖維全部被拉斷，形成貫通縫。

4 結(jié)論

(1)摻加玄武巖纖維后，水穩(wěn)建筑垃圾的柔化抗裂性能得到了大幅度增強(qiáng)，纖維摻量為0.06%時(shí)，水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比比不摻加纖維的水穩(wěn)建筑垃圾減小了19.7%、等效彎拉強(qiáng)度增大了47.2%。

(2)隨著玄武巖纖維摻量的增大，水穩(wěn)建筑垃圾的柔化抗裂性能的增長幅度逐漸減小，纖維摻量為0.06%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)水穩(wěn)建筑垃圾的綜合柔化抗裂性能最佳。

(3)玄武巖纖維摻量為0.06%時(shí)，水穩(wěn)建筑垃圾的抗裂性能與普通水穩(wěn)碎石比較接近，其力學(xué)性能、抗裂性能均能滿足重交通荷載等級(jí)高速公路基層的使用要求。