摻纖維水泥穩定再生集料的路用性能分析

■楊晨筱

（山西協力公路工程監理有限公司，晉中 030600）

據不完全統計， 近年來95%以上的瀝青路面基層是采用水泥穩定碎石基層，隨著國家對環保力度的不斷加強，石料開采量受到限制，市面上的碎石價格日益上漲，導致道路的建設費用不斷加大[1-3]。 早年修建的道路大多已到了改擴建或翻修階段，在此過程中產生大量的舊料堆砌或被填埋， 對環境造成了污染，同時也是對土地資源和石料資源的嚴重浪費[4-5]。研究表明[6]，舊路經銑刨產生的水泥穩定碎石材料強度較低，經過破碎、分級處理后用于新建道路的基層或底基層很容易發生收縮開裂，并逐漸反射到瀝青面層。 為了改善銑刨料的力學強度和抗裂性能，通常在銑刨料中加入一部分新集料或者添加劑。 許云龍[7]通過不同比例的銑刨料代替天然集料，加入一定比例聚酯纖維用于水泥穩定碎石基層，研究了再生集料用量，結果表明再生集料用量為60%、纖維體積摻量為0.8%時的水穩定再生集料力學強度和抗縮裂性能最好。 郭立成等[8]研究了聚酯纖維摻量對于水泥穩定再生集料的強度、 抗沖刷和干縮性能，發現聚酯纖維對于水泥穩定再生集料的抗壓和抗拉強度具有增強作用，并能明顯改善其抗沖刷和降低干縮變形的性能。 為提高水泥穩定再生集料的路用性能，本文從玄武巖纖維用量方面進一步研究了水泥穩定再生集料的力學性能和抗裂性能。

1 原材料與配合比

1.1 原材料

水泥選用佛山海螺牌42.5R 普通硅酸鹽水泥，技術性能見表1。 纖維材料采用浙江某新材料有限公司提供的玄武巖纖維，平均長度為12 mm，呈褐色單絲束狀，直徑約在8.9 μm，抗拉強度為3000～4800 MPa，斷裂伸長率為1.6%～3.1%。 再生集料是選自武陟縣迎賓大道現狀水泥穩定碎石基層，經銑刨、 破碎和篩分得到4 檔集料， 粒徑分別為0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm 和19～31.5 mm；天然粗集料選用石灰巖碎石， 規格與再生集料一致；細集料采用0～5 mm 粒徑的石灰巖石屑。 按照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》中的試驗方法對各檔天然集料和再生集料的技術指標進行測試，其結果見表2、3。

表1 普通硅酸鹽水泥指標性質

表2 粗集料技術性能

表3 細集料技術性能

1.2 配合比

采用JTG/T F20—2015 《公路路面基層施工技術細則》并參考已有研究成果[4]確定本次試驗混合料級配，其合成級配見表4。 結合工程實踐，水泥摻量一般在3.0%～6.0%，本次試驗中水泥用量均采用4.5%，玄武巖纖維（BF）分別取0.6‰、0.9‰和1.2‰（占混合料總質量的百分比）。

表4 混合料合成級配

2 路用性能分析

為了更好地研究玄武巖纖維摻量及其對再生集料混合料各方面路用性能的影響，本文將通過試驗分別從抗壓強度、劈裂強度、抗裂性和抗凍性等方面對摻玄武巖纖維的水泥再生集料性能進行分析，試驗將不摻纖維的天然集料作為對照組。

（1）無側限抗壓強度

室內成型直徑和高度為150 mm 的圓柱體試件，并在標準養生室內養護至28 d，然后浸沒在水中24 h， 采用電液伺服萬能材料試驗儀進行測試，測試加載速率為1 mm/min，通過試驗可直接得到試件破壞時最大荷載值，通過單位面積上的最大荷載換算為抗壓強度值，其結果如圖1 所示。

圖1 無側限抗壓強度試驗結果

從圖1 看出，不摻纖維的水泥穩定再生集料的抗壓強度相比天然集料小1.13 MPa，天然集料相對高了22.1%，在加入纖維后再生集料抗壓強度有一定幅度增加，且在纖維摻量為1.2‰時的抗壓強度最大，但此時相對不摻纖維的再生集料抗壓強度僅提高了6%。 說明水泥穩定再生集料的強度相對天然集料較低，且摻入纖維雖然有一定改善作用，但作用不明顯。 水泥再生集料抗壓強度較低的原因主要在于銑刨料自身強度低于天然集料，從前文原材料表2、3 中吸水率、壓碎值、針片狀含量和堅固性等指標值即可看出。 而且再生集料經破碎、篩分后集料表面依然存在少量的水泥砂漿， 對于水泥漿—再生集料界面粘結性有一定影響。 加入纖維后可改善混合料的孔隙結構和密實度，提高水泥漿—再生集料界面粘結性，因此加入纖維后抗壓強度有略微提升。 此外試驗過程中發現不摻纖維的天然集料或再生集料在加載時試件破壞時間很短，顯示出一定的脆性破壞，而加入纖維后的再生集料試件破壞時間略長，表現出一定的塑性。

（2）劈裂強度

采用電液伺服萬能材料試驗儀對不同纖維摻量的水泥再生穩定碎石進行試驗，試件規格為Φ150 mm×h150 mm，養生時間為28 d，測試加載速率為1 mm/min，通過試驗得到的最大壓力值可間接換算為劈裂強度，結果見圖2。

圖2 劈裂試驗結果

從圖2 可以發現，不摻纖維時再生集料與天然集料劈裂強度相差61%，隨著玄武巖纖維的加入，混合料劈裂強度先增大后減小，在纖維摻量為0.9‰時劈裂強度為0.71，已基本接近天然集料的劈裂強度0.74，說明適量的玄武巖纖維可以提高水泥穩定再生集料的劈裂強度。 一方面是由于玄武巖纖維的加入填充了再生集料的空隙， 增加了混合料密實度，改善了水泥漿—再生集料界面粘結性能；另一方面是由于玄武巖纖維自身較高的抗拉強度和抗變形韌性承擔了一部分拉應力， 增強了混合料的抗裂性。但當纖維用量超過一定限度時由于纖維很容易發生結團現象，并且沒有足夠的水泥漿包裹，一定程度上降低了水泥漿與再生集料的粘結性， 因此，水泥漿—再生集料界面處很容易產生破壞。

（3）抗裂性

按照JTG E51—2009 《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中T0854-2009 和T0855-2009 試驗方法，采用儀表法分別對混合料試件進行干縮和溫縮試驗，室內成型100 mm×100 mm×400 mm 的梁式試件，并置于（20±2）℃及濕度不小于95%的環境箱中養護7 d， 其中第7 d 浸水養護， 然后按照T0854-2009 和T0855-2009 試驗步驟進行測試，本文中干縮試驗采用失水率和干縮系數指標評價，溫縮試驗采用平均溫縮系數評價，其結果分別見圖3～5。

圖3 各混合料失水率隨齡期變化規律

從圖3 和圖4 可以看出， 隨著齡期的增加，混合料試件的失水率和干縮系數在逐步增大，且在齡期28 d 前的變化率較大， 齡期超過28 d 后逐漸變得較為平緩。 在同一齡期下，天然集料對應的混合料試件的干縮系數和失水率最低，而不摻纖維的水泥穩定再生集料相對最大，加入纖維后隨著纖維用量的增加，其失水率和干縮系數逐漸減小。 說明單純的水泥穩定再生集料產生干縮開裂的可能性較大，但加入玄武巖纖維后可以有效抑制或是降低混合料試件因濕度變化過大或水分蒸發過快引起的干縮開裂。 一方面由于再生集料的孔隙率比較大，其自身的吸水性也就較高， 相對應的失水率也越大；另一方面纖維加入后降低了再生集料混合料的孔隙率，部分毛細水消散的通路被擋住，而且無定向分布的纖維絲與水泥漿形成的空間網絡交織體系對于混合料的干縮形變也有一定的制約作用。

圖4 各混合料干縮系數隨齡期變化規律

從圖5 可以看出，隨著齡期的增加，混合料試件的溫縮系數逐漸增大，且在齡期28 d 前的變化速率較大，之后趨于平緩。 相對于天然集料，不摻纖維的水泥穩定再生集料的溫縮系數相對較大，加入纖維后溫縮系數明顯降低，且隨著纖維用量的增加而逐漸降低。 說明水泥穩定再生集料受溫度變化的影響較大，路面很容易會發生溫縮開裂，纖維可以降低混合料對于溫度變化的敏感性，對于抑制溫縮開裂有一定的效果。

圖5 各混合料溫縮系數隨齡期變化規律

（4）抗凍性

本文采用凍融前后的抗壓強度損失和劈裂強度損失進行綜合評價，試件尺寸為Φ150 mm×h150 mm，養生時間為28 d，凍融循環次數為5 次，每次凍融均是在-18℃的低溫箱中放置16 h， 然后取出置于20℃水中8 h，之后進行測試，試驗結果見圖6。

圖6 凍融試驗結果

從圖6 看出，無論是抗壓強度損失或是劈裂強度損失，整體變化規律是一致的，不摻纖維的水泥穩定再生集料抗壓強度及劈裂強度分別損失了21.41%、25.37%。隨著玄武巖纖維的加入，抗壓強度和劈裂強度損失指標逐漸提升，當抗壓強度損失指標在纖維摻量為0.9‰、劈裂強度損失指標在纖維摻量為1.2‰時已趨近于天然集料指標值，而且在當纖維用量大于0.9‰之后，纖維用量對于抗凍性指標值已影響不大，甚至劈裂強度損失指標有略微降低趨勢。 說明玄武巖纖維在一定用量范圍內能夠顯著改善水泥穩定再生集料的抗凍性能，但摻量宜控制在0.9‰。 這是由于再生集料的孔隙率和吸水率較大，導致水泥穩定再生集料的整體抗凍性低于天然集料，當加入纖維后，纖維能夠與水泥漿形成交織網狀結構，一定程度地填充了混合料的孔隙，降低了混合料內部孔隙水因凍脹而產生的擠壓應力，增強了混合料的整體穩定性，所以抗凍性明顯提高，但過多的纖維產生結團后影響了水泥漿—再生集料的界面粘結強度，在內部孔隙水凍脹作用下反而不利。

3 結論

（1）水泥穩定再生集料的抗壓強度整體上相對天然集料較低，玄武巖纖維的加入雖然具有一定改善作用，但作用效果有限，纖維加入后再生集料表現出一定的塑性。 （2）隨著纖維用量增加，混合料試件劈裂強度先增大后減小，在纖維摻量為0.9‰時劈裂強度為0.71，已基本接近天然集料的劈裂強度0.74， 適量的玄武巖纖維可以提高水泥穩定再生集料的劈裂強度。 （3）在同一齡期下，天然集料對應混合料試件的干縮系數和失水率、 溫縮系數最低，而不摻纖維的水泥穩定再生集料相對最大，隨著纖維用量的不斷加入，其失水率和干縮系數、溫縮系數逐漸減小，玄武巖纖維后可以有效抑制或是降低混合料試件因濕度或溫度變化過快引起的干縮或溫縮開裂。 （4）玄武巖纖維加入后，抗壓強度和劈裂強度損失指標不斷提高， 當纖維用量分別為0.9‰或1.2‰時對應的抗壓強度損失和劈裂強度損失指標值已趨近于天然集料，而且在當纖維用量大于0.9‰之后， 纖維用量對于抗凍性指標值已影響不大，甚至劈裂強度損失指標有略微降低趨勢。