玄武巖纖維對水泥碎石銑刨料的路用性能影響研究

常江峰

（新疆鐵道勘察設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

對舊水泥穩定碎石銑刨料回收再用于路面建設，既能夠解決廢棄材料處理難的問題，又能減少天然砂石原材料的消耗，還能節約道路建設成本。但銑刨料回收利用循環次數過多就有可能導致其水泥穩定料用于路面建設時出現干縮開裂，凍融循環壽命低的現象。因此提升水泥穩定銑刨料路用性能，合理將銑刨料用于公路建設是目前比較重要的一門研究課題。針對水泥穩定銑刨料路用性能提升問題，國內很多學者進行了一系列研究，如付魯鑫等人嘗試提前將銑刨料進行酸處理，以增加其性能，并設計試驗證實了當水泥劑量為3%~7%時，采用酸處理銑刨料所制備的水泥穩定再生集料，其抗壓強度，劈裂強度均能滿足二級及二級以下公路基層強度要求，可以用作二級及二級以下公路基層集料；田源則從銑刨料摻量出發，證實水泥穩定再生料混合物路用性能與銑刨料摻量有很大關系，合理選擇銑刨料摻量能夠增加水泥再生料使用壽命。以上專家的研究在一定程度上提升了銑刨再生料的路用性能，但并未解決銑刨料干縮開裂，抗凍融壽命短的問題。基于此，本文嘗試以玄武巖纖維為主要原料，對銑刨料的路用性能進行優化，為銑刨料道路建設提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

本試驗所用主要材料為：水泥（河南昊耐建材有限公司，P.O42.5）；玄武巖纖維（山東浩森新材料有限公司，長度18 mm）；銑刨料（福州八方道路工程有限公司，規范）；普通砂（靈壽縣盛飛礦產品加工廠，一級）。

本試驗所用主要設備為：萬能試驗機（濟南川佰儀器設備有限公司，WEW）；混凝土收縮儀（滄州億軒試驗儀器有限公司，HSP-355）；鼓風干燥箱（河北朵麥信息科技有限公司，101-2A）；快速凍融試驗箱（獻縣天健儀器有限公司，TDR-1）。

1.2 配合比設計

配合比設計如表1所示。

表1 試驗配合比設計Tab.1 Design of test match ratio

其中銑刨料摻量為銑刨細集料與天然粗集料摻配方式。FCRA代表玄武巖纖維水泥穩定銑刨料；CRA代表水泥穩定銑刨料（無纖維）；CNA代表普通水泥穩定碎石（無纖維、無銑刨料）。

1.3 實驗方法

（1）按照配合比計算每種原材料的質量，然后進行稱重；

（2）采取人工拌和的方式， 提前將粗集料和細集料混合均勻，干拌30 s后加入玄武巖纖維，繼續攪拌2 min；

（3）在拌合物中加入水泥，繼續干拌1 min，待拌合物攪拌均勻后，加入全部用水量，繼續攪拌1 min，裝入模具。攪拌流程如圖1所示。

圖1 水泥試件攪拌流程圖Fig.1 Flow chart of cement sample mixing

（1）靜壓法圓柱形試件制備。

提前在模具內側和墊片周圍涂抹少量的液壓油，將厚度為2 cm的墊片放入模具兩邊筒壁，分3次倒入攪拌均勻的拌合物。倒入一層后用搗棒由內而外搗實，然后用WEW型萬能試驗機對試件進行靜壓，加載速率為1 mm/min。待兩個墊片完全壓入石墨套筒后，穩定2 min后將試件從萬能試驗機取下。將試件移至干燥通風處放置5 h以上。將脫模試件置于標準養護室養護至指定齡期， 養護溫度和相對濕度分別為20℃和98%。在養護齡期最后一天進行浸水養護，浸水溫度為20℃，在浸水時要注意保證水面高于試件2.5 cm左右。

（2）振動擊實成型梁形試件制備。

提前在模具內涂刷一層液壓油，并鋪墊一層塑料薄膜。分5次將混合物料進行填料，每次填料都需要震實后再次填料擊實。試件成型后，干燥通風處放置6 h以上，試件養護與圓形試件養護一致。

1.4 性能測定

參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》相關方法對試件無側限抗壓強度進行測定。具體步驟為：

（1）以靜壓法制備壓實度為98%，尺寸為φ150 mm×150 mm的圓柱形試件每組13個。按照標準養護方法養護至指定齡期；

（2）將WEW型萬能試驗機設置為位移控制，控制速度為1 mm/min、目標值為300 kN；

（3）將試件放在WEW型萬能試驗機上，萬能試驗機上壓片與試件接觸。設置萬能試驗機為位移控制，調整試件位置后打開萬能試驗機，開始對試件施加荷載，速度和目標值為1 mm/min，300 kN。待試件破壞后，停止施加荷載，記錄試件承受的最大荷載；

（4）抗壓強度代表值以95%保證率進行計算，具體計算方式為：

式中：表示試件破壞時最大荷載；表示試件截面積，這里取17 662.5 mm；R表示試件無側限抗壓強度；R表示一組平均無側限抗壓強度；C表示變異系數；表示一組試件的標準差；R表示95%保證率的抗壓強度代表值。

參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》測定試件干縮性能。具體步驟為：

（1）以振動擊實成型的方法制備尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的梁形試件，每組6個。按照標準養護方法養護至指定齡期；

（2）擦拭試件，并稱重。然后放在混凝土收縮儀上，并將千分表固定在試件上；

（3）將試件和收縮儀置于標準試驗室內，室內溫度和相對濕度分別20℃和65%。7 d前每天記錄千分表讀數和試件質量變化。7~30 d，隔兩天記錄千分表讀數和試件質量變化；后期每10 d記錄一次讀數和質量變化；

（4）干縮觀測結束后，將試件置于101-2A型鼓風干燥箱內烘干至恒重。

干縮性能表達式為：

式中：w表示第次失水率；表示第i次干縮應變；m表示第次標準試件稱重質量；表示第次觀測干縮量；ɑ表示第i次干縮系數；l表示標準試件長度；X 表示第次測試第個千分表讀數；m表示標準試件烘干后質量。

參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中凍融試驗方法進行凍融試驗。具體步驟為：

（1）以靜壓法制備φ150 mm×150 mm，壓實度98%，圓柱形試件。按照標準養護方法養護至指定齡期；

（2）將需要凍融的試件置于TDR-1型快速凍融試驗機內進行低溫凍結，凍結溫度和時間分別為-18℃和16 h。在放置試件時，試件間間隙為20 mm；

（3）將凍融試件取出后立刻放入水中，水面離與試件頂距離為20 mm，融化時間為8 h，所有步驟結束后為一個循環，同樣方式循環5次，完成試驗；

（4）測定不凍融試件的飽水無側限抗壓強度。抗凍指標表達式為：

式中，表示凍融循環后，試件抗壓強度損失；R表示不動容試件飽水無側限抗壓強度；R表示5次凍融循環試件的無側限抗壓強度。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度測試結果

圖2為不同齡期試件無側限抗壓強度試驗結果。由圖2可知，3種混合料試件抗壓強度均隨齡期的增加而增加。養護早期（28 d前），所有混合料試件抗壓強度增長速度較快，且隨養護時間增加，增長速率變緩。當養護齡期為60 d時，抗壓強度達最終強度的95%。這是因為在養護早期，混凝土內部發生劇烈水化反應，生成硅酸鈣膠凝材料，得到纖維板塊晶體，使得混合料變成整體，使得抗壓強度增加。養護齡期超過28 d后，水泥水化反應減弱，因此抗壓強度逐漸趨于平緩。

圖2 不同齡期混合料無側限抗壓強度Fig.2 Unconfined compressive strength of mixture at different ages

分別對比3種混合料強度變化可知，FCRA比CRA各齡期抗壓強度均有所增強，但增強效果不是很明顯，且隨齡期的變化，兩者變化趨勢一致。在養護齡期60 d前，FCRA和CRA的抗壓強度均明顯高于CNA，當養護齡期達到60 d時，雖然FCRA和CRA抗壓強度仍舊高于CNA，但3個混合料抗壓強度值接近，且變化逐漸趨于一致。這就說明銑刨料對混合物早期抗壓強度增強作用較為明顯，纖維對混合物抗壓強度有一定增強作用，但增強效果不大。

2.2 干縮試驗結果

圖3、圖4分別表示混合料失水率和干縮系數隨齡期變化情況。

圖3 失水率變化Fig.3 Change of water loss rate

圖4 干縮系數變化Fig.4 Variation of drying shrinkage coefficien

結合圖3、圖4可知，混合料失水率和干縮系數隨齡期的增加，變化趨勢幾乎一致。以28 d為明顯分界線，在28 d前，增長幅度較高，28 d后，基本趨于平緩。這是因為養護齡期28 d前，混合料強度未固定，同時受內外環境影響，因此失水率和干縮系數變化較為明顯；養護齡期28 d后，混合料強度幾乎已經固定，內部自由水基本消失，對干縮變形有一定約束，因此失水率和干縮系數逐漸趨于平緩。

對比3種混合料失水率和干縮系數變化可知，CRA和CNA 90 d干縮系數分別為（128.65×10）%和（110.4×10）%；CRA混合料干縮系數比CNA混合料干縮系數高16%左右，證明銑刨料對混合料干縮性能有一定影響，可能引起混合料干縮開裂。而FCRA 90 d干縮系數為（115.68×10）%，比CRA 90 d干縮系數降低12%左右，證實摻入纖維后，能夠改善銑刨料帶來的干縮開裂的問題，使得混合料的干縮系數與普通水泥穩定碎石接近。

2.3 凍融試驗結果

圖5為的3種混合料凍融循環前后無側限抗壓強度變化。

圖5 凍融循環結果Fig.5 Results of freeze-thaw cycle

由圖5可知，經凍融循環后，3種混合料的無側限抗壓強度都有所下降。這是因為在凍融循環過程中，在混合料內部空隙中有大量自由水滯留，在凍融結冰時，混合料內部自由水產生較大體積膨脹，出現擠壓應力，對混合料整體結構與內部連接作用力產生一定破壞。5次循環后，對試件強度造成一定損失。

分別對比3種混合料凍融強度損失，CNA抗壓強度損失為13.72%；CRA抗壓強度損失為25.06%。出現此現象的原因為：銑刨料比天然集料空隙率較高且吸水率相對較大，因此在凍融循環過程中，水結冰產生膨脹應力較大，更容易破壞混合料內部結構，使銑刨混合料抗凍融性能較弱。而摻加纖維后，FCRA混合料的抗壓強度損失僅為10.32%。這是因為纖維能夠填充水泥和集料間的孔隙，進而減少混合料內部孔隙水的含量，使得內部水結冰形成的應力有所降低；另外，加入纖維后，纖維與集料間嵌擠和摩擦作用對膠體整體性和穩定性都有增強作用，進而增強了混合料的抗凍性能，彌補了銑刨料對抗凍融性能的不良影響。

3 結語

本文以摻加玄武巖纖維的方式對銑刨料水泥穩定路用性能進行優化。并考察了對其性能的影響因素。具體結論如下：

（1）隨齡期的增加，3種混合料試件抗壓強度均表現為上升趨勢，滿足半剛性基層材料的特點。早期刨銑料試件抗壓強度明顯高于天然集料試件，后期強度趨于一致，證實銑刨料對混合物早期抗壓強度增強作用較為明顯；

（2）銑刨料試件90 d干縮系數為（128.4×10）%，比天然集料試件干縮系數高約16%，可能造成干縮開裂現象。摻入纖維后，干縮系數降至（115.68×10）%。說明纖維能夠有效改善銑刨料干縮開裂現象；

（3）銑刨料試件抗凍融試驗后，無側限抗壓強度損失率高達25.06%；摻入玄武巖纖維后，強度損失降低至10.32%。不僅彌補了銑刨料對試件抗凍融性能的影響，還進一步增強了水泥穩定混合料的抗凍性能。

綜上所述，在水泥穩定銑刨混合料中摻加一定質量的玄武巖纖維，能夠有效提升混合料路用性能。增強其抗凍性能，改善其干縮開裂現象。