聚乙烯醇纖維增強水穩(wěn)碎石基層抗裂性能的研究

劉恩富

中建七局第二建筑有限公司，安徽合肥 230001

聚乙烯醇纖維增強水穩(wěn)碎石材料，是一種脫胎與半剛性的材料，在以往的研究與建設(shè)當(dāng)中得知，半剛性材料具備強度高、剛度大、抗沖刷能力強等優(yōu)點。但半剛性材料的缺陷十分明顯，即抗裂性能較弱，在長久的應(yīng)用之下，很容易導(dǎo)致道路結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，而為了對此進行改善，相關(guān)研究在半剛性材料基礎(chǔ)上，研發(fā)出了聚乙烯醇纖維增強水穩(wěn)碎石材料，在理論上，此材料的抗裂性能相對較高，但因為其實際應(yīng)用較少，所以抗裂性能的可靠性相對不足。

1 聚乙烯醇纖維增強水穩(wěn)碎石材料基層抗裂性能研究

1.1 力學(xué)性能實驗

本文對聚乙烯醇纖維增強水穩(wěn)碎石材料的力學(xué)性能進行研究，研究主要參考《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》來進行研究。研究為了保障代表性，采用了不同長度聚乙烯醇纖維，纖維長度0、18、30mm，其中0mm代表不摻入聚乙烯醇纖維的原有結(jié)構(gòu)。

1.2 力學(xué)性能道路結(jié)構(gòu)有限元模型構(gòu)建

為了進行對比，本文參考了某實例工程，該工程原有水泥穩(wěn)定碎石基層厚度為56cm，進而本文在此條件下進行有限元模型構(gòu)建[1]。本文的有限元模型構(gòu)建主要分為兩個部分，第一個為初始階段，即構(gòu)建出第一個模型之后，通過Abaqus軟件對模型進行分析，分析結(jié)果顯示第一個模型過于復(fù)雜，有必要進行簡化，進而本文開始了第二階段的模型構(gòu)建，最終構(gòu)建出簡化的道路結(jié)構(gòu)模型。

1.3 聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強度實驗

依照上述的有限元模型，對聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強度進行實驗，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石不同齡期試樣的劈裂強度

通過表1可以看出，在聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石方面，其劈裂強度隨時間增長而增長，在于上述普通的水泥穩(wěn)定碎石有限元模型相比，其劈裂強度得到了明顯的提高。而在不同長度的聚乙烯醇纖維方面，其因為聚乙烯醇纖維的作用，水泥穩(wěn)定碎石材料的強度增長形成了規(guī)律性，而這樣說明聚乙烯醇纖維的劈裂強度與纖維長度之間存在線性關(guān)系，因此，說明聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石具備了提高工程結(jié)構(gòu)劈裂強度的能力，有助于抗裂性能的增長。

1.4 聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量試驗

基于理論了解到，材料的剛度代表著材料對外力的抵抗能力，當(dāng)材料受到外界壓力時，材料本身的剛度將決定材料的是否變形、變形程度，而如果變形程度過大，就可能會導(dǎo)致斷裂現(xiàn)象，因此材料的剛度與抗裂性能有密切聯(lián)系[2]。本文為對聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石的剛度進行研究，采用了抗壓回彈模量試驗法。

實驗當(dāng)中，針對上述有限元模型進行了兩次實驗，即對原有模型進行一次實驗、對摻入不同長度的聚乙烯醇纖維進行一次實驗，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 原有模型與不同長度聚乙烯醇纖維有限元模型抗壓回彈模量試驗法結(jié)果

結(jié)合表2可以看到，原有的有限元模型在摻入不同長度的聚乙烯醇纖維之后，其抗壓回彈模量在逐漸下降，并隨著聚乙烯醇纖維長度增長，聚乙烯醇纖維的抗壓回彈模量下降程度越多，這說明在聚乙烯醇纖維的作用下，能夠有效提高結(jié)構(gòu)的剛度，聚乙烯醇纖維長度越大則剛度越大。

2 水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)抗裂性分析

下文在上述有限元模型之下，對水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)抗裂性進行直接分析。

2.1 應(yīng)力強度因子分析

實際應(yīng)用上，在水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)建設(shè)的一系列過程當(dāng)中，其難免會出現(xiàn)工程裂縫，而工程裂縫會在一定程度上產(chǎn)生擴張，如果水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)不具備良好的抗裂性能，那么工程裂縫的擴張就可能難以抑制，導(dǎo)致大面積裂縫現(xiàn)象，不利于結(jié)構(gòu)質(zhì)量。但水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)的抗裂性能來自于多個方面，例如，劈裂強度、剛度等，在多項性能的應(yīng)力強度因子影響下，才能形成良好的抗裂性能。本文為了了解水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強度因子，結(jié)合上述有限元結(jié)構(gòu)，對三種不同的裂縫現(xiàn)象進行分析。

裂縫現(xiàn)象可以分為三種，即張開型、滑開型、撕開型。張開型的裂縫應(yīng)力方向是由下至上，所以要對此進行抑制，水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)就應(yīng)當(dāng)具備由上至下的應(yīng)力強度因子；滑開型的裂縫應(yīng)力方向是前后同時進行，所以要對此進行抑制，水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)就應(yīng)當(dāng)具備相反的應(yīng)力強度因子；撕開型的裂縫應(yīng)力方向是由左至右，所以要對此進行抑制，水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)就應(yīng)當(dāng)具備相反的應(yīng)力強度因子。

為了對水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)的抗裂性能進行分析，本文在上述有限元模型的基礎(chǔ)上，同樣增加了不同長度的聚乙烯醇纖維，再人工制造相應(yīng)的裂縫現(xiàn)象，并逐漸加大裂縫產(chǎn)生的力度，力度值為1.0、1.2MPa，以此觀測聚乙烯醇纖維對三種裂縫的抵抗應(yīng)力，了解聚乙烯醇纖維的應(yīng)力強度因子。實驗結(jié)果顯示，聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石在聚乙烯醇纖維的應(yīng)用之下，隨著長度的增長，其抵抗裂縫的應(yīng)力強度因子就越高，而隨著施加力度的提高，應(yīng)力強度因子的數(shù)值就越低，但這屬于正常的力學(xué)現(xiàn)象，而且其數(shù)值降低的程度不大，說明聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石具有良好的應(yīng)力強度因子，提高了結(jié)構(gòu)的抗裂性能。

2.2 抗裂耐久性分析

因本文研究主要以實際道路結(jié)構(gòu)使用為背景，所以需要考慮到長時間使用后的抗裂性能，因此進行了抗裂耐久性分析。本文主要采用直接拉伸實驗方法來對抗裂耐久性進行分析，采用統(tǒng)一18mm聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石樣品，通過拉伸設(shè)備，對樣品進行直接拉伸5次，之后將樣品放置5h之后，進行了上述三種裂縫抗裂性能實驗。實驗結(jié)果顯示在直接拉伸之后，聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石的應(yīng)力強度因子相對下滑，但程度不大，并同樣屬于正常力學(xué)變化，因此說明聚乙烯醇纖維可提高水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能，能夠有效增強我國道路建設(shè)質(zhì)量。

3 結(jié)語

本文研究目的在于證實聚乙烯醇纖維是否可增強水穩(wěn)碎石基層抗裂性能，結(jié)果顯示聚乙烯醇纖維可提高水穩(wěn)碎石的劈裂強度、剛度，可間接提高抗裂性能，最終對聚乙烯醇纖維的抗裂性能進行了直接分析，主要針對其中應(yīng)力強度因子、抗裂耐久性進行分析，結(jié)果顯示聚乙烯醇纖維能夠增強水穩(wěn)碎石基層抗裂性能。