探究聚乙烯醇纖維對水泥穩定碎石抗裂性能的影響

摘要 為改善水泥穩定碎石基層的應用性能，文章從溫縮性能、干縮性能和力學強度性能等指標出發，設計實驗分析不同聚乙烯醇纖維摻量下水泥穩定碎石性能的改良效果。結果顯示，水泥穩定碎石混合料加入聚乙烯醇纖維后，劈裂強度、無側限抗壓強度均得到顯著提升，同時干縮系數和溫縮系數均明顯下降；建議采用0.9%為聚乙烯醇纖維摻量，此時水泥穩定碎石混合料的力學性能和抗裂性能均能達到較高水平，且經濟性良好。

關鍵詞 聚乙烯醇纖維；水泥穩定碎石；抗裂性能；干燥收縮；性能改良

中圖分類號 U414 文獻標識碼 B 文章編號 2096-8949（2025）05-0094-03

0 引言

水泥穩定碎石基層是目前國內高等級公路建設中常用的一種基層結構類型，該類基層結構穩定性較高，強度性能和剛度均處于較高水平[1-2]，但由該類材料成形的公路基層抗裂性能不足，尤其是常用的半剛性基層結構施工完成后，受水泥穩定碎石基層強度形成較慢等因素影響，加上結構失水、材料溫度驟變等環境作用，水泥穩定碎石基層極易產生明顯的干縮應力和溫縮應力[3]，而當應力水平大于結構抗拉強度時，將導致基層干縮開裂和溫縮開裂等問題，將嚴重影響已建成公路的正常運營，帶來潛在安全隱患的同時也增加維修保養費用。

已有研究[4-6]發現，適量摻加纖維有助于改善水泥穩定碎石混合料性能，提升結構力學性能和抗裂性能。目前工程實踐中已逐漸嘗試使用聚乙烯醇纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維等材料改善水泥穩定碎石混合料性能[7-8]。其中，鋼纖維剛度較大，摻入水泥穩定碎石混合料中的分散效果不佳；聚丙烯纖維黏性不足，雖能提升混合料性能，但幅度較小；聚乙烯醇纖維化學穩定性良好，強度較高且具有良好的彈性模量，適用于改善水泥穩定碎石性能[9]。綜上所述，將聚乙烯醇纖維以合理的方式摻入水泥穩定碎石混合料，是改善水泥穩定碎石基層性能的有效途徑之一，具有重要的研究價值。

鑒于此，該文以京滬高速公路淮安至江都段改擴建工程（K943+524.000～K969+534.000區段）為例，為提高瀝青混凝土路面工程中所用水泥穩定碎石基層的施工質量，設計實驗探究不同聚乙烯醇纖維摻量下水泥穩定碎石混合料的力學性能和抗裂性能改善效果，分析最適宜的聚乙烯醇纖維摻量及其對應的水泥穩定碎石混合料的性能發展規律。

1 材料及方法

1.1 試驗材料

實驗所用水泥均采購自石門海螺水泥廠，類別為P·O 32.5R級普通硅酸鹽水泥，結合工程規范設計實驗測試水泥的主要性能，結果均滿足要求。實驗所用的石屑、粗集料均采購自當地某采石場生產的石灰巖，其質地堅硬、表面潔凈，依托《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）中的相關規定設計材料級配，具體如表1、圖1所示：

實驗所用的纖維材料為高強、高模聚乙烯醇纖維，該纖維材料耐酸性、耐堿性良好，強度較高且具有良好的彈性模量。纖維材料具有不規則非環形截面，能夠和水泥基質保持足夠的成建面，因而和水泥材料的相容性較好。實驗所用聚乙烯醇纖維密度為1.37 g/cm3，直徑和長度分別為20 μm和50 mm，楊氏模量為41.2 GPa，抗拉強度為1 540 MPa。

1.2 試驗方法

設計實驗探究不同聚乙烯醇纖維用于改善水泥穩定碎石混合料抗裂性能的效果差異，取混合料質量的0%、0.3%、0.6%、0.9%和1.2%作為聚乙烯醇纖維摻量，并分別配置水泥穩定碎石混合料，以《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG 3441—2024）中相關規范要求分別成形試件并養護至指定齡期。其中，制作φ150 mm×150 mm圓柱體試件養護至7 d齡期和90 d齡期，在不同齡期下分別測試其無側限抗壓強度和劈裂強度；制作尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的中梁試件，養護至指定齡期后測試材料的干縮性能和溫縮性能。

2 結果及分析

2.1 重型擊實試驗

結合前文內容配置各組水泥穩定碎石混合料并進行重型擊實，測試不同纖維摻量下混合料的最佳含水率及最大干密度，所得結果如表2所示：

由表2可知，不同聚乙烯醇纖維摻量下水泥穩定碎石混合料的最大干密度和最佳含水率之間差異較小，其原因在于聚乙烯醇纖維親水性較弱，不會明顯影響水泥穩定碎石混合料的用水量。實驗中所用的聚乙烯醇纖維密度為1.37 g/cm3，明顯低于常規砂石材料，而纖維用量較少，因此不會明顯影響材料的最大干密度。

2.2 無側限抗壓強度及劈裂強度

制作φ150 mm×150 mm圓柱體試件，分別養護至7 d齡期和90 d齡期，在不同齡期下分別測試其無側限抗壓強度和劈裂強度，所得結果如表3所示：

由表3可知，水泥穩定碎石混合料中摻加聚乙烯醇纖維后，養護齡期為7 d時的劈裂強度和抗壓強度并未得到明顯改善，但延長養護齡期至90 d則兩項性能均得到顯著改善。在一定纖維摻量范圍內，養護齡期為90 d的水泥穩定碎石混合料的劈裂強度和無側限抗壓強度均會隨纖維摻量的增加而逐漸提升，但在此基礎上進一步提高纖維摻量則強度增長幅度逐漸放緩，并逐漸趨于平穩。其中，摻加0.9%聚乙烯醇纖維時的水泥穩定碎石基層，在養護齡期為90 d時的劈裂強度和無側限抗壓強度均達到較高水平，分別相對未摻纖維組提升12.7%和21.4%。

分析上述現象產生原因，該文認為是聚乙烯醇纖維具有較高的彈性模量和抗拉強度，摻入水泥穩定碎石混合料后能夠和水泥水化產物保持良好的黏結作用，外力作用于混合料時需要將纖維拉斷或拔出，因而混合料的整體力學性能得到了明顯改善。

2.3 溫縮試驗及干縮試驗

結合工程經驗，試驗溫度取-10～30℃，測試不同溫度下混合料的溫縮應變，并計算平均溫縮系數，所得結果如表4、圖2所示。

結合上述內容可知，水泥穩定碎石混合料溫縮系數的最大值和平均值均隨聚乙烯醇纖維摻量的增加而逐漸降低，其中摻加0.9%聚乙烯醇纖維時混合料的平均溫縮系數相對未摻加纖維的對照組混合料降低49.3%，這一結果說明聚乙烯醇纖維有助于改善水泥穩定碎石混合料的溫縮性能。

測試不同組混合料在不同養護齡期下的失水率和干縮應變，計算獲得干縮系數，并繪制不同聚乙烯醇纖維摻量下水泥穩定碎石混合料的干縮系數曲線，所得結果如圖3所示：

結合圖3中的內容可知，不同聚乙烯醇纖維摻量下，水泥穩定碎石混合料的干縮系數均會隨養護齡期的延長而逐漸增加，且早期增加趨勢十分明顯，養護齡期在一定天數后的增長趨勢逐漸放緩，并最終趨于平穩。相同齡期下，摻加聚乙烯醇纖維的各組水泥穩定碎石混合料的干縮系數明顯低于未摻加纖維的對照組，其中摻加0.9%聚乙烯醇纖維時水泥穩定碎石混合料的干縮系數下降最明顯，幅度達49.8%。結合上述試驗數據的發展規律，說明聚乙烯醇纖維有助于改善水泥穩定碎石的抗裂性能，降低干縮系數。

分析上述現象成因，該文認為聚乙烯醇纖維自身的表面積較大，將其加入水泥穩定碎石混合料后能夠和水泥基質之間黏結良好，并形成亂向分布的空間結構體系，以抵消部分溫度、濕度變化引發的應力，吸收塑性收縮能量，并緩解混合料受應力產生的塑性收縮問題，最終表現為混合料抗裂性能的提升。

3 結語

水泥穩定碎石材料是當前高等級公路基層施工時所用的主要材料之一，但應用時經常出現干縮開裂、溫縮開裂等問題。該文以京滬高速公路淮安至江都段改擴建工程為例，為改善路面工程中水泥穩定碎石基層的應用性能，分析聚乙烯醇纖維用于改善水泥穩定碎石性能的效果，設計實驗測試不同聚乙烯醇纖維摻量下纖維水泥穩定碎石的溫縮性能、干縮性能和力學強度性能，得到結果如下：

摻入適量聚乙烯醇纖維時，纖維水泥穩定碎石混合料的最大干密度和最佳含水率不會出現明顯波動。

水泥穩定碎石混合料加入聚乙烯醇纖維后，其劈裂強度、無側限抗壓強度得到顯著提升，同時干縮系數和溫縮系數均明顯下降，說明聚乙烯醇纖維有助于改善水泥穩定碎石的抗裂性能和強度性能。

水泥穩定碎石混合料的抗裂性能和力學性能均隨聚乙烯醇纖維摻量的提升而逐漸提升，但摻量達到一定量后，進一步提高纖維摻量混合料性能的改良效果則逐漸削弱，最終性能趨于穩定。

建議采用0.9%為聚乙烯醇纖維摻量，此時水泥穩定碎石混合料的力學性能和抗裂性能均達到較高水平，且經濟性良好。

參考資料

[1]黃春暉，張喆，錢若霖.建筑垃圾再生料在路基施工中的應用[J].粘接， 2021（8）：80-83+88.

[2]張偉，張釗，曹暉，等.表面預處理PVA纖維改性瀝青的高溫流變特性[J].深圳大學學報（理工版）， 2022（4）： 409-416.

[3]趙陽，賈曉東，梁乃興，等.基于分散技術的聚乙烯醇纖維瀝青膠漿疲勞性能分析[J].科學技術與工程， 2021（32）：13886-13892.

[4]熊延華，屈會朋，陽應榮，等.聚乙烯醇纖維水泥穩定碎石的疲勞性能研究[J].硅酸鹽通報， 2022（10）：3493-3500.

[5]羅坤.摻聚乙烯醇纖維水泥穩定碎石抗裂性能研究[J].湖南交通科技， 2021（3）：63-65+97.

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[7]古麗加娜提·巴塔宜.不同攤鋪工藝下纖維水泥碎石基層路用性能研究[J].工程機械與維修， 2022（3）：154-156.

[8]文彬.不同纖維增強水泥穩定碎石混合料路用性能與耐久性研究[J].新型建筑材料， 2021（3）：57-62.

[9]李楠.纖維復合改性瀝青混合料抗老化路用性能研究[J].交通世界（中旬刊）， 2022（12）：24-26.