侯兆軍, 馮立群, 李林萍

(1.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆交通科學(xué)研究院 道路橋梁研究所，新疆 烏魯木齊 830047)

瀝青混凝土路面半剛性基層剛度相對(duì)較大，面層層底彎拉應(yīng)力及基層層底彎拉應(yīng)力小，可增加面層在重復(fù)荷載作用下的疲勞抗力；半剛性基層板體性好，利于機(jī)械化施工；取材方便，造價(jià)低，已經(jīng)成為目前我國(guó)高等級(jí)公路路面基層的主要形式[1]。而無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料抗沖刷能力差，隨溫度和濕度變化易產(chǎn)生溫縮和干縮等非荷載型裂縫；無(wú)機(jī)結(jié)合料基層抗拉強(qiáng)度低，基底彎拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度即可在基層底部產(chǎn)生荷載疲勞裂縫，并不斷向面層擴(kuò)展，致使瀝青路面產(chǎn)生反射裂縫。

為了改善半剛性基層性能，特別是減小半剛性基層材料的收縮性，通過(guò)研究不同級(jí)配對(duì)基層性能的影響確定最適配比，通過(guò)改善半剛性基層材料各組成成分的性能來(lái)增強(qiáng)基層抗裂性。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)學(xué)者開(kāi)始關(guān)注合成纖維在路面上的應(yīng)用[2]。陳燁，等[3]于21世紀(jì)90年代初開(kāi)始對(duì)聚丙烯纖維增強(qiáng)石灰水泥土和石灰粉煤灰兩種基層材料進(jìn)行初步應(yīng)用研究，啟發(fā)了科研人員對(duì)柔性纖維在路面基層上應(yīng)用價(jià)值的思考，但其研究?jī)H限于石灰水泥土和石灰粉煤灰兩種半剛性基層材料，對(duì)纖維在應(yīng)用較廣泛的水泥穩(wěn)定材料中應(yīng)用研究較少。鑒于摻加纖維可提高半剛性基層性能，筆者研究了摻加拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均較高的聚酯纖維水泥穩(wěn)定砂礫強(qiáng)度特性，取不同纖維長(zhǎng)度和不同摻量?jī)蓚€(gè)變量因素，選用L934正交水平表，研究纖維摻量、纖維長(zhǎng)度和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥穩(wěn)定砂礫強(qiáng)度影響規(guī)律。

1 原材料

定義聚酯纖維無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定砂礫為：對(duì)具有規(guī)定級(jí)配的天然砂礫，用水泥等無(wú)機(jī)結(jié)合料進(jìn)行穩(wěn)定，在拌和過(guò)程中摻加一定量的聚酯纖維，經(jīng)碾壓成型，形成具有一定強(qiáng)度的水泥穩(wěn)定砂礫，聚酯纖維主要起阻裂、增強(qiáng)和增韌作用，纖維的拌和方法推薦使用干拌法。

1)選擇新疆阿勒泰產(chǎn)砂礫，所選料場(chǎng)易溶鹽含量0.365%，分類定名為亞硫酸鹽非鹽漬土。

經(jīng)試驗(yàn)，所選擇砂礫壓碎值為16.9%，相對(duì)表觀密度為2 703，針片狀含量為14.8%，弱顆粒含量為3.6%，表明所選砂礫性能良好。

2)選用山東某公司生產(chǎn)的聚酯纖維。選用6，12，15 mm等3種長(zhǎng)度聚酯纖維，摻量分別為2‰，4‰及6‰。按照J(rèn)T/T 525—2004《公路水泥混凝土纖維材料 聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維》對(duì)所選聚酯纖維進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 聚酯纖維性能試驗(yàn) Table 1 Test results of polyester fiber properties

3)半剛性基層厚度一般為15～40 cm，水泥穩(wěn)定砂礫結(jié)構(gòu)層應(yīng)用12 t以上壓路機(jī)碾壓，每層的壓實(shí)厚度不應(yīng)超過(guò)15 cm[4-5]，半剛性基層一般為分層碾壓。為了保證分層攤鋪的上、下兩層能有效結(jié)合成整體及基層的鉆芯取樣完整性，選用緩凝效果較好的P.C.32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，水泥劑量為4.5%。水泥試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 P.C.32.5復(fù)合硅酸鹽水泥試驗(yàn)結(jié)果

Table 2 Test results of composite portland cement P.C.32.5

4)試驗(yàn)用水選用飲用水。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 級(jí) 配

根據(jù)基層材料中粗集料和細(xì)集料的分布狀態(tài)，將基層材料的結(jié)構(gòu)劃分為骨架密實(shí)、骨架空隙、懸浮密實(shí)和均勻密實(shí)4種類型。由于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)是粗集料形成相互嵌擠的骨架，細(xì)集料以充分密實(shí)的狀態(tài)填充到骨架間的空隙里，其粗骨料較多，基層抗壓強(qiáng)度較高、抗裂性和抗沖刷性較好[6-7]。筆者選用骨架密實(shí)型級(jí)配，并根據(jù)JTG D 50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定砂礫級(jí)配范圍配成接近級(jí)配中值的合成級(jí)配，見(jiàn)表3。

表3 集料級(jí)配

Table 3 Aggregates grade

2.2 正交試驗(yàn)

選擇纖維長(zhǎng)度和纖維摻量為兩個(gè)因素，每種因素均有3個(gè)水平，考核指標(biāo)是7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，選擇正交試驗(yàn)表L934，見(jiàn)表4。

表4 影響因素及水平 Table 4 Influence factors and levels

3 試驗(yàn)研究

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

對(duì)摻纖維水泥穩(wěn)定碎石的電動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)研究表明[8-9]，纖維的摻入對(duì)水穩(wěn)碎石擊實(shí)特性影響較??；文獻(xiàn)[10-12]的研究忽略纖維對(duì)水泥穩(wěn)定碎石最大干密度和最佳含水量的影響。本試驗(yàn)纖維摻量小，所以不考慮纖維的摻加對(duì)水穩(wěn)材料擊實(shí)性能的影響，僅對(duì)水穩(wěn)砂礫進(jìn)行電動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)。

根據(jù)JTG E 51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，由于集料中大于19 mm的顆粒含量為19.9%(>10%)，且原材料最大公稱粒徑26.5 mm，小于《試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的丙法容許最大公稱粒徑37.5 mm，故采用丙法進(jìn)行電動(dòng)擊實(shí)儀擊實(shí)試驗(yàn)，并繪制聚酯纖維水泥穩(wěn)定砂礫的含水量-干密度關(guān)系曲線，從而確定其最佳含水量和最大干密度分別為5.2%和2.35 g/cm3，如圖1。

圖1 擊實(shí)曲線Fig.1 Compaction curve

3.2 拌和工藝

纖維水穩(wěn)砂礫的拌和工藝不同，直接影響混合料強(qiáng)度性能[2]，拌和方法、放料順序和拌和時(shí)間是決定纖維是否發(fā)揮作用的關(guān)鍵因素。據(jù)實(shí)際情況采用人工干拌法，使纖維充分分散于水穩(wěn)砂礫材料中。拌和流程見(jiàn)圖2。

圖2 纖維水穩(wěn)砂礫人工拌和流程Fig.2 Artificial mixing process of fiber cement stabilized gravel

3.3 試件制作及養(yǎng)護(hù)

根據(jù)《試驗(yàn)規(guī)程》，選用φ150 mm × 150 mm圓柱體試模，用YES-2000B數(shù)顯式壓力機(jī)靜壓成型試件，12 h后脫模，然后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室分別養(yǎng)護(hù)7，28 d，最后一天浸水24 h。測(cè)試時(shí)，將試件從水池取出，用軟布擦去可見(jiàn)水，立即進(jìn)行無(wú)側(cè)限壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

用WE-1000型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。共測(cè)試9組，每組9個(gè)平行試件，剔除異常值后取其平均值。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 Table 5 Test result of unconfined compress

4 各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律分析

4.1 極差分析

從表6聚酯纖維水泥穩(wěn)定砂礫無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值看出，其7 d的強(qiáng)度極差R長(zhǎng)度(0.864)>R摻量(0.627)，即纖維長(zhǎng)度對(duì)混合料7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響大于纖維摻量的影響；而28 d的強(qiáng)度極差R長(zhǎng)度(0.707)

表6 直觀分析(極差分析)

Table 6 Visual analysis (range analysis)

4.2 趨勢(shì)圖分析

4.2.1 聚酯纖維摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可見(jiàn)，隨著聚酯纖維摻量的增加，試件的7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增加。隨著摻量的增加，對(duì)于6 mm的聚酯纖維，試件的7 d，28 d抗壓強(qiáng)度分別增加了11.8%，13.6%；對(duì)于12 mm的聚酯纖維，試件的7 d，28 d抗壓強(qiáng)度分別增加了5.9%，12.1%；對(duì)于15 mm的聚酯纖維，試件的7 d，28 d抗壓強(qiáng)度分別增加了20.0%，31%。

圖3 聚酯纖維摻量對(duì)7 ，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of polyester fiber content on unconfined compressive strength of 7 d, 28 d

4.2.2 聚酯纖維長(zhǎng)度對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可見(jiàn)，試件的7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著纖維長(zhǎng)度的增加而降低。隨著纖維長(zhǎng)度的增加，摻量為2‰的纖維水穩(wěn)砂礫，7 d降低18%，28 d降低17.8%；摻量為4‰的纖維水穩(wěn)砂礫，7d降低13.6%，28 d降低11.4%；摻量為6‰的纖維水穩(wěn)砂礫，7 d增加12.4%，28 d降低5.2%。

圖4 聚酯纖維長(zhǎng)度對(duì)7 ，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of polyester fiber length on unconfined compressive strength of 7 d, 28 d

4.2.3 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

聚酯纖維水泥穩(wěn)定砂礫強(qiáng)度的增長(zhǎng)主要產(chǎn)生于7 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，如圖5。摻加相同長(zhǎng)度和相同摻量的聚酯纖維，水穩(wěn)砂礫養(yǎng)護(hù)齡期從7 ～28 d期間，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均增加12.3%，增加幅度較小。

圖5 不同長(zhǎng)度纖維水泥穩(wěn)定砂礫3，7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.5 7 d, 28 d unconfined compressive strengths of cemsent stabilized gravel mixing lengths fiber

4.3 復(fù)合材料理論的解釋

聚酯纖維水泥穩(wěn)定砂礫是一種復(fù)合材料，由聚酯纖維和水泥穩(wěn)定砂礫兩相組成，其性能為兩相性能的疊加[13]。

壓力機(jī)上壓頭對(duì)試塊施加豎向荷載時(shí)(圖6)，圓柱體試塊內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，裂縫擴(kuò)展過(guò)程中，纖維附近的反向應(yīng)力場(chǎng)消弱裂縫尖端應(yīng)力[14]，降低了裂縫附近應(yīng)力集中程度，使裂縫的擴(kuò)展受到約束。

圖6 試塊受壓Fig.6 Compression test

若纖維所承擔(dān)的拉應(yīng)力小于自身極限抗拉強(qiáng)度，則裂縫尖端繞過(guò)纖維而繼續(xù)擴(kuò)展，由于纖維附近的反向應(yīng)力場(chǎng)作用，裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度不斷被消弱，直到該應(yīng)力強(qiáng)度小于材料極限強(qiáng)度，裂縫停止擴(kuò)展。圓柱體試塊的受壓破壞過(guò)程中，內(nèi)部裂縫擴(kuò)展受纖維的約束是無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高的根本原因。

由上述描述可知，纖維摻量越大，在基體內(nèi)部的亂向不連續(xù)性越明顯，纖維對(duì)裂縫的擴(kuò)展的約束作用越強(qiáng)，該結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

5 結(jié) 論

1)在本試驗(yàn)研究纖維長(zhǎng)度范圍(6～15 mm)和摻量范圍(質(zhì)量百分比2‰～6‰)內(nèi)，浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，聚酯纖維水泥穩(wěn)定砂礫的強(qiáng)度主要形成于7 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，7～28 d抗壓強(qiáng)度增加緩慢。

2)聚酯纖維長(zhǎng)度不變，纖維水穩(wěn)砂礫的強(qiáng)度與纖維摻量呈正相關(guān)關(guān)系；摻量不變，纖維水穩(wěn)砂礫的7 d和28 d浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與纖維長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3)通過(guò)正交分析，相對(duì)于纖維摻量，纖維長(zhǎng)度對(duì)水泥穩(wěn)定砂礫混合料設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)影響較大，故所摻纖維長(zhǎng)度的選擇對(duì)纖維水穩(wěn)砂礫半剛性基層強(qiáng)度和混合料設(shè)計(jì)的影響至關(guān)重要。

4)對(duì)于纖維水穩(wěn)砂礫，采用干拌法進(jìn)行人工拌和，即將纖維與砂石料在加水之前進(jìn)行充分拌和，避免或減少加水后纖維結(jié)團(tuán)，使聚酯纖維充分分散于砂石料之間，充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)和增韌作用。

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