纖維級配碎石性能研究

周衛峰，李彥偉，苗 乾，李源淵，張連營

（1.天津大學 管理與經濟學部，天津 300073；2.天津市市政工程研究院，天津 300074）

半剛性基層瀝青路面是中國高等級公路的典型結構.20多年高速公路的建設經驗證明，半剛性基層材料雖然具有強度高、穩定性好、造價低等優點，但同時也具有反射裂縫無法避免、易產生水破壞及壽命普遍達不到設計要求的缺點.級配碎石作為柔性路面基層材料，具有滲水能力強，不產生反射裂縫，造價比半剛性材料更低的優點，但同時也具有強度低、抗剪切能力小，用于道路基層易產生塑性變形，從而導致路面出現車轍的缺點.

文獻［1］表明，在沙土中摻加質量1／1 000的纖維后，沙土的承載能力、抗沖刷能力及抗剪強度顯著提高.近年來，中國學者對級配碎石的研究主要集中在力學 參 數［2－3］及路面結構力學［4－6］方面，而如何提高級配碎石自身路用性能的研究則較少.

本文采用振動成型方法設計級配碎石，篩選了適用的專用纖維，旨在克服其抗剪切強度低、塑性變形大的缺點，為進一步提高其性能、充分發揮其優點，使這種柔性基層應用于重載交通瀝青路面提供技術支撐.

1 纖維的選擇

目前，用于道路建筑材料的纖維主要有聚酯纖維、聚丙烯纖維、木質素纖維、礦物纖維及玻璃纖維等.由于纖維與級配碎石密度相差懸殊，因此在選取纖維時，不僅要考慮級配碎石力學性能的提高，同時更要重點考慮纖維在級配碎石混合料中的分散性.

1.1 纖維長度與摻量

采用振動成型法優化的級配碎石級配見表1.

表1 級配碎石級配表Table 1 Graded crushed rock gradation（by mass） %

由于級配碎石試件劈裂強度的絕對值較小，摻加纖維后其劈裂強度的變化比較明顯，易于判定，因此本文采用劈裂強度（即級配碎石的間接抗拉強度）作為纖維優化標準.試驗采用的壓實度為98%，每組13個試件，變異系數小于20%.

選用常用的聚酯纖維綁扎帶，長度分別切成0.5，1.0，2.0，3.0，4.0cm，其摻量（質量分數）為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%.級配碎石劈裂強度與纖維摻量的關系見圖1.

由圖1可見，無論纖維長度如何，摻加0.1%纖維的級配碎石劈裂強度均有不同程度的提高，但纖維長度超過1.0cm 后，纖維越長，其劈裂強度提高幅度愈小.當纖維長度為1.0cm，摻量為0.1%時，級配碎石的劈裂強度最大，為不摻加纖維級配碎石的152%.據此，以纖維長度1.0～2.0 cm，摻量0.1%優化纖維種類.

圖1 級配碎石劈裂強度與纖維摻量的關系Fig.1 Graded crushed rock's splitting strength vs.fiber dosage

1.2 纖維種類

根據優化的纖維長度，選取5種滿足要求的纖維，以摻量0.1%進行劈裂強度試驗，結果見表2.

表2 不同種類纖維級配碎石劈裂強度Table 2 Different types of fiber graded crushed rock splitting strength

由表2可見，摻加不同種類的纖維后，級配碎石的劈裂強度均有所提高，其中尤以3＃聚丙烯纖維摻后的劈裂強度提高幅度最為顯著，其劈裂強度提高了70%以上.3＃聚丙烯纖維為黑色纖維，與其他纖維相比，其硬度大，不易彎折，可在級配碎石中保持原有形態，從而充分發揮其作用.另外，3＃聚丙烯纖維直徑為1mm，單絲質量是其他纖維的20～30倍，容易分散.基于此，本文選用3＃聚丙烯纖維進行試驗.

2 纖維級配碎石的抗剪強度及影響因素

采用自制的抗剪強度專用儀［7］進行試驗，剪切速率為5mm／min；采用有限元法計算分析纖維級配碎石柔性路面在標準軸載BZZ－100作用下的受力狀況，以纖維級配碎石層中部靠近車輪內側邊緣的位置作為剪切破壞的最不利位置，其圍壓為50kPa.

2.1 圍壓及纖維的影響

圍壓及纖維（摻量0.1%）對級配碎石抗剪強度的影響見表3，其中CV 為變異系數.

由表3可見，無圍壓時，纖維級配碎石的抗剪強度提高了1.2倍，有圍壓時，其抗剪強度提高了1.3倍；在不摻纖維的情況下，施加圍壓后級配碎石的抗剪強度提高了2.1倍；在圍壓和纖維的共同作用下，級配碎石的抗剪強度提高了2.7倍.這說明，隨著圍壓的增大，纖維對級配碎石抗剪強度提高的作用更加明顯.

表3 圍壓及纖維對級配碎石抗剪強度的影響Table 3 Effects on graded crushed rock's shear strength of confining pressure and fiber

2.2 含水量的影響

在50kPa圍壓下，試件的抗剪強度隨含水量的變化如表4所示.

表4 剪切強度隨含水量的變化Table 4 Shear strength change with water content

由表4可見，含水量對纖維級配碎石的剪切強度有較大影響.當含水量小于最佳含水量時，纖維級配碎石的抗剪強度稍有降低，當含水量大于最佳含水量時，其抗剪強度僅為最佳含水量時的57%.這說明纖維級配碎石柔性基層在運營期應處于干燥或最佳含水量狀態.

2.3 壓實度的影響

在50kPa圍壓及5mm／min剪切速率的條件下，試件抗剪強度隨壓實度的變化曲線見圖2.

圖2 抗剪強度隨壓實度的變化曲線Fig.2 Curve of shear strength change with compaction degree

由圖2可見，當壓實度由98%下降到96%時，纖維級配碎石的抗剪強度降低了17%，當壓實度由96%下降到94%時，其抗剪強度急劇降低，僅為96%，98%壓實度時的49%，41%.當壓實度由98%提高到100%時，纖維級配碎石的抗剪強度提高了1.5倍.這一方面是由于壓實度的提高，纖維級配碎石內摩擦力大幅增加，另一方面，由于壓實度的提高，集料排列更加緊密，纖維的加筋作用愈加顯著.兩者共同作用，使高壓實度纖維級配碎石的抗剪強度明顯提高.

2.4 粒徑的影響

不同級配纖維級配碎石的抗剪強度見表5.

表5 不同級配纖維級配碎石的抗剪強度Table 5 Different gradations of fiber graded crushed rock's shear strength

由表5可見，小粒徑纖維級配碎石的抗剪強度是大粒徑纖維級配碎石的1.4倍.這主要是由于小粒徑級配碎石不僅密實度較高，而且與纖維的接觸面積也較大，使纖維在級配碎石中的加筋效應更加明顯，從而提高了抗剪強度.

2.5 纖維級配碎石抗剪強度影響因素灰關聯分析

關聯度反映各比較因素對系統參考因素的接近程度，通過關聯度的計算能夠找出各比較因素中對系統參考因素影響最大的因素，即與系統參考因素關聯度最大的因素，灰關聯分析不需要大量的樣本及數據的典型分布，而且計算簡單.因此，本文采用灰關聯分析方法計算了因素1（圍壓），因素2（含水量），因素3（壓實度），因素4（最大粒徑）與抗剪強度指標的關聯度，其值γ1，γ2，γ3，γ4分別為0.552 5，0.564 0，0.599 5，0.589 6，相應的關聯度序列為：γ3＞γ4＞γ2＞γ1，即壓實度＞最大粒徑＞含水量＞圍壓.這說明提高纖維級配碎石抗剪強度最有效的措施是提高壓實度，其次是選擇合適的最大粒徑或維持最佳基層含水量.

3 纖維級配碎石及結構的抗車轍能力

3.1 纖維級配碎石＋瀝青混凝土層車轍試驗

采用自制的高10cm 車轍試模，成型8cm 厚的級配碎石（摻加或不摻加纖維）試塊，然后于其上鋪筑2cm 的AC－10改性瀝青混凝土，在60℃下進行車轍試驗，結果見表6.

試驗結果表明，摻加纖維的級配碎石結構其抗車轍能力提高了58%.

3.2 不同輪壓下的級配碎石車轍試驗

制作10cm 厚、摻加和不摻加纖維的級配碎石車轍試件，在常溫下，分別用0.7，1.0 MPa的輪壓進行車轍試驗，結果見表7.

表6 級配碎石車轍試驗結果Table 6 Graded crushed rock rut experimental results

表7 不同輪壓下的車轍試驗結果Table 7 Rutting results under different wheel pressures

由表7可見，纖維級配碎石的動穩定度提高了2.9倍，60min車轍深度為不摻纖維試件的61%.這就說明纖維的摻加使級配碎石的抗車轍能力大幅提高.

當輪壓提高到1.0MPa時，不摻纖維的級配碎石嚴重變形，儀器無法采集數據，人工量測的車轍深度為2.4cm，而纖維級配碎石的抗車轍能力則較強，與0.7MPa的輪壓相比，車轍深度僅增加13%，動穩定度僅下降34%.這進一步說明，在重載作用下，纖維對抗剪強度和抗車轍能力的提高作用更加顯著.

4 工程應用

2013年于山西某高速公路連接線鋪筑了1 000m的試驗路面，路面結構為：4cm 的AC－13改性瀝青混凝土＋6cm 的AC－20瀝青混凝土＋8cm 的AC－25瀝青混凝土＋54cm 的級配碎石，其中500m 級配碎石基層材料纖維摻量為0.1%，剩下500m 不摻纖維.

4.1 配合比設計

級配碎石均采用振動成型法設計，其配合比見表8.剪切試驗圍壓為50kPa.

表8 試驗路面級配碎石的配合比Table 8 Graded crushed rock mix design results of test road

4.2 纖維級配碎石的施工

纖維級配碎石含水量（質量分數）按最佳含水量＋0.5%控制，采用專用纖維添加設備連續添加，由自重22t單鋼輪振動壓路機振動碾壓6遍，要求壓實度達到振動成型最大干密度的98.0%以上.

4.3 工程檢測結果

采用灌沙法檢測的59個壓實度數據表明，纖維級配碎石的壓實度為振動成型最大干密度的97.1%～101.8%，平均99.2%，壓實度代表值98.4%.采用灌沙法對纖維級配碎石26個樣品中的纖維含量進行了檢測，其纖維質量分數為0.07%～0.14%，平均0.11%，變異系數為23%.檢測結果表明，纖維分散較均勻，能夠滿足工程要求.試驗路面基層路表彎沉檢測結果見表9.

表9 試驗路面基層路表彎沉檢測結果Table 9 Base surface deflection test results of test road

由表9可見，纖維級配碎石柔性路面基層路表彎沉小于級配碎石柔性路面基層路表彎沉.這說明纖維的摻加提高了路面的整體結構強度，從而提高了路面壽命.

5 結論

（1）以劈裂強度為標準優化的纖維為聚丙烯纖維，其最佳長度為1.0cm，直徑為1mm，最佳摻量為0.1%.

（2）纖維摻量、含水量、最大粒徑、壓實度及圍壓對級配碎石抗剪強度均有顯著影響.摻加適量纖維、提高壓實度、增大圍壓及減小最大粒徑均可提高級配碎石的抗剪切能力.級配碎石抗剪強度影響因素的大小順序為：壓實度、粒徑、含水量及圍壓.這表明，要提高級配碎石的性能，在摻加纖維的同時要保證其有較高的壓實度及最佳含水量.另外，也可通過減小最大粒徑來提高級配碎石的抗剪強度.

（3）纖維的摻加顯著提高了級配碎石的抗車轍能力.本文中纖維級配碎石的抗車轍能力提高了58%，其動穩定度提高了2.9倍.

（4）優化的纖維在級配碎石中分散較均勻，滿足工程要求.以纖維級配碎石為基層的路表彎沉小于普通級配碎石的路表彎沉，表明纖維級配碎石柔性路面具有更長的壽命.

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