聚酯纖維水泥穩(wěn)定碎石力學性能試驗研究

韋小碧，顧佩，柳志軍，姚昌海，王東權

(1.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116；2.鹽城市公路管理處，江蘇 鹽城 224005)

水泥穩(wěn)定碎石(cement-stabilized macadam，CSM)是目前我國最主要的道路半剛性基層材料，具有強度、剛度高，耐久性、水穩(wěn)性好等優(yōu)點[1-2]。其最大缺陷是易受溫度、濕度變化影響產(chǎn)生收縮裂縫[3-4]，從而破壞結構板體性，大大削弱路面結構強度，CSM抗裂、增強問題一直是道路工程科技熱點。研究表明，摻加纖維可有效改善CSM基層抗裂及力學性能[5-11]。聚酯纖維(polyester fiber，PET)具有抗拉強度高、模量高、穩(wěn)定性好等特點，是綜合性能最佳的軟纖維之一。文獻[12-19]通過室內(nèi)試驗研究PET的質(zhì)量分數(shù)對CSM干縮系數(shù)、溫縮系數(shù)等收縮性能及抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量等力學性能指標的影響規(guī)律；文獻[20]通過室內(nèi)試驗研究PET形狀、質(zhì)量分數(shù)、長度對CSM抗彎拉強度的影響規(guī)律。PET應用于CSM中可以改善路用性能，但是對纖維分散性拌合工藝的研究以及PET特征對CSM力學性能的研究尚不完善。

本文基于優(yōu)選PET分散性拌合工藝，研究PET主要特征對CSM力學性能的影響規(guī)律，并分析其作用機理，為工程實際應用奠定基礎。混合料中纖維拌合均勻性影響試件性能的穩(wěn)定性，從而影響研究成果的可靠度，研究工作包括兩部分：第一部分是纖維分散均勻性試驗分析，通過改變拌合過程中PETCSM各組成材料的投放次序，分析拌合效果，優(yōu)選纖維分散性較好的拌合方案進行力學試驗試件制作；第二部分是力學性能試驗研究，通過測試PETCSM試件的無側(cè)限抗壓強度、抗壓回彈模量等力學性能指標，分析PET主要特征(質(zhì)量分數(shù)、直徑)對CSM力學性能的影響規(guī)律及作用機理。

1 試驗

1.1 原材料

試驗所用纖維為某公司生產(chǎn)的束狀單絲PET，斷面形式為圓形，其主要技術指標見表1；水泥選用P·O 42.5型普通硅酸鹽水泥，其主要技術指標見表2；集料均屬石灰?guī)r質(zhì)，其壓碎值為20.6，集料級配見表3。

表1 PET的主要技術指標

表3 集料級配

1.2 配合比

試驗混合料中水泥的質(zhì)量分數(shù)為4.5%，PET長度為5 cm[13]。通過重型標準擊實試驗獲得混合料的最佳水的質(zhì)量分數(shù)(最佳含水量)為5.5%，最大干密度為2.33 g/cm3。為了研究纖維的質(zhì)量分數(shù)對CSM力學性能的影響，纖維的質(zhì)量分數(shù)分別選取0.5‰、0.7 ‰、0.9 ‰、1.3 ‰ 4種。纖維直徑分別為20、35、70、105 μm 4種。

1.3 纖維分散均勻性試驗

針對投料次序?qū)w維分散均勻性的影響，制定2種方案，見圖1。

圖1 拌合試驗方案

拌合試驗采用HJW-100小型混凝土攪拌機進行。試驗每份原材料的質(zhì)量按照制備2個圓柱形大試件(直徑×高=150 mm×150 mm)確定。每個方案進行3次平行試驗，拌合后將混合料平鋪在試驗臺上觀測纖維分散效果。

1.4 力學性能試驗

基于優(yōu)選分散性好的拌合方案，依據(jù)文獻[21]規(guī)定，制備直徑×高=150 mm×150 mm的圓柱形試件。試件按照壓實度為98%的靜壓法成型，制備完畢進行齡期28 d的標準養(yǎng)生，使用CMT5305微機控制電子萬能試驗機，位移控制1 mm/min進行測試并計算無側(cè)限抗壓強度、抗壓回彈模量。

2 試驗結果與分析

2.1 纖維分散性

按照方案一、二分別進行混合料拌合，效果見圖2。

a)方案一 b)方案二圖2 纖維分散效果

由圖2a)可知，纖維在CSM基體中分散性整體較好，但存在小范圍纖維結團現(xiàn)象。這是因為：纖維的密度很小(約1.3 g/cm3)，逐漸撒入運轉(zhuǎn)的攪拌設備過程中，攪拌片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的空氣流動使纖維飄浮在集料表面并逐漸聚積結團，不能隨干燥集料轉(zhuǎn)動均勻分布在其中，而在灑入水后，纖維可以粘覆在集料表面并隨集料一起轉(zhuǎn)動，此前結團纖維逐漸被扯開并分散，但仍存在小范圍結團現(xiàn)象。由圖2b)可知，纖維呈絲狀較均勻的分散在CSM基體中，這是因為水先放入攪拌均勻的集料中，形成水泥漿包裹在不同粒徑的集料周圍提高了對集料的潤滑作用，從而增大集料在攪拌機中的滑動程度，在纖維落入集料表面的瞬間，由于水分子的吸附作用，纖維被粘覆在集料表面，并且在攪拌機轉(zhuǎn)動下逐漸被不同粒徑的集料包裹均勻分散在CSM基體中。因此，方案二纖維分散均勻性效果更好，采用該拌合方法制作力學性能試件。

2.2 力學性能

表4 不同PET質(zhì)量分數(shù)的混合料力學性能試驗結果

2.2.1 PET的質(zhì)量分數(shù)對CSM力學性能影響

按照文獻[21]分別計算無側(cè)限抗壓強度、抗壓回彈模量，統(tǒng)計試驗結果見表4。

圖3 試件破壞后裂縫

由表4可知，隨PET的質(zhì)量分數(shù)的增加，無側(cè)限抗壓強度先增加后減少，PET的質(zhì)量分數(shù)約為0.7‰左右，無側(cè)限抗壓強度出現(xiàn)峰值，表明摻加PET可以提高CSM基體的整體抗壓強度(與素CSM相比增加約9.95%)。這是因為：PET在CSM基體中是三維亂向分布，水泥水化作用使PET、CSM形成堅固的膠結整體共同承載荷載作用。圖3為進行無側(cè)限抗壓強度試驗測試中試件受壓過程，試件中間產(chǎn)生無數(shù)橫縱裂縫，出現(xiàn)薄弱面，由于纖維起到阻裂作用，因此強度得到適當提高；當PET的質(zhì)量分數(shù)量超過0.7‰時，較多的PET反而阻礙了水泥砂漿對不同粒徑集料的膠結作用，膠結體內(nèi)部空隙率增加，密實度降低，從而導致整體無側(cè)限抗壓強度降低。

由表4可知，抗壓回彈模量隨PET的質(zhì)量分數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，PET的質(zhì)量分數(shù)為0～0.9‰時，抗壓回彈模量變化幅度不大；PET的質(zhì)量分數(shù)為0.9‰～1.3‰，抗壓回彈模量降幅較大。這是因為PET的彈性模量較大(約9 000 MPa)，CSM彈性模量較小(約1 300 MPa)，摻加PET改變了CSM基體的彈塑性，即隨著PET的摻加，增加了CSM基體的柔性，導致單位壓力作用下回彈變形量增大，抗壓回彈模量隨PET的質(zhì)量分數(shù)的增加而減小。

綜合考慮無側(cè)限抗壓強度和抗壓回彈模量2個指標，纖維的最佳質(zhì)量分數(shù)約為0.7‰。

2.2.2 PET直徑對CSM力學性能影響

按照文獻[21]分別計算無側(cè)限抗壓強度、抗壓回彈模量，統(tǒng)計試驗結果見表5，破壞后斷面的纖維狀態(tài)如圖4所示。

表5 不同PET直徑力學性能試驗數(shù)據(jù)

圖4 破壞后斷面的纖維狀態(tài)

表5表明，無側(cè)限抗壓強度與PET直徑呈負相關。主要原因為：在質(zhì)量分數(shù)和長度相同的情況下，PET直徑越大，單根PET抗拉強度越大。由圖4可知，試件破壞后纖維并沒有拉斷，纖維的抗拉能力并未得到充分發(fā)揮，造成浪費。直徑越大，纖維數(shù)量越少，纖維易分布不均勻，纖維分布較少出現(xiàn)橫縱裂縫，因此，隨著直徑增大，無側(cè)限抗壓強度逐步降低。隨纖維直徑的增加，抗壓回彈模量變化規(guī)律并不明顯，因此纖維直徑對抗壓回彈模量影響不顯著。其原因為，纖維彈性模量不受直徑影響，摻加質(zhì)量分數(shù)、長度相同，直徑不同的PET并沒有改變CSM基體的彈塑性狀態(tài)。綜合考慮無側(cè)限抗壓強度和抗壓回彈模量2個力學指標，纖維最佳直徑為20 μm。

3 結論

1)拌合PETCSM混合料過程中，先將集料加水攪拌均勻，而后加入纖維攪拌，可使纖維吸附在集料表面，在攪拌機轉(zhuǎn)動下，更有利于纖維在CSM基體中的分散。

2)隨著PET的質(zhì)量分數(shù)的增加，PETCSM的無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，抗壓回彈模量整體呈下降趨勢。

3)隨著PET直徑的增加，PETCSM的無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)遞減趨勢，抗壓回彈模量沒有顯著變化。

4)相同質(zhì)量、長度的PET，隨著直徑的增大，纖維不能在裂縫處更有效地起到阻裂作用，僅纖維直徑的變化并不能改變CSM基體的彈塑性狀態(tài)。

5)綜合考慮無側(cè)限抗壓強度及抗壓回彈模量2個力學性能指標，PET的最佳質(zhì)量分數(shù)約為0.7‰，直徑為20 μm。

[1]王艷, 倪富健, 李再新. 水泥穩(wěn)定碎石基層收縮性能影響因素試驗研究[J].公路交通科技, 2007, 24(10): 30-34,52.

WANG Yan, NI Fujian, LI Zaixin. Experimental study on influencing factors of shrinkage performance of cement stabilized macadam base[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2007,24(10): 30-34.

[2]汪水銀. 水泥穩(wěn)定碎石材料級配研究[J].公路工程, 2009, 34(5): 137-142.

WANG Shuiyin. Study on gradation of cement stabilized macadam material[J].Highway Engineering,2009,34(5): 137-142.

[3]楊紅輝, 王建勛, 郝培文, 等. 纖維在水泥穩(wěn)定碎石基層中的應用[J].長安大學學報(自然科學版), 2006, 26(3): 14-17.

YANG Honghui,WANG Jianxun,HAO Peiwen,et al. Application of fiber in cement stabilized macadam base[J].Journal of Chang′an University(Natural Science Edition) , 2006,26(3): 14-16.

[4]沙愛民. 半剛性基層的材料特性[J].中國公路學報, 2008, 21(1): 1-5.

SHA Aimin. Material characteristics of semi-rigid base course[J].China Journal of Highway and Transport,2008,21(1): 1-5.

[5]石凱. 聚丙烯纖維在市政道路水泥穩(wěn)定碎石基層中的應用[J].山東交通科技, 2016 (3): 83-84.

SHI Kai.Application of polypropylene fiberin cement stabilized crushed stonebase of municipal road[J].Shandong Transportation Technology, 2016 (3): 83-84.

[6]李清富, 張鵬, 沈捷. 聚丙烯纖維水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能研究[J].建筑材料學報, 2008, 11(3): 368-374.

LI Qingfu, ZHANG Peng, SHEN Jie. Research on crack resistance of cement stabilized macadam reinforced with polypropylene fiber[J].Journal of Building Materials, 2008, 11(3): 368-374.

[7]胡艷民. 不同玻璃纖維長度和摻量下的水泥穩(wěn)定碎石強度特性研究[J].公路交通科技 (應用技術版), 2015( 6):182-183.

HU Yanmin.Characteristic research under different dosage of glass fiber length and strength of the cement stabilized macadam[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2015(6): 182-183.

[8]張曉天, 劉占江, 楊明成. 廢舊瀝青砼纖維水泥穩(wěn)定碎石的力學性能試驗[J].桂林理工大學學報, 2014, 34(1): 58-62.

ZHANG Xiaotian,LIU Zhanjiang,YANG Mingcheng. Experiment on mechanical properties of RAP fiber cement stabilized macadam[J].Journal of Guilin University of Technology, 2014, 34(1): 58-62.

[9]楊明, 程培峰. 摻玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石強度試驗研究[J].中外公路, 2011, 31(5): 246-249.

YANG Ming,CHENG Peifeng. Experimental study on strength of basalt fiber cement stabilized crushed stone[J].Journal of China & Foreign Highway, 2011, 31(5): 246-249.

[10]焦雙健, 李淑, 陳玉嬌. 玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石配合比試驗研究[J].混凝土與水泥制品, 2014 (3): 49-53.

JIAO Shuangjian, LI Shu,CHEN Yujiao.Experimental study on the mix proportion of basalt fiber cement stabilized macadam[J].China Concrete and Cement Products, 2014 (3): 49-53.

[11]鄭傳峰, 趙大軍, 邱洲, 等. 橡膠纖維水泥穩(wěn)定碎石路用性能研究[J].公路, 2012 (8): 191-194.

ZHENG Chuanfeng,ZHAO Dajun,QIU Zhou,et al. Research on road performance of rubber fiber-based cement stabilized manadam[J].Highway, 2012(8): 191-194.

[12]柳志軍, 卞正富, 劉春榮, 等. 聚酯纖維對水泥碎石干縮開裂影響的試驗研究[J].中國礦業(yè)大學學報, 2009, 38(2): 155-158.

LIU Zhijun,BIAN Zhengfu,LIU Chunrong,et al. Experimental study on influence of polyester fiber on dry shrinkage cracking of cement mortar[J].Journal of China University of Mining & Technology, 2009,38(2): 155-158.

[13]柳志軍, 呂成. 聚酯纖維對水泥碎石抗裂性影響的試驗研究[J].建筑技術, 2009, 40(5): 449-451.

LIU Zhijun,LYU Cheng. Experimental study on influence of polyester fiber on crack resistance of cement mortar[J].Architecture Technology, 2009,40(5): 449-451.

[14]LIU Zhijun. Experimental research on the engineering characteristics of polyester fiber-reinforced cement-stabilized macadam[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 2015, 7(10): 04015004.

[15]付春梅, 齊善忠, 賈春燕. 聚酯纖維水泥穩(wěn)定碎石抗干縮性能研究[J].公路, 2014 (11): 188-193.

FU Chunmei, QI Shanzhong, JIA Chunyan. Study on dry shrinkage resistance of polyester fiber cement stabilized macadam[J].Highway, 2014 (11): 188-193.

[16]付春梅, 齊善忠, 任永明. 聚酯纖維水泥穩(wěn)定碎石力學性能研究[J].中外公路, 2015, 35(6): 291-296.

FU Chunmei, QI Shanzhong, REN Yongming. Study on mechanical properties of polyester fiber cement stabilized macadam[J].Journal of China & Foreign Highway, 2015, 35(6): 291-396.

[17]付春梅, 齊善忠. 聚酯纖維和聚丙烯纖維水泥穩(wěn)定碎石力學性能研究[J].公路, 2015, 60(1): 37-42.

FU Chunmei, QI Shanzhong. Study on mechanical properties of polyester fiber andpolypropylene fiber cement stabilized macadam[J].Highway, 2015, 60(1): 37-42.

[18]趙文姣, 薛金順, 于遠征. 聚酯纖維對水泥穩(wěn)定碎石回彈模量影響[J].公路交通科技 (應用技術版), 2014 (5):89-91.

ZHAO Wenjiao, XUE Jinshun, YU Yuanzheng. Effect of polyester fiber-reinforced on the rebound modulus of cement-stabilized macadam[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2014(5):89-91.

[19]尚志剛, 魏宏. 聚酯纖維對水泥穩(wěn)定碎石的強度影響規(guī)律研究[J].中外公路, 2012, 32(2): 253-256.

SHANG Zhigang, WEI Hong. Influence of polyester fiber on the strength of cement stabilized crushed stone[J].Journal of China & Foreign Highway, 2012, 32(2): 253-256.

[20]徐秀維. 聚酯纖維對水泥穩(wěn)定碎石抗彎拉性能影響的試驗研究[J].中外公路, 2012, 32(6): 297-300.

XU Xiuwei. Experimental study on influence of polyester fiber on flexural tensile properties of cement stabilized macadam[J].Journal of China & Foreign Highway, 2012, 32(6): 297-300.

[21]交通部公路科學研究院. 公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程:JTG E51—2009[S].北京：人民交通出版社, 2009.