纖維增強水泥穩定碎石的研究現狀及展望

□文 /暴英波

水泥穩定碎石憑借自身優越的性能成為道路施工中首選基層材料；但隨著該材料被廣泛應用，其自身存在的缺陷亦逐步顯露出來，如收縮裂縫等。纖維增強水泥穩定碎石，成為改善其缺陷的一種有效方式。

1 國外對纖維增強水泥基材料的研究

20世紀初，就有美國學者提出將鋼纖維較為均勻地撒在混凝土中以強化材料性能的設想[1]。20世紀中葉，隨著工業合成材料的發展，多位國外專家[2]對混凝土中按體積比摻加0.5%聚丙烯纖維后的性能進行的試驗研究，提出了使用加入聚丙烯纖維的混凝土建造美國工兵部隊的防爆設施的建議。隨后，Filho等[3]又對聚丙烯增強水泥砂漿的性能進行了研究，結果顯示在一定程度上聚丙烯減少了砂漿的收縮，對其具有改善作用。Dias等[4]對玄武巖纖維增強混凝土的破壞特征進行了全面的試驗研究后發現，玄武巖纖維混凝土中纖維的摻量變化對混凝土的破壞表現出明顯的延性特征且使得混凝土的撓度和斷裂韌性具有所提高。2015年，美國學者Cory High等[5]對短切玄武巖纖維增強混凝土的結構性能進行了對比試驗，研究分析后發現，短切玄武巖纖維對混凝土材料的抗壓強度影響較小，但能有效提高混凝土梁的彎曲回彈模量值。2016年，Mehmet Emin Arslan[6]對混凝土分別摻加不同含量的玄武巖纖維和玻璃纖維，研究纖維增強混凝土的斷裂行為；結果顯示，玄武巖纖維增強混凝土和玻璃纖維增強混凝土試驗試件的劈裂強度和抗折強度的變化與纖維摻量的變化具有相同趨勢，但當纖維摻量超過一定閾值后，混凝土的抗折強度有所下降，摻加纖維的含量對混凝土抗壓強度值和回彈模量影響作用較小。

2 國內對纖維增強水泥穩定碎石性能的研究

國內學者針對不同種類纖維對水泥穩定碎石的性能改善情況展開了相關研究。2003年，王海波[1]對聚乙烯醇纖維的摻入對水泥砂漿的力學性能開展了一系列的探索，發現纖維對水泥砂漿的抗拉強度、抗沖擊性能以及抗裂阻裂性能均有明顯的改善，但對抗壓強度有所降低。同年，楊紅輝等[7]通過膨脹劑和聚丙烯纖維改善水泥穩定碎石，研究其抗裂性能的變化，得出膨脹劑和聚丙烯纖維混入到水泥穩定碎石中，不但對原水泥穩定碎石材料的抗壓強度和整體剛度具有改良作用并且可以有效抑制原水泥穩定碎石材料的早期收縮裂縫。2007年，馬銀華等[8]對采用聚丙烯纖維增強的水泥穩定碎石彎曲特性進行了全面的試驗探究，最終認為選擇合適的聚丙烯纖維與水泥穩定碎石混合可增強水泥穩定碎石材料的韌性、抗裂性以及持荷變形能力。2014年，X TZhang等[9]采用聚酯纖維改善水泥穩定碎石的路用性能，分析其抗裂性能的變化，發現摻加聚酯纖維的水泥穩定碎石強度可滿足各等級公路的施工要求且影響其強度的因素由大到小的順序依次為：膠結料水泥和粉煤灰、聚酯纖維、瀝青混合料回收料。2015年，李廣強[10]采用超纖維（一種纖維素）增強水泥穩定碎石，認為摻加超纖維的水泥穩定碎石在強度、剛度以及抗裂性等方面具有顯著提高。2015年，Z Liu[11]針對水泥穩定碎石摻加聚酯纖維的工程性能進行了全面試驗分析，通過對比纖維水泥穩定碎石材料的失水量、收縮系數、抗壓強度、劈裂強度和抗壓回彈模量來研究該復合材料隨養護齡期和纖維含量變化的收縮性能和力學性能，進而提出聚酯纖維的最優體積摻量為0.7‰。2016年，賀亞飛[12]首次將聚乙烯醇纖維（PVA）應用到水泥穩定碎石中并對其力學性能和抗裂性能進行深入研究，得出PVA可使得水泥穩定碎石的抗壓、劈裂和彎拉等方面的強度以及阻裂方面性能改善且存在差異性，而對收縮性能影響不一的結論。

3 纖維增強水泥穩定碎石材料性能的機理分析

目前，用于增強水泥穩定碎石的纖維樣式多種多樣，性能差異較大。但從根本上分析，纖維增強水泥穩定碎石材料的性能改善機理大致相同。當下，適用于纖維增強水泥穩定碎石的性能內部機理解釋的理論主要以復合材料力學理論為主，該理論將纖維和水泥穩定碎石看作一種復合材料。

復合材料理論是將由多種單一材料相結合或混合起來所構成的整體材料看作一個多相材料系統，各單一材料為單一相并認為其系統整體性能值是各相單一性能的疊加值。由于水泥穩定碎石材料的主要組成部分有粗細集料、水泥，則該材料從本質上說也是一種復合材料，也可將其看作一種簡易的混凝土。在實際應用中，由于材料組成、施工技術等原因，生產的水泥穩定碎石材料屬于非均質材料。這就導致水泥穩定碎石基層在承受彎拉應力作用時，在應力方向材料截面各點受力并不是均勻的，存在且分布著不規則的應力集中點和受力薄弱區，這些部位率先達到材料的抗拉強度極限，從而引起局部的塑性變形。此時倘若缺少其他材料（例如纖維等）加筋進行約束，裂縫就會擴展。如果在水泥穩定碎石內部摻入適當的細長狀材料（例如纖維等），則可在一定程度上約束材料的塑性變形，從而可分擔其部分內部應力，宏觀表現為延緩或者減少水泥穩定碎石材料的裂縫，即提高了水泥穩定碎石材料的抗拉強度極限[13]。

4 展望

1）對于纖維增強水泥穩定碎石的性能研究大都為室內試驗成型試件，使得的試驗結果與工程應用中的實際狀態存在差異。因此，需要對大尺度試驗、現場試驗等方法進行擴大研究。

2）在水泥穩定碎石的諸多性能中，抗疲勞性是一項重要特征指標。但目前，關于纖維增強水泥穩定碎石材料的性能研究主要集中在力學性能，對于耐久性以及疲勞性能的研究有待深入。

3）當下，纖維增強復合材料已廣泛應用，但如何判斷纖維是否在復合材料中均勻分布以及纖維在復合材料中的均勻性評價仍是研究的難點。因此，找到使纖維均勻分布在水泥穩定碎石中的施工工藝和均勻性評價，對纖維在工程中應用具有重大意義。