聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水穩(wěn)碎石基層抗裂性能的研究

劉恩富

中建七局第二建筑有限公司，安徽合肥 230001

聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水穩(wěn)碎石材料，是一種脫胎與半剛性的材料，在以往的研究與建設(shè)當(dāng)中得知，半剛性材料具備強(qiáng)度高、剛度大、抗沖刷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但半剛性材料的缺陷十分明顯，即抗裂性能較弱，在長(zhǎng)久的應(yīng)用之下，很容易導(dǎo)致道路結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，而為了對(duì)此進(jìn)行改善，相關(guān)研究在半剛性材料基礎(chǔ)上，研發(fā)出了聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水穩(wěn)碎石材料，在理論上，此材料的抗裂性能相對(duì)較高，但因?yàn)槠鋵?shí)際應(yīng)用較少，所以抗裂性能的可靠性相對(duì)不足。

1 聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水穩(wěn)碎石材料基層抗裂性能研究

1.1 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

本文對(duì)聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水穩(wěn)碎石材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究，研究主要參考《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》來(lái)進(jìn)行研究。研究為了保障代表性，采用了不同長(zhǎng)度聚乙烯醇纖維，纖維長(zhǎng)度0、18、30mm，其中0mm代表不摻入聚乙烯醇纖維的原有結(jié)構(gòu)。

1.2 力學(xué)性能道路結(jié)構(gòu)有限元模型構(gòu)建

為了進(jìn)行對(duì)比，本文參考了某實(shí)例工程，該工程原有水泥穩(wěn)定碎石基層厚度為56cm，進(jìn)而本文在此條件下進(jìn)行有限元模型構(gòu)建[1]。本文的有限元模型構(gòu)建主要分為兩個(gè)部分，第一個(gè)為初始階段，即構(gòu)建出第一個(gè)模型之后，通過(guò)Abaqus軟件對(duì)模型進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示第一個(gè)模型過(guò)于復(fù)雜，有必要進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)而本文開始了第二階段的模型構(gòu)建，最終構(gòu)建出簡(jiǎn)化的道路結(jié)構(gòu)模型。

1.3 聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

依照上述的有限元模型，對(duì)聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石不同齡期試樣的劈裂強(qiáng)度

通過(guò)表1可以看出，在聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石方面，其劈裂強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，在于上述普通的水泥穩(wěn)定碎石有限元模型相比，其劈裂強(qiáng)度得到了明顯的提高。而在不同長(zhǎng)度的聚乙烯醇纖維方面，其因?yàn)榫垡蚁┐祭w維的作用，水泥穩(wěn)定碎石材料的強(qiáng)度增長(zhǎng)形成了規(guī)律性，而這樣說(shuō)明聚乙烯醇纖維的劈裂強(qiáng)度與纖維長(zhǎng)度之間存在線性關(guān)系，因此，說(shuō)明聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石具備了提高工程結(jié)構(gòu)劈裂強(qiáng)度的能力，有助于抗裂性能的增長(zhǎng)。

1.4 聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量試驗(yàn)

基于理論了解到，材料的剛度代表著材料對(duì)外力的抵抗能力，當(dāng)材料受到外界壓力時(shí)，材料本身的剛度將決定材料的是否變形、變形程度，而如果變形程度過(guò)大，就可能會(huì)導(dǎo)致斷裂現(xiàn)象，因此材料的剛度與抗裂性能有密切聯(lián)系[2]。本文為對(duì)聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石的剛度進(jìn)行研究，采用了抗壓回彈模量試驗(yàn)法。

實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，針對(duì)上述有限元模型進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)，即對(duì)原有模型進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)、對(duì)摻入不同長(zhǎng)度的聚乙烯醇纖維進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 原有模型與不同長(zhǎng)度聚乙烯醇纖維有限元模型抗壓回彈模量試驗(yàn)法結(jié)果

結(jié)合表2可以看到，原有的有限元模型在摻入不同長(zhǎng)度的聚乙烯醇纖維之后，其抗壓回彈模量在逐漸下降，并隨著聚乙烯醇纖維長(zhǎng)度增長(zhǎng)，聚乙烯醇纖維的抗壓回彈模量下降程度越多，這說(shuō)明在聚乙烯醇纖維的作用下，能夠有效提高結(jié)構(gòu)的剛度，聚乙烯醇纖維長(zhǎng)度越大則剛度越大。

2 水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)抗裂性分析

下文在上述有限元模型之下，對(duì)水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)抗裂性進(jìn)行直接分析。

2.1 應(yīng)力強(qiáng)度因子分析

實(shí)際應(yīng)用上，在水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)建設(shè)的一系列過(guò)程當(dāng)中，其難免會(huì)出現(xiàn)工程裂縫，而工程裂縫會(huì)在一定程度上產(chǎn)生擴(kuò)張，如果水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)不具備良好的抗裂性能，那么工程裂縫的擴(kuò)張就可能難以抑制，導(dǎo)致大面積裂縫現(xiàn)象，不利于結(jié)構(gòu)質(zhì)量。但水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)的抗裂性能來(lái)自于多個(gè)方面，例如，劈裂強(qiáng)度、剛度等，在多項(xiàng)性能的應(yīng)力強(qiáng)度因子影響下，才能形成良好的抗裂性能。本文為了了解水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，結(jié)合上述有限元結(jié)構(gòu)，對(duì)三種不同的裂縫現(xiàn)象進(jìn)行分析。

裂縫現(xiàn)象可以分為三種，即張開型、滑開型、撕開型。張開型的裂縫應(yīng)力方向是由下至上，所以要對(duì)此進(jìn)行抑制，水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)就應(yīng)當(dāng)具備由上至下的應(yīng)力強(qiáng)度因子；滑開型的裂縫應(yīng)力方向是前后同時(shí)進(jìn)行，所以要對(duì)此進(jìn)行抑制，水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)就應(yīng)當(dāng)具備相反的應(yīng)力強(qiáng)度因子；撕開型的裂縫應(yīng)力方向是由左至右，所以要對(duì)此進(jìn)行抑制，水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)就應(yīng)當(dāng)具備相反的應(yīng)力強(qiáng)度因子。

為了對(duì)水穩(wěn)碎石道路結(jié)構(gòu)的抗裂性能進(jìn)行分析，本文在上述有限元模型的基礎(chǔ)上，同樣增加了不同長(zhǎng)度的聚乙烯醇纖維，再人工制造相應(yīng)的裂縫現(xiàn)象，并逐漸加大裂縫產(chǎn)生的力度，力度值為1.0、1.2MPa，以此觀測(cè)聚乙烯醇纖維對(duì)三種裂縫的抵抗應(yīng)力，了解聚乙烯醇纖維的應(yīng)力強(qiáng)度因子。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石在聚乙烯醇纖維的應(yīng)用之下，隨著長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，其抵抗裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子就越高，而隨著施加力度的提高，應(yīng)力強(qiáng)度因子的數(shù)值就越低，但這屬于正常的力學(xué)現(xiàn)象，而且其數(shù)值降低的程度不大，說(shuō)明聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石具有良好的應(yīng)力強(qiáng)度因子，提高了結(jié)構(gòu)的抗裂性能。

2.2 抗裂耐久性分析

因本文研究主要以實(shí)際道路結(jié)構(gòu)使用為背景，所以需要考慮到長(zhǎng)時(shí)間使用后的抗裂性能，因此進(jìn)行了抗裂耐久性分析。本文主要采用直接拉伸實(shí)驗(yàn)方法來(lái)對(duì)抗裂耐久性進(jìn)行分析，采用統(tǒng)一18mm聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石樣品，通過(guò)拉伸設(shè)備，對(duì)樣品進(jìn)行直接拉伸5次，之后將樣品放置5h之后，進(jìn)行了上述三種裂縫抗裂性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在直接拉伸之后，聚乙烯醇纖維水泥穩(wěn)定碎石的應(yīng)力強(qiáng)度因子相對(duì)下滑，但程度不大，并同樣屬于正常力學(xué)變化，因此說(shuō)明聚乙烯醇纖維可提高水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能，能夠有效增強(qiáng)我國(guó)道路建設(shè)質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究目的在于證實(shí)聚乙烯醇纖維是否可增強(qiáng)水穩(wěn)碎石基層抗裂性能，結(jié)果顯示聚乙烯醇纖維可提高水穩(wěn)碎石的劈裂強(qiáng)度、剛度，可間接提高抗裂性能，最終對(duì)聚乙烯醇纖維的抗裂性能進(jìn)行了直接分析，主要針對(duì)其中應(yīng)力強(qiáng)度因子、抗裂耐久性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示聚乙烯醇纖維能夠增強(qiáng)水穩(wěn)碎石基層抗裂性能。