不同玻璃纖維摻量及長度下的水泥碎石抗裂性能分析

穆莊莊　宋海濤　軒元偉

摘 要：玻璃纖維水泥碎石混料作為路基填料具有較強的應用價值。文章研究了不同摻量及纖維長度的玻璃纖維對水泥混料抗裂性能的影響規律，通過溫縮、干縮試驗分析其溫縮及干縮性能和不同纖維長度、摻量對水泥碎石混料抗裂性能的影響，并探討了其抗裂機理及原理。

關鍵詞：玻璃纖維；摻量；纖維長度；水泥碎石混料；抗裂性能

中圖分類號：U414 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）03-0067-02

Abstract： Glass fiber cement macadam mixture as roadbed filler has a strong application value. The influence of glass fiber with different content and fiber length on the crack resistance of cement mixture is studied in this paper. The effects of temperature shrinkage and dry shrinkage properties， fiber length and content on the crack resistance of cement macadam mixture were analyzed by temperature shrinkage and dry shrinkage tests， and the mechanism and principle of crack resistance were discussed.

Keywords： glass fiber； dosage； fiber length； cement macadam mixture； crack resistance

水泥穩定碎石材料的抗變形能力不強，且彈性變形差，如果增大其失水率，則易導致收縮裂縫，若干縮盈利超出其抗拉極限荷載，就會導致路基層表面開裂[1]。同時，隨著季節及溫度變化，水泥穩定碎石材料溫度也隨之變化，從而會造成溫度收縮開裂。在行車荷載作用下，裂縫會像瀝青層面反射，即出現反射裂縫，造成路面性能下降，縮短使用壽命。

有文獻資料[2]顯示，纖維能夠強化水泥穩定碎石抗裂能力。本文應用玻璃纖維碎石穩定碎石進行研究，分析在不同摻量及長度下，玻璃纖維-水泥碎石的抗裂性能，以期發現纖維長度及摻量對水泥混料抗裂性能強度的影響規律。

1 試驗方法及材料

1.1 玻璃纖維

本文選用耐堿玻璃纖維作為試驗用纖維，其技術參數分別為：硬挺度125±20mm；可燃物含量為1.2±0.15（%）；線密度為2400±120（tex）；斷裂伸長率2.45（%）；含水率≤0.15（%）；單絲直徑為15μm；密度2.7g/m3，抗拉強度1800MPa。設定摻量0.05%、0.15%和0.25%，纖維長度分別是6毫米、12毫米和18毫米。

1.2 集料

本試驗所用水泥為中聯普通硅酸鹽水泥（PC32.5）。

1.3 玻璃纖維配合比

本文所選玻璃纖維長度及摻量配合比設計如下：G0：略；G1：纖維摻量（%）0.05、纖維長度（mm）6；G2：0.15%、6mm；G3：0.25%、6mm；G4：0.05%、12mm；G5：0.15%、12mm；G6：0.25%、12mm；G7：0.05%、18mm；G8：0.15%、18mm；G9：0.25%、18mm。

2 試驗方案

2.1 干縮試驗方案

依據公路工程結合料穩定材料試驗的相關規程及試驗方法的操作標準，選擇齡期為7天的梁式試件實施干縮試驗，試驗濕度設定為50%，溫度設定為20℃，干縮變形測試采用平臥式支架法進行。

2.2 溫度收縮試驗方案

依據公路結合材料試驗規范中溫縮試驗的相關標準，對梁式試件的7天和28天齡期進行溫縮試驗。溫縮試驗溫度范圍為：-20℃至50℃，溫度級別測定總共7個，溫差10℃，降溫速率設定10℃/h，位移采集間隔時間為5分鐘，恒溫時間3小時。

3 試驗結果分析

3.1 干縮試驗結果分析

不同摻量玻璃纖維-水泥混合料的7Ian齡期失水量和干縮應變的干縮系數分別為：G0～G9的最大干縮應變（？滋？著）分別為：372、363、345、356、366、342、362、336、322、340；最大失水率（%）：2.77、2.57、2.42、2.37、2.34、2.25、2.19、1.90、1.53、1.40；干縮系數（？滋？著/%）：85.6、77.6、70.5、81.7、67.3、58.4、71.6、54.1、45.3、59.1。

結果顯示，如果長度及摻量增加，混料的最大失水率則下降，玻璃纖維長度越大、摻量越多，玻璃纖維-水泥混料的最大失水率也就越低。而其最大干縮應變及干縮系數則同其摻量和長度的變化規律相同，具體分析如下：

（1）纖維長度方面

不同摻量下混合料的干縮系數同纖維長度呈反比，隨著纖維長度增加而下降[3]。可見，玻璃纖維長度越大，其抗干縮性能越強。如果摻量0.15%，纖維長度分別為0毫米、6毫米及12毫米的纖維長度混合料的干縮系數則會比纖維長度為18毫米的干縮系數多87.9%、55.3%和28.8%。這是因為玻璃纖維的抗拉能量較好，增加玻璃纖維長度，也會增加纖維同水泥混料間的接觸點，使其同基體連接的能力隨之增強，從而能夠有效改善水泥混合料抗拉強度低的缺點，增強其抗干縮性能。

（2）纖維摻量與干縮系數變化間的關系

在纖維長度固定的情況下，在摻量≤0.15%范圍內，混合料干縮系數同玻璃纖維摻量呈反比，隨著摻量的增加而下降。這是因為玻璃纖維混合料的表層纖維會降低混合料失水面積，使水分蒸發速度下降，進而降低了因失水所致的毛細管張力[4]。同時，增加玻璃纖維摻量，玻璃纖維同水泥混合料基體間界面的機械齒合力、粘結力也會強化，進而使混合料干縮系數顯著下降。如果玻璃纖維摻量超出0.15%，玻璃纖維-水泥混合料干縮系數則會變大。纖維摻量過高，使每根玻璃纖維表面水化膠結物含量下降，使混合料內部極易產生微裂縫和空隙，進而使玻璃纖維混合料抗拉強度下降。所以，如果玻璃纖維摻量多于0.15%，則玻璃纖維-水泥混合料的抗開裂干縮的能力則會下降。

3.2 溫縮試驗結果分析

各組配合比試件7天、28天齡期的溫縮應變結果（數

據略）。各齡期纖維長度、溫度和摻量對溫縮系數的影響情況分析如下：

（1）齡期對溫縮系數的影響

由圖1可知，增加養護齡期后，其溫縮系數也隨之增加，但纖維摻量及長度增加后，各齡期混合料溫縮系數間的差距變小。

在試驗溫度范圍內，玻璃纖維混合料溫縮系數隨溫度下降而上升，且在0℃-10℃時達到最大化。增加玻璃纖維長度及摻量，各溫度區間的溫縮系數變化平緩，表明玻璃纖維對溫縮變形具有很好的抑制作用。

（2）纖維長度及摻量

各齡期纖維混合料溫縮系數同纖維長度呈反比，但其溫縮系數同摻量變化較為一致，呈正比關系。從上述分析可知，當玻璃纖維長度為18毫米，摻量為0.15%時，其配合比為最佳配合比。

3.3 玻璃纖維提升混合料抗裂性能的機理

玻璃纖維-水泥混合料的粘結方式主要有摩擦和粘著兩種方式，外力作用使其發生變形，玻璃纖維及水泥混料會一起承受外力，且在嵌固點因并行增加而產生摩擦力，與基體間會生成一種內聚力，進而可以抵抗變形繼續發生。若摩擦力難抵抗外力而發生變形，粘著連接則會起作用，直到極限應變為止。

玻璃纖維在混合料中形成網狀支撐體，能夠約束和包裹骨料顆粒，使其形成堅實整體，增加纖維摻量，混料中纖維根數也增加，其對膠結物及混合料的約束力也提高，進而限制混料變形收縮力增加。同時，玻璃纖維連接強度高，能提高混合料抗裂性能。

4 路用性能測試

取100米路段，分3個試驗區，玻璃纖維摻量分別為0.05%、0.15%、025%，玻璃纖維長度分別取6毫米、12毫米和18毫米。玻璃纖維-水泥混料均用于道路路基層，試驗基層分為2區，每區4層填筑，每層填筑及碾壓成型厚度20厘米，因篇幅限制，本文僅取1層給出測試結果。依據上述試驗結果，本路用性能試驗設計參數均依據原設計進行。路用性能測試主要有承載力、回彈彎沉值及壓實度等，本文限于篇幅僅給出承載力檢測結果，試驗方法為加州承載比法進行，操作依據相關國家標準及規范進行。

各試驗區設置觀察點8個，為方便比較，均去其平均值進行分析，各齡期內承載力測試結果7天齡期各試驗區無太大差距，但纖維長度6毫米、12毫米的承載力低于纖維長度18毫米的承載力；在7天、28天齡期內，各種摻量的承載力較為一致，但齡期越長，其承載力越大，在摻量固定時，纖維長度越長，承載力也越長，纖維長度超出18毫米時，卻無明顯變化。當摻量超出0.15%時，其承載力變化不明顯，也就是說，在道路實際應用中，應將玻璃纖維摻量控制在合適的范圍內，以減少經濟投入。

總之，玻璃纖維長度及摻量增加，混合料最大失水率顯著降低，干縮系數同纖維長度成反比，抗干縮性能增強。摻量≤0.15%時，干縮系數與摻量成反比，摻量>0.15%，干縮系數則與摻量成正比。纖維長度增加，其溫縮系數下降，在充分考慮玻璃纖維-水泥混料抗溫縮開裂及抗干縮開裂性能時，玻璃纖維最佳長度應為18毫米，最佳摻量應為0.15%。經過路用性能試驗驗證，上述結果均可靠。

參考文獻：

[1]柴琦龍.玻璃纖維混凝土在隧道薄壁中隔墻中的應用研究[J].建筑技術，2017，48（11）：1179-1182.

[2]吳潛，孫小巍，王瑾.纖維復摻對泡沫混凝土性能影響的研究[J].混凝土，2017（03）：157-160.

[3]王小鳳，徐磊磊，王進璽.玻璃纖維超粘薄磨耗層路用性能試驗研究[J].高科技纖維與應用，2017，42（01）：31-36+47.

[4]亓松彬.耐堿玻璃纖維在水泥混凝土砂漿中的應用研究[J].混凝土世界，2016（10）：80-85.