聚丙烯纖維對水泥冷再生材料力學及收縮性能影響研究

宋金華 繆一飛

摘要 選用聚丙烯粗纖維（PPTF）和普通聚丙烯單絲纖維（PP-Fiber）作為水泥穩定冷再生基層材料的外摻劑，對外摻2種聚丙烯纖維和未摻加纖維的水泥冷再生3種類型材料進行強度、剛度力學實驗及干縮、溫縮特性試驗，發現纖維的加入使水泥冷再生復合材料的強度先降低后升高，同時顯著提高其韌性;纖維的加入還能有效改善材料的干縮抗裂性能和抗溫度收縮性能，且聚丙烯粗纖維（PPTF）的抗縮裂改善效果優于普通聚丙烯單絲纖維（PP-Fiber），指出在水泥穩定冷再生基層材料中摻入聚丙烯粗纖維（PPTF）的最佳摻量應為0.1%～0.15%。

關 鍵 詞 聚丙烯纖維;水泥冷再生;強度試驗;剛度試驗;干縮特性試驗;溫縮特性試驗

中圖分類號 U416.03 ? ? 文獻標志碼 A

0 引言

水泥穩定類半剛性基層的強度和剛度大，承載能力強，是我國目前各等級公路中應用最多的基層類型，但半剛性基層易產生因溫度變化和含水率降低而導致的縮裂，影響道路使用壽命[1-2]。目前國內外相關學者針對于防治半剛性基層的兩類縮裂進行過大量的試驗研究，一方面從混合料自身角度入手，改善級配及水泥摻量;另一方面則是通過外摻各類改善劑如減水劑、膨脹劑及纖維、橡膠顆粒等材料以提高混合料的綜合抗裂能力[3]。

水泥穩定類冷再生基層作為水泥穩定碎石的一個衍生方向，近些年來以其優異的環保價值和便捷的施工操作被廣泛運用于各類道路的翻修再生工程中[4]。相較新集料而言，再生結合料的強度低、穩定性差，且表面可能裹附有舊的瀝青材料或水泥砂漿形成夾層，在同一情況下所形成的穩定類基層強度較低;再加上舊料比表面積更大，吸水性較新料更強，導致水泥冷再生類材料的最佳含水量比水泥穩定碎石高，因此更容易發生縮裂[5]。

有文獻指出[6-8]，聚丙烯纖維對提高水泥穩定碎石的抗縮裂性能有著突出作用，但同時也會影響水泥穩定碎石的力學性能，因此在水泥冷再生基層中應用聚丙烯纖維作為提高結構抗裂性能的外加劑還需經過一定驗證。為此本文擬選取聚丙烯粗纖維和普通聚丙烯單絲纖維兩種外摻纖維作為改善劑，對加入纖維后的水泥穩定冷再生材料的力學性能的變化規律及抗裂性能的改善程度進行對比研究。

1 原材料試驗

1.1 水泥

本次試驗所選擇的水泥為河北金隅鼎鑫P·C32.5復合硅酸鹽水泥，各項性能檢測指標見表1。

1.2 RAP料

本次試驗所選取的冷再生銑刨料為河北石家莊市省道S393贊皇段面層及部分基層銑刨料（舊路面面層為4 cm AC-13細粒式瀝青混凝土+5 cm AC-13粗粒式瀝青混凝土+18 cm水泥穩定碎石）。對銑刨料恒溫干燥24 h后再進行篩分試驗并繪制級配曲線（其中級配限值參照半剛性基層骨料級配范圍），結果見圖1。

實驗結果表明所選試驗路段舊路銑刨料的級配組成符合規范要求，因此可以選定該銑刨料直接作為再生層的骨料進行利用，無需添加新集料。

1.3 纖維

試驗所選用聚丙烯纖維分為2種，其中常規聚丙烯纖維選自山東泰安同伴公司所生產的PP-Fiber單絲聚丙烯纖維;聚丙烯纖維同樣選取該公司所生產的波浪形改性聚丙烯粗纖維PPTF（仿鋼纖維）。2種纖維的基本技術指標見表2。

2 力學性能試驗

2.1 試驗準備及試件制作

試驗采用重型擊實試驗對水泥穩定冷再生料進行最大干密度和最佳含水量的確定，試件成型方式為靜壓法，試件大小統一為Φ150 mm×150 mm，脫模后將試件用塑料薄膜覆蓋后轉移至標準養護條件下的恒溫室內進行養護，并于試驗所需養護齡期（7 d、28 d）的前1 d將試件提取后進行24 h恒溫水?。?0±2 ℃）。

實驗所選取水泥穩定冷再生料配合比統一按按水泥劑量5%進行設計，2種纖維摻量分別選定0.07%、0.11%和0.15%，并設置一組不摻任何纖維的基準配合比試件進行對照，配合比編號及擊實試驗結果見表3。

2.2 強度試驗及其結果

按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）中的試驗要求，對不同養生齡期下的各組試件分別進行無側限抗壓強度及劈裂強度試驗，實驗結果分別見表4、表5。

觀察表4及表5中的試驗數據可以看出，當養護齡期為7 d時，摻加2種纖維的水泥冷再生結合料的無側限抗壓強度和劈裂強度較基準配合比下的結合料相比均有顯著降低，按照《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG F41-2008）中無機結合料類冷再生基層的技術指標要求，作為二級公路基層的無側限抗壓強度（MPa）限值為≥3.0，外摻單絲聚丙烯纖維的3組水泥冷再生試件均小于該值。但當養護齡期至28 d時發現外摻纖維的水泥冷再生結合料的強度增長明顯，并于各自摻量為0.11%下出現峰值，無側限抗壓強度分別較基準配合比下的強度增長2.3%和6.2%;劈裂強度則分別在F2及T3摻量下增長了2.0%和18.1%。

這是由于在外摻纖維后，水泥冷再生材料中的早期水泥水化受阻，導致水泥與集料間的粘結力較低，因此在齡期較短時外摻纖維的水泥冷再生結合料強度低于未摻纖維的結合料。但隨著齡期增長，水泥水化產物逐漸變多，進一步裹附纖維和集料，使纖維與集料間錨固作用得到發揮，限制了集料間的相對滑移，因此當試件破壞時所承受的荷載越大，結合料的強度得到提升。

觀察2種不同外摻纖維下的實驗結果，發現PPTF對結合料早期強度的限制作用較常規聚丙烯單絲狀纖維而言更低;且隨著聚丙烯粗纖維摻量的增大，劈裂強度也隨之提高。這是由于冷再生結合料中骨料的致密性較差且表面粗糙，較粗的纖維在嵌入骨料間的縫隙中后更能起到加筋和錨固作用[8]。

2.3 剛度試驗及其結果

水泥冷再生結合料的剛度試驗參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）中水泥穩定碎石的試驗要求，抗壓回彈模量采用頂面法，劈裂回彈模量采用與劈裂強度試驗相同的壓條并于加載板兩側各安裝固定一個千分表。2種模量測定選取最大荷載均為破壞荷載的0. 6倍，分5級加載測定回彈變形量，讀取千分表讀數并分別按式（1）、式（2）進行模量計算。

觀察表6及表7中試驗結果可以看出，在摻入2種纖維后，7 d齡期下和28 d齡期下的回彈模量均隨纖維的摻入而呈現下降的趨勢，且摻量與剛度降低量成正比。說明纖維的加入會降低復合材料的剛度，提高復合材料的柔性。同時發現外摻2種不同形態的聚丙烯纖維較基準配合比剛度降低值差異不大。

3 干縮性能試驗

3.1 干縮試驗準備及方法

干縮試驗參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）中水泥穩定碎石中梁（100 mm×100 mm×400 mm）試件進行水泥冷再生結合料試件的制備，振動成型，壓實度≥98%。將成型試件靜置4 h后放入養護室（20±2 ℃，濕度≥95%）進行養護，到達指定齡期后取出試件進行試驗。

干縮試驗在40 ℃恒溫箱內進行，按照之前力學性能試驗中所選取的配合比及纖維摻量設置對照實驗組，每組試塊選定為3個，其中2個采用千分表支架法測定試塊的收縮變形，1個用于測定規定時間下的質量，以反映含水量變化?？紤]到含水量早期變化程度較大，后期變化減緩，因此在最初的24 h內每隔2 h測定一次含水量和千分表讀數，24 h后每隔4 h測定一次，直至連續3次所測得含水量變化值趨于零為止。

3.2 干縮試驗結果

將經干縮試驗測定的千分表讀數分別進行記錄，并按式（3）的干縮應變計算式進行結果統計，并分別將7 d、28 d齡期下最大干縮應變結果繪制為折線圖（圖2、圖3）。

觀察試驗結果可以看出，7 d齡期下，外摻單絲聚丙烯纖維的試件和外摻聚丙烯粗纖維的試件其最大干縮形變抑制量相近，但至28 d齡期時，外摻聚丙烯粗纖維的試件干縮形變要明顯低于前者;同時28 d齡期下，F2、T2摻量的平均干縮系數均達到最小。

在外摻纖維后，一方面由于纖維阻塞了毛細孔，使得水分遷移能力降低，另一方面纖維與基體材料中的骨料及水泥水化產物形成機械擠嵌作用，限制了材料內部骨料的相對滑移。此外由于纖維自身與基體材料較大的熱膨脹差異，形成“導管”效應，使得外界應力相同條件下，更多的應力通過纖維進行傳遞和消散，從而降低材料的干縮應變[9]。隨著兩種纖維摻量的增加，干縮應變較基體材料均呈現出先降低后升高的趨勢。

將配合比編號為W、F2、T2這3組試件的干燥收縮過程所獲取的試驗數據結果進行統計，并分別繪制累計干縮應變—累計失水量、平均干縮系數—累計失水量關系圖，見圖4、圖5。

觀察圖4、圖5可以看出，外摻纖維的2組試件累計干縮應變與平均干縮系數均較基準配合比試件組有明顯提升，T2與F2在累計失水量小于3. 0%之前的累計干縮應變和平均干縮系數相近，但當累計失水量大于3. 0%后，T2的累計干縮應變增長速度要明顯緩于F2，平均干縮系數降低值也較F2而言更低，降低基體材料對于水分的敏感程度更優異。

4 溫縮性能試驗

4.1 溫縮試驗方法

溫縮性能試驗采用應變片法對試件進行測定，試驗在高低溫環境箱中進行，結合路面基層冬夏季極限溫度狀況，將溫度變化范圍選定為-20～40 ℃，將環境箱溫度初值設為40 ℃，降溫速度0. 5 ℃/min，以每降低10 ℃為一階段，到達指定溫度后恒溫4 h后記錄應變值，重復上述實驗步驟至最低實驗溫度為止。

試驗選取各配合比實驗組中試件為每組3個，選取無機硅酸鹽材料作為溫度補償片。分別在各組養護7 d及28 d條件下進行試驗，將實驗所獲取數據保存記錄。

4.2 溫縮試驗結果

對試驗后所采集的數據進行整理，將所獲取不同養護條件下各實驗組的最大溫縮應變繪制成折線圖（圖6、圖7）。

觀察圖6、圖7可以看出，在7 d養護齡期下，隨著2種纖維摻量的增加，試件最大溫縮應變均呈現降低趨勢，且摻入普通聚丙烯纖維的試驗材料較摻入聚丙烯粗纖維的試驗材料其溫縮應變降低值更高;而在28 d養護齡期下則呈現與7 d齡期下恰好相反的實驗結果。

將不同養護齡期下各實驗組的平均溫縮系數[αt]分別進行計算，結果見表9;將28 d養護齡期下、不同降溫區間下配合比編號W、F2、T2的溫縮系數分別計算，結果見表10。

觀察表9可以看出，在同一纖維摻量下，28 d養護齡期所獲取試驗溫縮系數均高于7 d齡期下結果;而外摻纖維后，復合材料的溫縮系數均較基體材料有顯著降低，且隨著纖維摻量的增加，降低效果隨之增強。

同時觀察表10發現，在同一降溫區間內，T2溫縮系數較F2而言更低;隨著溫度區間的降低，尤其是從―10～10 ℃區間內，摻加纖維后的復合材料溫縮系數較未摻加纖維的更低，說明纖維的加入對抑制水泥冷再生材料溫度收縮具有一定效果。

5 結論

通過對外摻聚丙烯粗纖維（PPTF）和普通聚丙烯單絲纖維（PP-Fiber）的水泥穩定冷再生基層材料的強度、剛度及干縮性能的試驗對比分析，得出如下幾點結論。

1）聚丙烯纖維的加入會使得水泥穩定冷再生材料的早期強度降低，但后期強度會恢復至正常水平乃至更高，在評價外摻聚丙烯纖維對水泥穩定冷再生材料強度的影響作用時應當采用28 d齡期后趨于穩定的強度值。

2）2種聚丙烯纖維均能降低水泥穩定冷再生材料的剛度，提升材料的韌性。

3）2種聚丙烯纖維均能改善水泥冷再生材料的干縮特性及溫縮特性，纖維的加入使得材料對水分和溫度的敏感度降低，提升材料的應力擴散能力;且摻加聚丙烯粗纖維的水泥冷再生材料的抗縮性能要優于摻普通聚丙烯單絲纖維的水泥冷再生材料。

4）綜合2種纖維對水泥冷再生基層材料的強度、剛度及干縮、溫縮特性影響效果，認為在工程中選擇摻加0.1%～0.15%的聚丙烯粗纖維效果具有更高改善效果;但從經濟角度來看聚丙烯粗纖維的造價略高于普通聚丙烯單絲纖維，在工程中應用時應當根據實際需求進行選擇。

參考文獻：

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[責任編輯 ? ?楊 ? ?屹]