玄武巖纖維對水泥穩定碎石混合料強度提升效果研究

劉妍宏

（山西路橋第二工程有限公司 臨汾市 041000）

水泥穩定碎石混合料由于價格相對低廉、承載能力強、耐久性好，在我國得到了大面積的使用［1-2］。但在使用過程中，存在易產生收縮裂縫的嚴重缺陷，使道路的服務水平大幅度下滑，其裂縫分為干縮和溫縮兩種裂縫，干縮裂縫是水泥穩定碎石攤鋪后養生過程中，水分蒸發及內部水化反應引起體積收縮產生的裂縫，溫縮裂縫是水穩碎石基層隨外界氣候溫度變化引起收縮應變及溫度疲勞而產生的收縮裂縫［3-4］。目前水穩層反射裂縫的產生主要是溫縮裂縫導致，行車過程中雨水下滲，最終產生積漿等病害。美國Cory High［5］等研究人員對玄武巖纖維增強水泥混凝土強度方面做了大量的研究，表明添加玄武巖纖維對水泥混凝土的抗彎拉強度提升效果明顯。國內外研究人員對水泥穩定碎石裂縫的產生機理及防治措施進行了大量的研究，形成了部分成果，如水穩碎石中添加聚酯纖維、鋼纖維等，但從價格方面均大幅度提高了工程造價。從水穩層產生裂縫的發生、發展角度，研究了裂縫的產生機理，同時選用價格相對便宜、性能良好的玄武巖纖維，研究玄武巖纖維摻量、水泥劑量、養生齡期對水泥穩定碎石強度的影響，提出合理的玄武巖纖維摻量。

1 評價指標

首先，在4%水泥穩定碎石中添加不同摻量的玄武巖纖維，研究其對水穩碎石7d、28d無側限抗壓強度的影響，計算玄武巖纖維的最佳摻量。其次，采用最佳玄武巖纖維摻量，在改變齡期、水泥摻量的情況下，研究齡期、水泥摻量對玄武巖纖維水穩混合料強度的影響。本次試驗分別選取玄武巖纖維用量為水泥穩定碎石混合料質量摻量的0‰、0.442‰、0.663‰、0.883‰、1.1‰；選用3% ～6%四種水泥劑量，間隔1%；選用7d、28d、90d三種養護齡期進行試驗。

2 原材料及混合料設計

水泥采用P.O 42.5普硅水泥，性能滿足P.O 42.5普硅水泥的技術要求。玄武巖纖維技術要求見表1。集料為石灰巖碎石。

表1 玄武巖纖維基本技術性質

表2 水穩混合料級配組成設計

對未摻玄武巖纖維的4.0%水泥摻量水穩碎石混合料擊實試驗，得出最佳含水量為5.5%，最大干密度為2.445 g／cm3。

3 試驗結果及分析

3.1 纖維摻量的影響

不同摻量的玄武巖纖維水泥穩定碎石混合料強度試驗結果見圖1。

隨纖維摻量的增加，水穩混合料7d無側限抗壓強度呈先上升后下降的趨勢，28d無側限抗壓強度基本呈單調上升的趨勢。當纖維質量摻量為0.559‰時，7d無側限抗壓強度最高，此時，7d無側限抗壓強度相對未添加纖維時強度提升38.5%，28d無側限抗壓強度相對未添加纖維時強度提升6.25%。

采用適量的玄武巖纖維與水泥穩定碎石混合料拌和后，玄武巖纖維在混合料中可以較為均勻的分布，在水泥穩定碎石內部形成三維加筋、限位的作用，而纖維摻量較少時，纖維散亂的分布于水穩混合料中，加筋效果并不明顯。玄武巖纖維的亂向分布可削弱水穩混合料的溫縮、干縮應力，從而有效地增強水泥穩定碎石混合料的韌性，減小水泥穩定碎石因各種原因引起的裂紋。當添加過量的玄武巖纖維時，由于纖維材料的“結團”現象存在，過多的纖維將在水泥穩定碎石中以“團-網”的形態分布，其中的“團”將會對水泥水化產物起到隔離、間斷的作用，同時“團”中部分纖維絲并未與水泥膠漿產生握裹聯結作用，試件在加載時，將會在纖維“團”處產生應力集中，過早地出現早期破壞。

3.2 養護齡期的影響

不同齡期玄武巖纖維水泥穩定碎石無側限抗壓強度試驗結果見圖2。

從圖2可看出，玄武巖纖維質量摻量為0.559‰、水泥摻量為4%時，隨著水泥穩定碎石養護齡期的延長，兩種水穩混合料的無側限抗壓強度均呈現增長趨勢，具體為先增長較快，后增長相對緩和。添加玄武巖纖維后，無側限抗壓強度均高于不添加的混合料，28d強度相對比較接近，但強度仍高出不添加纖維的混合料6.25%；90d強度高出不添加纖維的混合料16.7%。由此可知，玄武巖纖維的強度性能隨養護齡期的延長，表現更為明顯。

水泥穩定碎石混合料拌和初期，水泥尚未發生水化反應，自身尚未形成強度，隨著齡期的延長，水泥逐漸水化，與纖維之間握裹力逐漸增強，并形成相互連接的網狀結構，最后水泥膠結料與纖維、碎石形成一個完整、連續的整體，進而使纖維可以充分發揮其增強的作用。

3.3 水泥摻量的影響

改變水泥摻量，水穩混合料無側限抗壓強度試驗結果見圖3。玄武巖纖維質量摻量為0.559‰時，隨水泥摻量的增加，水泥穩定碎石的7d、28d強度均增加，在水泥劑量不超5%時，強度隨水泥劑量的增加上升相對較快，但當摻量超過5%時，強度上升明顯變緩。

水泥摻量較小時，膠結物和晶體均相對較少，與玄武巖纖維不能形成有效的三維網狀膠結結構，無側限抗壓強度較低。當水泥摻量增加后，膠結物和晶體不斷增加，縮短了水泥漿中固體顆粒的距離，使顆粒與顆粒、顆粒與纖維相互連接，形成骨架結構，最終表現為強度繼續提高。當繼續提高水泥摻量時，水化后的晶體和纖維、集料黏結更為緊密，此時，三維網狀的纖維強度發揮得更為明顯。

4 結論

（1）當玄武巖纖維質量摻量為0.559‰時，7d無側限抗壓強度最高，此時，7d無側限抗壓強度相對未添加纖維時強度提升38.5%，28d無側限抗壓強度相對未添加纖維時強度提升6.25%。當繼續增加纖維摻量時，7d無側限抗壓強度有所下降，28d無側限抗壓強度并沒有明顯提高。表明纖維質量摻量為0.559‰時，玄武巖纖維水泥穩定碎石可獲得最高的強度性能。

（2）水泥摻量為4%，玄武巖纖維質量摻量為0.559‰時，隨著水泥穩定碎石養護齡期的延長，水穩混合料7d、28d無側限抗壓強度均呈增長趨勢，且均高于不添加的水穩混合料，隨養護齡期的延長，表現更為明顯。

（3）水泥穩定碎石中玄武巖纖維質量摻量為0.559‰時，隨水泥摻量的增加，玄武巖水泥穩定碎石的7d、28d強度均增加，但水泥劑量超過5%時，強度上升變緩。