玄武巖纖維、膨脹劑及橡膠粉對水泥穩定碎石的路用性能影響

吳正生

摘 要：基于無側限抗壓強度試驗、劈裂強度試驗、抗壓回彈模量試驗及干縮試驗，本文展開了摻玄武巖纖維、橡膠粉、膨脹劑及普通水泥穩定碎石混合料的無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量、干縮性能對比試驗研究。試驗結果表明：玄武巖纖維、膨脹劑、橡膠粉對混合料的干縮性能改善效果明顯。摻玄武巖纖維和摻膨脹劑對混合料力學性能提升效果較好，其90d抗壓強度分別較普通混合料增加了12.1%、10.3%。而摻橡膠粉則弱化了混合料的力學性能發展，其90d抗壓強度較普通混合料減少了12.1%。

關鍵詞：玄武巖纖維;橡膠粉;膨脹劑;力學性能;干縮性能

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.30.067

0 引言

水泥穩定碎石基層作為一種典型路面半剛性基層結構層，由于其具有強度大、剛度優、穩定性和耐久性好等特點，被廣泛應用于高速公路建設，目前我國已建高速公路中半剛性基層利用率高達90%。然而水泥穩定碎石材料也存在抗變形能力較差的問題，易在溫度及濕度作用下產生收縮開，導致承載力下降，從而進一步引起路面開裂等不良現象。通過摻適量的橡膠粉有利于提高水泥穩定材料的穩定性，摻膨脹劑、纖維對有利于改善水泥穩定材料的抗裂性能。因此，本文主要展開摻玄武巖纖維、膨脹劑、橡膠粉三種添加劑下對比無添加劑下的水泥穩定碎石混合料力學性能、干縮性能試驗研究，分析不同添加劑下的路用性能變化規律，從而為后續的工程實踐提供一定的參考。

1 原材料

試驗所用水泥為南方水泥有限公司生產的42.5普通硅酸鹽水泥;玄武巖纖維選用浙江石金玄武巖纖維有限公司生產的，型號為BFCS-17-264-20-W;膨脹劑選用長沙東科建材科技有限公司生產的WDN型粉劑;橡膠粉采用四川金摩爾環保材料有限公司生產的60目橡膠粉。

2 混合料試驗方案

2.1 級配設計

試驗用粗集料采用石灰巖碎石，細集料采用機制砂。水泥穩定碎石基層材料級配采用《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）規范推薦的水泥穩定級配碎石或砂礫（C-B-3）級配范圍中值，見表1。

2.2 擊實試驗

試驗采用質量分數為4%的水泥，以玄武巖纖維摻量為0.3‰、0.5‰和0.7‰，膨脹劑摻量為3%、5%和7%，橡膠粉摻量為3%、6%、9%進行設計，綜合考慮路用及經濟性能，對玄武巖摻量為0.5‰，膨脹劑摻量為5%，橡膠粉摻量為6%的混合料進行對比分析。混合料擊實試驗選用重型擊實法來確定最大干密度和最佳含水量，三種摻加劑及普通混合料的擊實結果見圖1。

由圖1可知，四種混合料最大干密度大小為普通<摻玄武巖纖維<摻橡膠粉<摻膨脹劑，其中普通類最大干密度為2.338g/cm3，摻膨脹劑的最大干密度為2.361g/cm3，最佳含水率大小為摻玄武巖纖維<普通<摻膨脹劑<摻橡膠粉，其中摻玄武巖纖維最佳含水率為5.0%，摻橡膠粉最佳含水率為6.3%。究其原因，玄武巖纖維的加入堵塞及覆蓋了混合料的內部的毛細孔通道，延緩了水分的進入，因此其最大干密度較大，最佳含水量相對較小;由于橡膠粉具有一定的吸水持水能力，同時在其表面形成的水膜有利于顆粒間的移動，使得混合料密實狀態相對較好，故其最大干密度和最佳含水量相對較大;而摻膨脹劑后則在混合料內部產生微膨脹作用，填充混合料內部孔隙的同時保留了部分水分，使得摻膨脹劑的混合料最大干密度和最佳含水量均相對較大。

3 混合料力學性能分析

將摻玄武巖纖維、橡膠粉、膨脹劑和普通類水泥穩定碎石混合料采用150mmSymboltB@150mm試模靜壓成型后，放入養生室養生7d、28d、60d、90d齡期后，分別進行無側限抗壓強度、劈裂強度及抗壓回彈模量試驗。

3.1 混合料抗壓強度

四種混合料無側限抗壓強度關系見圖2。

由圖2可以看出，摻玄武巖纖維、膨脹劑、橡膠粉的水穩混合料7d無側限抗壓強度分別比普通水穩混合料增加了-2.2%、4.4%、-6.5%，28d無側限抗壓強度分別增加了5.8%、5.8%、-11.6%，60d無側限抗壓強度分別增加了10.7%、8.9%、-10.7%，90d無側限抗壓強度分別增加了12.1%、10.3%、-12.1%。

3.2 混合料劈裂強度

四種混合料劈裂強度關系見圖3。

由圖3可知，摻玄武巖纖維、膨脹劑、橡膠粉的水穩混合料7d劈裂強度分別比普通水穩混合料增加了12.2%、6%、9%，28d劈裂強度分別增加了10.9%、2.2%、-6.5%，60d劈裂強度分別增加了7.6%、1.9%、-3.9%，90d劈裂強度分別增加了14.6%、7.2%、1.8%。總體而言，三種不同添加劑的劈裂強度增長規律與無側限抗壓強度增長規律相似。摻玄武巖纖維混合料劈裂強度增長速度較大及對混合料中后期強度增長效果明顯;而摻橡膠粉混合料的劈裂強度前期增長趨勢小于普通混合料劈裂強度，但其90d劈裂強度與摻膨脹劑混合料及普通混合料的劈裂強度相差不大。

3.3 混合料抗壓回彈模量

四種混合料抗壓回彈模量關系見圖4。

由圖4可知，摻玄武巖纖維、膨脹劑、橡膠粉的水穩混合料7d抗壓回彈模量分別比普通水穩混合料增加了9.4%、18.6%、-2.7%，28d抗壓回彈模量分別增加了10.8%、16.7%、-6.6%，60d抗壓回彈模量分別增加了12.4%、15.6%、-7.3%，90d抗壓回彈模量分別增加了13.1%、17.8%、-8.2%。可以看出摻玄武巖纖維和膨脹劑在整個養護齡期內對混合料抗壓回彈模量增強較好，均大于普通混合料。而摻橡膠粉的混合料整個齡期內抗壓回彈模量均小于普通混合料，這可能是橡膠粉屬于黏彈性材料，自身模量較低，在加入混合料后受外力作用下，產生的變形較大。

4 混合料的干縮性能試驗分析

依據文獻對四組混合料用千分表進行90d齡期試驗，混合干縮試驗結果見圖5。

由圖5可知，三種添加劑的混合料90d養生齡期內的干縮系數均小于無添加劑的普通混合料。說明三種添加劑對水穩混合料的干縮抗裂能力改善效果明顯。摻玄武巖纖維的混合料在整個養生齡期內的毛細水通道被細微的纖維絲堵塞或覆蓋，使得失水面積減小，水分流失緩慢，同時在纖維絲自身存在的抵抗變性能力及大量纖維絲形成的空間網狀結構支撐體系的共同作用下有效約束了混合料內部膠凝體間的干縮變形，使得混合料變形量較小。摻膨脹劑的混合料在整個養生齡期內的變化可用微膨脹作用和致密作用來解釋。在初期養生齡期內膨脹劑水化反應產生的鈣礬石填充混合料內部的空隙，且其填充速度大于混合料初期的干縮速度，因此，混合料初期的微膨脹作用使得干縮系數呈現負值，而隨著養生齡期的延長，隨著膨脹劑水化反應產生的鈣礬石數量增多，混合料內部結構愈加緊促密實，使得毛細孔數量減少和毛細管張力作用減弱，因此其干縮系數較小。而橡膠粉自身具有一定吸水持水能力，混合料內部的水泥水化反應的過程中會從橡膠粉內吸收部分水分用于恢復自身的變形，同時由于橡膠粉自身具有一定的黏彈性特性，使得干縮變形時毛細管水、層間水蒸發過程中分子間的作用力減小，從而減弱了混合料整個齡期過程中的干縮變形。

5 總結

（1）四種混合料擊最大干密度大小為普通<摻玄武巖纖維<摻橡膠粉<摻膨脹劑，最佳含水率大小為摻玄武巖纖維<普通<摻膨脹劑<摻橡膠粉。

（2）摻玄武巖纖維和膨脹劑對混合料的力學性能效果提升效果明顯，而摻橡膠粉則減弱了混合料整個齡期內的力學性能發展。

（3）摻玄武巖纖維、膨脹劑及橡膠粉對混合料的干縮性能改善效果明顯，其中摻膨脹劑在整個齡期內對混合料的干縮性能改善效果最優。

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