玄武巖纖維、膨脹劑及橡膠粉對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的路用性能影響

吳正生

摘 要：基于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、抗壓回彈模量試驗(yàn)及干縮試驗(yàn)，本文展開(kāi)了摻玄武巖纖維、橡膠粉、膨脹劑及普通水泥穩(wěn)定碎石混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、干縮性能對(duì)比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：玄武巖纖維、膨脹劑、橡膠粉對(duì)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(duì)混合料力學(xué)性能提升效果較好，其90d抗壓強(qiáng)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(xué)性能發(fā)展，其90d抗壓強(qiáng)度較普通混合料減少了12.1%。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維;橡膠粉;膨脹劑;力學(xué)性能;干縮性能

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.30.067

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石基層作為一種典型路面半剛性基層結(jié)構(gòu)層，由于其具有強(qiáng)度大、剛度優(yōu)、穩(wěn)定性和耐久性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高速公路建設(shè)，目前我國(guó)已建高速公路中半剛性基層利用率高達(dá)90%。然而水泥穩(wěn)定碎石材料也存在抗變形能力較差的問(wèn)題，易在溫度及濕度作用下產(chǎn)生收縮開(kāi)，導(dǎo)致承載力下降，從而進(jìn)一步引起路面開(kāi)裂等不良現(xiàn)象。通過(guò)摻適量的橡膠粉有利于提高水泥穩(wěn)定材料的穩(wěn)定性，摻膨脹劑、纖維對(duì)有利于改善水泥穩(wěn)定材料的抗裂性能。因此，本文主要展開(kāi)摻玄武巖纖維、膨脹劑、橡膠粉三種添加劑下對(duì)比無(wú)添加劑下的水泥穩(wěn)定碎石混合料力學(xué)性能、干縮性能試驗(yàn)研究，分析不同添加劑下的路用性能變化規(guī)律，從而為后續(xù)的工程實(shí)踐提供一定的參考。

1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為南方水泥有限公司生產(chǎn)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(chǎn)的，型號(hào)為BFCS-17-264-20-W;膨脹劑選用長(zhǎng)沙東科建材科技有限公司生產(chǎn)的WDN型粉劑;橡膠粉采用四川金摩爾環(huán)保材料有限公司生產(chǎn)的60目橡膠粉。

2 混合料試驗(yàn)方案

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用粗集料采用石灰?guī)r碎石，細(xì)集料采用機(jī)制砂。水泥穩(wěn)定碎石基層材料級(jí)配采用《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）規(guī)范推薦的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石或砂礫（C-B-3）級(jí)配范圍中值，見(jiàn)表1。

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jìn)行設(shè)計(jì)，綜合考慮路用及經(jīng)濟(jì)性能，對(duì)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(jìn)行對(duì)比分析。混合料擊實(shí)試驗(yàn)選用重型擊實(shí)法來(lái)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(shí)結(jié)果見(jiàn)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(nèi)部的毛細(xì)孔通道，延緩了水分的進(jìn)入，因此其最大干密度較大，最佳含水量相對(duì)較小;由于橡膠粉具有一定的吸水持水能力，同時(shí)在其表面形成的水膜有利于顆粒間的移動(dòng)，使得混合料密實(shí)狀態(tài)相對(duì)較好，故其最大干密度和最佳含水量相對(duì)較大;而摻膨脹劑后則在混合料內(nèi)部產(chǎn)生微膨脹作用，填充混合料內(nèi)部孔隙的同時(shí)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(duì)較大。

3 混合料力學(xué)性能分析

將摻玄武巖纖維、橡膠粉、膨脹劑和普通類水泥穩(wěn)定碎石混合料采用150mmSymboltB@150mm試模靜壓成型后，放入養(yǎng)生室養(yǎng)生7d、28d、60d、90d齡期后，分別進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及抗壓回彈模量試驗(yàn)。

3.1 混合料抗壓強(qiáng)度

四種混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系見(jiàn)圖2。

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

3.2 混合料劈裂強(qiáng)度

四種混合料劈裂強(qiáng)度關(guān)系見(jiàn)圖3。

由圖3可知，摻玄武巖纖維、膨脹劑、橡膠粉的水穩(wěn)混合料7d劈裂強(qiáng)度分別比普通水穩(wěn)混合料增加了12.2%、6%、9%，28d劈裂強(qiáng)度分別增加了10.9%、2.2%、-6.5%，60d劈裂強(qiáng)度分別增加了7.6%、1.9%、-3.9%，90d劈裂強(qiáng)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(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律相似。摻玄武巖纖維混合料劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較大及對(duì)混合料中后期強(qiáng)度增長(zhǎng)效果明顯;而摻橡膠粉混合料的劈裂強(qiáng)度前期增長(zhǎng)趨勢(shì)小于普通混合料劈裂強(qiáng)度，但其90d劈裂強(qiáng)度與摻膨脹劑混合料及普通混合料的劈裂強(qiáng)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(guān)系見(jiàn)圖4。

由圖4可知，摻玄武巖纖維、膨脹劑、橡膠粉的水穩(wěn)混合料7d抗壓回彈模量分別比普通水穩(wěn)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(gè)養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)對(duì)混合料抗壓回彈模量增強(qiáng)較好，均大于普通混合料。而摻橡膠粉的混合料整個(gè)齡期內(nèi)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(chǎn)生的變形較大。

4 混合料的干縮性能試驗(yàn)分析

依據(jù)文獻(xiàn)對(duì)四組混合料用千分表進(jìn)行90d齡期試驗(yàn)，混合干縮試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可知，三種添加劑的混合料90d養(yǎng)生齡期內(nèi)的干縮系數(shù)均小于無(wú)添加劑的普通混合料。說(shuō)明三種添加劑對(duì)水穩(wěn)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(gè)養(yǎng)生齡期內(nèi)的毛細(xì)水通道被細(xì)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(shí)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支撐體系的共同作用下有效約束了混合料內(nèi)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(gè)養(yǎng)生齡期內(nèi)的變化可用微膨脹作用和致密作用來(lái)解釋。在初期養(yǎng)生齡期內(nèi)膨脹劑水化反應(yīng)產(chǎn)生的鈣礬石填充混合料內(nèi)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(shù)呈現(xiàn)負(fù)值，而隨著養(yǎng)生齡期的延長(zhǎng)，隨著膨脹劑水化反應(yīng)產(chǎn)生的鈣礬石數(shù)量增多，混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)愈加緊促密實(shí)，使得毛細(xì)孔數(shù)量減少和毛細(xì)管張力作用減弱，因此其干縮系數(shù)較小。而橡膠粉自身具有一定吸水持水能力，混合料內(nèi)部的水泥水化反應(yīng)的過(guò)程中會(huì)從橡膠粉內(nèi)吸收部分水分用于恢復(fù)自身的變形，同時(shí)由于橡膠粉自身具有一定的黏彈性特性，使得干縮變形時(shí)毛細(xì)管水、層間水蒸發(fā)過(guò)程中分子間的作用力減小，從而減弱了混合料整個(gè)齡期過(guò)程中的干縮變形。

5 總結(jié)

（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(duì)混合料的力學(xué)性能效果提升效果明顯，而摻橡膠粉則減弱了混合料整個(gè)齡期內(nèi)的力學(xué)性能發(fā)展。

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

參考文獻(xiàn)

[1]索穎浩.振動(dòng)攪拌技術(shù)在高速公路水穩(wěn)混合料中的應(yīng)用 [J ].中國(guó)公路，2019，（04）：118-120.

[2 ]覃峰，楊勝堅(jiān)，陸宏新，等.橡膠粉水泥穩(wěn)定碎石基層水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究 [J ].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010，（05）：25-29.

[3 ]王海鵬，王平.橡膠粉水泥穩(wěn)定粒料基層路用性能試驗(yàn) [J ].公路交通科技，2013，30（08）：12-16+22.

[4 ]李艷春，李俠，張攀，等.膨脹劑及纖維對(duì)水泥穩(wěn)定碎石干縮性能的影響 [J ].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2013，37（02）：246-249.

[5 ]王旭東.交通運(yùn)輸部.公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則 [M ].北京：人民交通出版社，2015.

[6 ]張新勇，陳宏業(yè)，張清偉，等.橡膠水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)研究 [J ].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2014，31（12）：73-76.

[7 ]王愛(ài)國(guó)，孫道勝，鄧敏，等.聚丙烯纖維和膨脹劑對(duì)混凝土微結(jié)構(gòu)的影響 [J ].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（07）：31-34.

[8 ]朱夢(mèng)良，劉偉.骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石基層的收縮性能 [J ].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，6（02）：7-12.

[9 ]蔣應(yīng)軍，李明杰，張俊杰，等.水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度影響因素 [J ].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，30（04）：1-7.

[10 ]Kamen A，Denarié E，Sadouki H，et al.Thermo-mechanical response of UHPFRC at early age-Experimental study and numerical simulation [J ].Cement and Concrete Research，2008，38（6）：822-831.