玄武巖纖維對水穩建筑垃圾柔化抗裂性能的改善作用

陳喬森，翟超偉

(1.廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司 廣州市 510507； 2.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司 鄭州市 451464)

0 引言

建筑垃圾在水穩碎石基層中的大規模應用，可以節約石料資源和工程成本、減少對環境的破壞[1-2]。李萬舉等[3]認為：磚混類建筑垃圾技術指標較低，可用于二級以下公路底基層，其力學性能滿足二級及以下公路底基層指標要求。王蒙[4]、孫吉書等[5]的研究表明：建筑垃圾吸水率大、壓碎值高，隨著建筑垃圾摻量的增大，水穩建筑垃圾的干縮抗裂性能逐漸降低。研究現狀表明：水穩建筑垃圾的路用性能較差，尤其是抗裂性能差，導致水穩建筑垃圾基層易產生開裂破壞、使用壽命較低。目前僅能將建筑垃圾應用于公路等級較低、交通量較小公路的基層中，且建筑垃圾摻量通常小于50%[6-8]。

水穩碎石開裂的最重要原因就是其抵抗變形的能力不足，在荷載作用或收縮變形的作用下，混合料內部逐漸產生微裂縫，微裂縫造成的損傷逐步積累，擴展為宏觀裂縫，因此，增強水穩碎石抵抗變形的能力可以有效地降低水穩碎石的開裂破壞[9]。楊明[10]采用玄武巖纖維改善水穩碎石的路用性能，發現玄武巖纖維對水穩碎石的路用性能有較強的改善作用，可以顯著提高水穩碎石的抗彎拉強度、彎曲韌性以及抗收縮能力，能夠有效地提高水穩碎石抵抗變形的能力。

國內外研究現狀表明：水穩建筑垃圾的路用性能較差，尤其是抗裂性能不足，導致水穩建筑垃圾基層使用壽命較短，進而限制了水穩建筑垃圾在高等級公路基層中的應用，而玄武巖纖維能夠增強水穩碎石的韌性，對水穩碎石具有較好的柔化抗裂作用。通過7d抗壓強度試驗優選出滿足重交通荷載等級高速公路基層使用要求的配合比，通過壓折比、抗彎拉韌性評價水穩建筑垃圾抵抗變形開裂的能力。

1 試驗方案

以7d抗壓強度為指標，優選出滿足重交通荷載等級下高速公路基層使用要求的水穩建筑垃圾配合比，確定玄武巖纖維的較佳摻量，并通過水穩建筑垃圾的壓折比、抗彎拉韌性，研究玄武巖纖維對水穩建筑垃圾柔化抗裂性能的影響。試件的成型、養生、測試參考《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)的相關規定。

1.1 壓折比

壓折比可以在一定程度上反映水穩碎石的韌性，壓折比越低，柔韌性能越好，抵抗荷載作用開裂的能力越強，其計算公式如式(1)所示。

(1)

式中，抗壓強度與抗彎拉強度的測試齡期均為90d，單位為MPa。

1.2 抗彎拉韌性

抗彎拉韌性是評價水穩碎石在彎拉應力下抵抗開裂能力的重要指標，表征從施加荷載開始到試件斷裂為止水穩碎石混合料吸收的能量，能有效評價水穩碎石混合料的抗變形能力及在彎拉荷載作用下抗斷裂的能力。參考JSCE(日本土木工程師學會)所推薦的等效彎拉強度來評價水穩碎石的抗彎拉韌性，等效抗彎拉強度越大，表明使得水穩碎石斷裂所需要的能量越大，水穩碎石的抗彎拉韌性越好，抵抗變形的能力越強[16]。計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：fe—等效彎拉強度(MPa)；

Ω—從開始到撓度為L/150荷載-撓度曲線下的面積(N·mm)；

L—兩支座之間的跨度(mm)；

b—試件的寬和高(mm)；

h—試件的高度(mm)；

δ—L/150。

試驗齡期為90d。

2 原材料及組成設計

2.1 原材料

水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，建筑垃圾來源于陜西建新環保科技發展有限公司，其物理力學性能測試結果如表1所示。

表1 建筑垃圾和天然碎石的物理力學性能

建筑垃圾混合料中細集料含量較高，在進行級配設計時要將建筑垃圾重新篩分后再調整級配，參考《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)所推薦的CB-3級配進行級配設計，如表2所示。

表2 碎石和建筑垃圾的設計級配

玄武巖纖維技術指標如表3所示。

表3 玄武巖纖維的技術指標

2.2 水穩建筑垃圾組成設計

取建筑垃圾摻量為0、100%，水泥劑量為3.5%、4.5%、5.5%，纖維摻量為0、0.03%、0.06%、0.09%、0.12%，進行擊實試驗，并通過7d抗壓強度優選出較佳的纖維摻量和水泥劑量。水穩建筑垃圾的7d抗壓強度試驗結果如表4所示。

表4 7d抗壓強度試驗結果

由表4可知，隨著水泥劑量的增大，水穩建筑垃圾的抗壓強度逐漸增大；隨著玄武巖纖維摻量的增大，水穩建筑垃圾的抗壓強度先增大后減小，纖維摻量為0.06%時，7d抗壓強度最大；水穩建筑垃圾的抗壓強度顯著低于普通水穩碎石，但仍具有較高的抗壓強度。纖維摻量過小時，纖維無法在水穩建筑垃圾內部形成整體的亂向分布體系，無法起到連接固定的作用；纖維摻量過大時，纖維易結團、散布不均勻，且阻礙了水泥石的相互粘結，導致水穩建筑垃圾抗壓強度下降。

參考《公路路面基層施工技術細則》JTG/T F20-2015表4.2.4可知，水穩碎石應用于重交通荷載等級下高速公路基層的7d抗壓強度代表值為4.0～6.0MPa，公路等級較高時，推薦取上限強度標準。因此取配合比設計指標為6MPa，即水穩建筑垃圾的7d抗壓強度大于6MPa時，認為水穩建筑垃圾能夠滿足重交通荷載等級下高速公路基層的使用要求。建筑垃圾摻量為100%、水泥劑量為4.5%、纖維摻量為0.06%時，水穩建筑垃圾的7d抗壓強度能夠滿足重交通荷載等級下高速公路鋪筑上層結構的要求。考慮到水泥劑量過大會導致水穩碎石收縮抗裂性能降低，在水穩建筑垃圾力學性能滿足的情況下，應該盡量選取較低的水泥劑量，因此選取建筑垃圾摻量為0、100%，水泥劑量為4.5%，纖維摻量為0、0.03%、0.06%、0.09%，進行水穩建筑垃圾的柔化抗裂性能試驗，以研究玄武巖纖維對水穩建筑垃圾柔化抗裂性能的影響。

3 試驗結果及分析

3.1 壓折比

90d抗壓強度試驗、90d抗彎拉強度試驗結果如表5所示。

表5 壓折比試驗結果

由表5可知：隨著纖維摻量的增大，90d抗壓強度先增大后減小，90d抗彎拉強度一直增大，但增長幅度逐漸減緩。摻加玄武巖纖維后，水穩建筑垃圾的壓折比大幅度減小，且隨著纖維摻量的增大，壓折比持續減小，纖維摻量為0.06%的水穩建筑垃圾的壓折比較普通水穩碎石減小了6.7%，不摻加纖維的水穩建筑垃圾的壓折比較普通水穩碎石增大了16.2%。這表明摻加玄武巖纖維可以有效地增強水穩建筑垃圾的韌性，改善其抵抗開裂的能力。

此外，《公路瀝青路面設計規范》JTG D50-2017中規定，90d抗彎拉強度應該高于0.9MPa，可見摻加纖維后，水穩建筑垃圾的力學強度能夠滿足規范要求。纖維摻量為0.06%時，抗壓強度、抗彎拉強度最大，力學性能最佳。

3.2 抗彎拉韌性

抗彎拉韌性試驗結果如表6所示。

由表6可知，摻加纖維后，水穩建筑垃圾的等效彎拉強度大幅度提升，且隨著纖維摻量的增大，等效彎拉強度逐漸增大，纖維摻量為0.06%的水穩建筑垃圾的等效彎拉強度較普通水穩碎石增大了3.9%，不摻加纖維的水穩建筑垃圾的等效彎拉強度較普通水穩碎石減小了29.4%。這表明摻加玄武巖纖維可以有效地改善水穩建筑垃圾抵抗開裂的能力。

表6 等效彎拉強度計算結果

加載初期，水穩碎石混合料作為一個整體受力，變形極小，玄武巖纖維基本不起作用；隨著荷載的增大，混合料中逐漸生成微裂縫，纖維開始起到加筋橋接的作用，承擔了部分彎拉應力；隨著微裂縫的繼續擴展，混合料中的薄弱面上開始出現宏觀裂縫，纖維起到了主要的連接作用；隨著繼續加載，纖維的承載能力達到了極限，部分纖維被拉斷，混合料的承載能力開始降低，裂縫繼續擴展，直到纖維全部被拉斷，形成貫通縫。

4 結論

(1)摻加玄武巖纖維后，水穩建筑垃圾的柔化抗裂性能得到了大幅度增強，纖維摻量為0.06%時，水穩建筑垃圾的壓折比比不摻加纖維的水穩建筑垃圾減小了19.7%、等效彎拉強度增大了47.2%。

(2)隨著玄武巖纖維摻量的增大，水穩建筑垃圾的柔化抗裂性能的增長幅度逐漸減小，纖維摻量為0.06%時，玄武巖纖維對水穩建筑垃圾的綜合柔化抗裂性能最佳。

(3)玄武巖纖維摻量為0.06%時，水穩建筑垃圾的抗裂性能與普通水穩碎石比較接近，其力學性能、抗裂性能均能滿足重交通荷載等級高速公路基層的使用要求。