摻聚乙烯醇纖維水泥穩定碎石抗裂性能研究

羅 坤

(長沙理工大公路工程試驗檢測中心，湖南 長沙 410076)

目前我國已建成的高等級公路中，水泥穩定類半剛性材料鋪筑的基層達90%以上。主要是因為此類材料具有剛度大、強度高、穩定性好的特點。但是，水泥穩定碎石類材料的缺點也十分明顯，即抗裂性能相對較差，尤其是在半剛性基層鋪筑完成后的初期，此時水泥穩定碎石強度并未完全形成，因溫度變化過快、失水率過大等環境因素的改變，造成材料的溫縮應力、干縮應力大于自身抗拉強度，容易出現溫縮、干縮開裂現象，使其整體結構強度大大降低。

國內外研究表明：合適含量的纖維摻入水泥穩定碎石混合料中，能有效抑制裂縫產生，改善混合料抗裂性能[1-5]。常見摻入混合料中的纖維有：鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維等。鋼纖維作為剛性纖維，剛度大且難以均勻分散;聚丙烯纖維比重小、粘結性差，對水泥穩定碎石抗裂性能提升幅度有限;而聚乙烯醇纖維相對其它纖維類材料，強度和彈性模量較高，化學穩定性能好。本文將一定摻量的聚乙烯醇纖維摻入水泥穩定碎石中，重點研究其抗裂性能改善效果。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

1.1.1水泥

選取石門海螺水泥廠生產的P·O 32.5水泥，按照《水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30—2005)中的試驗方法，對其常規指標進行試驗，試驗結果見表1：

表1 水泥試驗結果表比表面積/m2·kg-1 細度/%初凝時間/min終凝時間/min3 d抗壓強度/MPa28 d抗壓強度/MPa3461.619536024.140.8

1.1.2集料

水泥穩定碎石中所用的粗集料、石屑均來自張家界精點石場所生產的石灰巖，石質潔凈、堅硬，按照《公路路面基層施工技術細則》(JTG/TF20—2015)中相關要求，對級配進行設計，各關鍵篩孔通過率均滿足規定要求(見表2、圖1)。

1.1.3聚乙烯醇纖維

聚乙烯醇纖維(PVA纖維)是一種強度高、彈性模量高、耐酸堿性好的纖維材料。它具有非環形和不規則的截面，增大了與水泥基質的成鍵面，表現出與水泥相容性好的特性。本文只考慮PVA纖維摻量對混合料抗裂性能的影響，故纖維直徑、纖維長度均為不變量。PVA纖維選用上海石化生產的高強、高模聚乙烯醇纖維。其技術性能為：密度1.36 g/cm3，纖維長度50 mm，纖維直徑20μm，抗拉強度1 500 MPa，楊氏模量40.3 GPa，極限延伸率7%。

表2 級配曲線表篩孔尺寸 / mm累計篩余 / %19～31.59.5～194.75～9.50～4.75合成級配 / %規范通過率 / %31.5100100100100100 90～100196.110010010081.267～909.50.26.399.510061.245～684.750.22.67.199.237.129～502.360.20.23.286.531.218～380.60.10.21.250.217.9 8～220.0750.10.11.19.73.7 0～7篩底100.0100.0100.0100.00注:19～31.5、9.5～19、4.75～9.5、0～4.75 mm 4檔料的比例為20∶20∶25∶35。

圖1 合成級配曲線

1.2 試驗方案

為了研究不同PVA纖維摻量對抗裂性能的影響，以5%的水泥劑量設計一組基準配合比，PVA纖維摻量按混合料總質量的0‰、0.3‰、0.6‰、0.9‰和1.2‰等5種比例摻入，分別成型5組試件,以0‰的試件為基準組。試件的成型、養護和試驗嚴格按照《 公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[6]中的規定進行，其中無側限抗壓強度、劈裂強度試驗采用φ150 mm的圓柱體試件，進行7 d和90 d齡期的測試。溫縮、干縮試驗采用 100 mm×100 mm×400 mm的中梁試件。

2 試驗結果與分析

2.1 重型擊實試驗

按照上述試驗方案，分別對5組PVA纖維摻量的混合料進行重型擊實。得到其最佳含水率、最大干密度的試驗數據，結果見表3。

表3 擊實試驗結果表PVA摻量/‰最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)05.02.3530.35.02.3620.65.12.3570.95.02.3591.25.02.352

從表3可以看出：5組摻量下混合料的最佳含水率、最大干密度變動較小。分析其原因，主要是因為纖維材料的親水性較差，對混合料單位用水量影響小。與此同時，本試驗中PVA纖維密度為1.36 g/cm3，低于砂石材料密度，但由于纖維用量很小，不會對混合料最大干密度造成太大影響。得出小摻量PVA纖維不會影響混合料的最佳含水率和最大干密度。

2.2 無側限強度、 劈裂試驗

按照規程[6]的要求，標準養護7 d和90 d齡期后，進行力學強度試驗，試驗結果見表4。

表4 力學強度試驗結果表PVA摻量/‰無側限抗壓強度/MPa劈裂強度/MPa7 d90 d7 d90 d03.765.630.480.870.33.836.430.470.920.63.936.650.490.950.93.816.830.480.981.23.906.780.470.96

從上表中可以看出：PVA纖維摻入水泥穩定碎石中，7 d齡期無側限抗壓強度、劈裂強度變化不大；90 d齡期的變化則較為顯著，纖維的加入使其無側限抗壓強度、劈裂強度均得到一定幅度提高。纖維摻量處于一定范圍內時，90 d齡期無側限抗壓強度、劈裂強度都隨著PVA摻量提高而逐漸增加，隨著摻量繼續增加，強度增長趨于平穩甚至逐漸減小。從表4數據得出PVA纖維摻量為0.9‰時，水泥穩定碎石90 d齡期無側限強度、劈裂強度分別較基準組提高21.3%和12.6%。

分析其原因：主要是PVA纖維抗拉強度和彈性模量均較高，混合料中聚乙烯醇纖維摻入，使其內部受力加入了纖維與水化產物之間的粘合力，當混合料受力時，只有將纖維從混合料中拔出或者拉斷才能消除這部分力，宏觀表現為水泥穩定碎石強度性能得到提升。

2.3 溫縮、 干縮試驗

2.3.1溫縮試驗

根據南方地區的氣候條件，溫度控制在-10 ℃～30 ℃區間，按照規程[6]試驗方法進行試驗，平均溫縮系數按下式計算：

(1)

式中：ti為第級溫度,℃；εi為第i級溫縮應變，%；αti為第次的溫縮系數，10-6/℃；

將試驗結果整理出表5，并繪制出不同PVA摻量與溫縮系數的關系(見圖2)。

表5 溫縮試驗結果表PVA摻量/‰各溫度段(℃)平均溫縮系數/(10-6·℃-1)20～3010～200～10-10～0平均值最大值020.3920.5022.5627.7422.8027.740.316.3817.6317.3522.6718.5122.670.614.8215.9215.2718.2116.0618.210.911.0612.0312.6113.5612.3213.561.210.5711.4512.0712.2311.5812.23

從表5數據可以看出：當聚乙烯醇纖維摻量增大時，水泥穩定碎石混合料溫縮系數平均值、最大值均逐漸減小，說明PVA纖維的摻入能有效提高混合料溫縮性能。當PVA纖維摻量為0.9‰時，水泥穩定碎石溫縮系數較基準組降低了49.2%。

圖2 不同PVA摻量下溫縮系數關系圖

2.3.2干縮試驗

干縮試驗按下式計算：

失水率：ωi=(mi-mi+1)/mp

(2)

干縮應變：εi=δi/l

(3)

干縮系數：αdi=εi/ωi

(4)

總干縮系數：αd=∑εi/∑ωi

(5)

式中：ωi為第次的失水率，%；δi為第i次的干縮量，mm；εi為第i次的干縮應變，10-6；mi為第i次測試的質量，g；l為初始試件的長度，mm；mp為試件烘干后的恒重，g；αdi為表示第i次的干縮系數，10-6。

根據試驗結果繪制出不同PVA摻量下水泥穩定碎石的干縮系數圖(見圖3)。

圖3 不同PVA摻量下干縮系數與齡期關系圖

從圖3中可以看出：① 5組摻量下的水泥穩定碎石干縮系數均隨養護齡期增長，呈現出先顯著增加然后趨于平穩的變化規律；② 摻入聚乙烯醇纖維水泥穩定碎石的干縮系數均小于同齡期基準組的干縮系數，當PVA纖維摻量為0.9‰時下降幅度最大，29 d齡期的降幅達到49.6%。

分析其原因：由于纖維比表面積較大，摻入到

混合料中，在混合料的內部形成了一種均勻、亂向支撐體系，纖維的亂向分布一定程度上削弱混合料的塑性收縮。由塑性收縮產生的能量被分散至亂向分布的纖維上，混合料的韌性得到增強，抵消了一部分由于溫度、濕度變化所產生的收縮應力，一定程度上降低了細微裂縫的產生和發展，宏觀表現為水泥穩定碎石抗裂性能增強。

3 結論

在水泥穩定碎石中摻入不同劑量的聚乙烯醇纖維，并對其混合料的力學強度、溫縮、干縮性能進行試驗，研究摻聚乙烯醇纖維水泥穩定碎石混合料抗裂性能改善程度，研究表明：

1)小摻量的聚乙烯醇纖維摻入水泥穩定碎石當中，對混合料的最佳含水率、最大干密度不會造成太大影響;對混合料無側限抗壓強度、劈裂強度則有小幅度的提升作用。

2)水泥穩定碎石混合料中摻入聚乙烯醇纖維，能夠有效降低混合料的溫縮、干縮系數，改善水泥穩定碎石的抗裂性能。

3)隨著聚乙烯醇纖維摻量增加，水泥穩定碎石的力學性能、抗裂性能均得到一定幅度提升;當摻量繼續增加,其性能趨于穩定甚至下降，考慮到經濟性原則，建議最佳聚乙烯纖維摻量為0.9‰。